ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเซ็นเซอร์วัดแรงดัน
By Ryan Smoot, Technical Support
Engineer, CUI Devices
2023-03-28
เซ็นเซอร์วัดแรงดันคือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ตรวจสอบหรือตรวจจับความดัน
(แรงดัน) ของก๊าซหรือของเหลว และแปลงข้อมูลนั้นเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถใช้ตรวจสอบหรือควบคุมแรงนั้นได้
หากต้องการเริ่มต้นการสนทนาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซ็นเซอร์ความดัน
คุณควรเริ่มต้นด้วยคำจำกัดความเบื้องต้น
โดยที่ความดันคือขนาดของแรงที่กระทำโดยแก๊สหรือของเหลวต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิว
ความสัมพันธ์ระหว่างความดัน (P) แรง (F) และพื้นที่ (A)
กำหนดโดยสมการ P=F/A หน่วยความดันแบบดั้งเดิมคือ
Pascal ซึ่งมีค่าเท่ากับหนึ่งนิวตัน (N) ต่อตารางเมตร
สามารถอธิบายความดันได้ว่าเป็นแรงที่จำเป็นในการขัดขวางการขยายตัวของของไหล
เซ็นเซอร์วัดแรงดันมีเทคโนโลยีมากมาย
ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความนี้
และในท้ายที่สุดแต่ละเทคโนโลยีจะกำหนดวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์วัดความดันโดยเฉพาะ
แม้ว่าเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถใช้กับของเหลวและก๊าซได้หลากหลายประเภท
แต่ของเหลวบางชนิดที่มีความหนืดหรือหนา (เยื่อกระดาษ ยางมะตอย น้ำมันดิบ ฯลฯ)
อาจต้องใช้เซ็นเซอร์วัดแรงดันเฉพาะ อย่างไรก็ตาม
มีเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่เหมาะในกับแทบทุกสถานการณ์
แก้ปัญหาความสับสนในการเรียกชื่อ
ในระดับพื้นฐาน
เซ็นเซอร์วัดแรงดัน ทรานสดิวเซอร์ความดัน
และทรานสมิตเตอร์ความดันมีฟังก์ชันการทำงานที่เทียบเคียงกันได้ และด้วยเหตุนี้
คำเหล่านี้จึงมักใช้แทนกันได้ อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างหลัก ๆ
ของอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ที่สัญญาณเอาท์พุต
เซ็นเซอร์วัดแรงดันจะตรวจจับแรงกดและสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่สอดคล้องกับขนาดของแรงที่กระทำ
ทรานสดิวเซอร์แรงดันจะแปลงแรงที่ตรวจพบเป็นเอาต์พุตแรงดันต่อเนื่อง (V) ในขณะที่ทรานสมิตเตอร์ความดันจะแปลงแรงที่ตรวจจับได้ให้เป็นเอาต์พุตกระแสไฟฟ้า
(mA)
ในการใช้งานทั่วไป
เซ็นเซอร์วัดความดันอาจถูกอ้างถึงโดยใช้คำต่างๆ เช่น ทรานสดิวเซอร์ความดัน, ทรานสมิตเตอร์ความดัน,
เครื่องส่งแรงดัน, ตัวบ่งชี้ความดัน, เพียโซมิเตอร์ และมาโนมิเตอร์ หากไม่คำนึงถึงชื่อเรียก
อุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบและควบคุมแรงดันในการใช้งานจำนวนมาก
และยังสามารถใช้วัดตัวแปรอื่นๆ เช่น อัตราไหลของของไหล/ก๊าซ ความสูง
และระดับน้ำได้อีกด้วย
ประเภทการวัดความดัน
ในขอบเขตของการวัดความดันและเซ็นเซอร์วัดแรงดัน
มีคำศัพท์มากมายที่ต้องทำความเข้าใจเพื่อให้มั่นใจว่าระบบมีประสิทธิภาพและมีความแม่นยำในการวัดที่เหมาะสมที่สุด
เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเฉพาะที่ใช้ในการใช้งานของคุณอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อปัจจัยเหล่านี้
เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วความดันจะถูกวัดโดยสัมพันธ์กับค่าอ้างอิง เช่น
ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล
คำศัพท์ที่สำคัญอย่างหนึ่งคือความดันเกจซึ่งเป็นการวัดความดันที่สัมพันธ์กับความดันบรรยากาศโดยรอบ
ความดันที่ระบุจะสูงหรือต่ำกว่าความดันบรรยากาศในพื้นที่
คำสำคัญอีกคำหนึ่งคือ
ความดันสัมบูรณ์ ซึ่งเป็นการวัดความดันเทียบกับค่าอ้างอิงของความดันเป็นศูนย์หรือสุญญากาศ
ค่าที่ได้รับโดยใช้เซ็นเซอร์ความดันสัมบูรณ์ยังคงเหมือนเดิม
โดยไม่เปลี่ยนแปลงตำแหน่งที่วัด
ความดันแตกต่างเป็นความแตกต่างของแรงดันระหว่างจุดสองจุดที่ต่างกันในระบบ
ซึ่งมักใช้ในการคำนวณอัตราการไหลของของเหลวหรือก๊าซภายในท่อ
แรงดันสุญญากาศวัดช่วงแรงดันลบเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันบรรยากาศโดยรอบหรือในพื้นที่
สุดท้ายคือความดันผสมเกี่ยวข้องกับการวัดความดันหรือสุญญากาศทั้งบวกและลบ
โดยหลักแล้วเป็นการรวมทั้งความดันเกจและความดันสุญญากาศ
รูปที่ 1 การแสดงภาพความสัมพันธ์ระหว่างความหลากหลายของการวัดความดัน
(แหล่งที่มารูปภาพ: CUI Devices)
เทคโนโลยีการวัดความดันทั่วไป
ต้นกำเนิดของการตรวจจับความดัน
ความเข้าใจ และการวัดสามารถย้อนไปถึงงานบุกเบิกของกาลิเลโอในช่วงปลายทศวรรษ 1500 และทอร์ริเชลลีในช่วงกลางทศวรรษ
1600 หลอดบูร์ดองเป็นเกจวัดแรงดันตัวแรกที่ประดิษฐ์ขึ้นในปี 1849
และในปี 1930 จึงมีการเปิดตัวทรานสดิวเซอร์แรงดันเอาต์พุตทางไฟฟ้าเครื่องแรก
ด้วยการเพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ จำนวนของเทคโนโลยีต่างๆ
ที่ใช้ในการตรวจจับแรงพื้นฐานนี้ได้เพิ่มสูงขึ้น
นี่คือภาพรวมโดยย่อของเทคโนโลยีการวัดความดันเบื้องต้นและการใช้งาน:
- คาปาซิทีฟ: ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความจุไฟฟ้าที่เกิดจากการดันไดอะแฟรมระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุ
- อินดักทีฟ: ตรวจจับการโก่งตัวเล็กน้อยของไดอะแฟรมที่เชื่อมต่อกับแกนแม่เหล็กซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่เชิงเส้นในแกนกลาง
การเคลื่อนที่นี้แปรผันตามกระแสเหนี่ยวนำและเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า
- ออปติคัล: ใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ค่อยๆ
ถูกกั้นจากความดันที่เพิ่มขึ้น และเซ็นเซอร์ที่สร้างสัญญาณตามสัดส่วนการเปลี่ยนแปลงของแสง
ไฟเบอร์ออปติกเซ็นเซอร์ยังสามารถใช้เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของเส้นทางและเฟสของแสงที่เกิดจากแรงกดได้อีกด้วย
- เพียโซอิเล็กทริก: วัสดุควอทซ์หรือเซรามิกสร้างประจุไฟฟ้าแปรผันตามสัดส่วนของการบีบอัดที่ใช้กับแรงดันภายนอก
ซึ่งเทคโนโลยี Piezoresistive วัดแรงกดโดยใช้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุเมื่อถูกยืดออก
- โพเทนชิโอเมตริก: ใช้อุปกรณ์ต้านทาน
(โพเทนชิออมิเตอร์) และแขนเลื่อนที่เชื่อมต่อกับหลอดบูร์ดอง
เมื่อความดันเปลี่ยนแปลง แขนจะเคลื่อนที่
และโพเทนชิออมิเตอร์จะสร้างสัญญาณที่เกี่ยวข้องตามระดับแรง
- เรโซแนนซ์: แรงที่กระทำต่อไดอะแฟรมด้วยลวดสั่นจะเปลี่ยนความถี่เรโซแนนซ์ของลวด
ซึ่งจะถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
- สเตรนเกจ: เปลี่ยนแรงที่กระทำ
(ความดัน) เป็นการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าที่แปรผันตามแรงที่กระทำ
ซึ่งสามารถวัดความต้านทานนี้ได้
ประเภทเซ็นเซอร์วัดแรงดัน
เพื่อให้เข้าใจเซ็นเซอร์วัดแรงดัน
สิ่งสำคัญคือต้องทบทวนเซ็นเซอร์ประเภทต่างๆ ที่มีสำหรับการออกแบบ
ด้านล่างนี้เป็นเซ็นเซอร์พื้นฐาน:
- ไดอะแฟรมเซ็นเซอร์: เป็นแผ่นโลหะทรงกลมที่บางและยืดหยุ่นซึ่งเปลี่ยนรูปภายใต้แรงกด
- เซ็นเซอร์แบบปิดสนิท: ใช้ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลเป็นความดันอ้างอิง
- เซ็นเซอร์โซลิดสเตต: เซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้โดยใช้ส่วนประกอบสวิตชิ่งของเซมิคอนดักเตอร์
เช่น ทรานซิสเตอร์ Field Effect เพื่อรับรู้แรงดัน
- เซ็นเซอร์สเตรนเกจ: ความต้านทานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความยาวเนื่องจากแรงภายนอกจะถูกวัดและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
- เซ็นเซอร์ฟิล์มบาง: ตามชื่อที่บอกไว้
เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้ฟิล์มบางที่มีองค์ประกอบตัวต้านทานที่เปลี่ยนแปลงความต้านทานเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความยาวและความหนาที่เกิดจากแรงกด
- เซ็นเซอร์สุญญากาศ: ออกแบบมาเพื่อวัดความดันที่ต่ำกว่าระดับบรรยากาศ
โดยปกติแล้วจะใช้เทคโนโลยีเพียโซอิเล็กทริกหรือวัดปริมาตรของก๊าซในพื้นที่เฉพาะ
- เซ็นเซอร์แบบถ่ายอากาศ: วัดความดันเทียบกับความดันบรรยากาศโดยรอบ
รูปที่ 2 ตัวอย่างเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่ใช้ไดอะแฟรมเพียโซอิเล็กทริก
(แหล่งที่มาภาพ: CUI
Devices)
การพิจารณาการออกแบบขั้นสุดท้าย
ก่อนหน้านี้ได้กล่าวถึงเทคโนโลยีเซ็นเซอร์วัดความดัน
การวัด และประเภทของเซ็นเซอร์
ต่อไปนี้เป็นหลักเกณฑ์การเลือกขั้นสุดท้ายบางประการที่ควรคำนึงถึงเมื่อจะเลือกเซ็นเซอร์วัดแรงดันสำหรับการออกแบบเฉพาะ
พารามิเตอร์หลักตัวแรกคือช่วงแรงดันใช้งาน
ซึ่งจะระบุช่วงแรงดันที่ปลอดภัยที่อุปกรณ์จะทำงานตามที่ผู้ผลิตกำหนด
ช่วงอุณหภูมิการทำงาน แรงดันสูงสุดที่เซ็นเซอร์สามารถทนได้ก่อนที่จะเสียหาย
และประเภทเอาต์พุต (อะนาล็อก/ดิจิตอล) ก็มีความสำคัญเช่นกัน ระดับเอาต์พุต
ความแม่นยำและการเบี่ยงเบน ความละเอียด แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย
และปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน การสัมผัสของเหลว
การแผ่รังสี และระยะห่างทางกายภาพระหว่างเซ็นเซอร์และอุปกรณ์รับสัญญาณใดๆ
ควรนำมาพิจารณาด้วย เมื่อพิจารณาจากพารามิเตอร์เหล่านี้ทั้งหมด
จะสามารถเลือกเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะที่ตรงตามเงื่อนไขการทำงานที่จำเป็นและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
สรุป
ในฐานะวิศวกรไฟฟ้า
สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าการวัดแรงดันและการใช้ข้อมูลนั้นเพื่อการควบคุมและตรวจสอบกระบวนการเป็นสิ่งสำคัญในหลายอุตสาหกรรม
เช่น การผลิตและการดูแลสุขภาพ
โดยที่การตรวจจับแรงดันที่แม่นยำและเชื่อถือได้เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และบริการ
ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เซ็นเซอร์วัดแรงดันจึงมีอยู่หลายประเภท เทคโนโลยี
ขนาด เอาต์พุต และความแม่นยำ
การเลือกเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะนั้นจำเป็นต้องพิจารณาพารามิเตอร์การทำงานอย่างรอบคอบ
เช่น ประเภทของเซ็นเซอร์ ช่วงแรงดัน ช่วงอุณหภูมิ แรงดันสูงสุด ประเภทเอาต์พุต
ความแม่นยำ ความละเอียด แรงดันไฟ และปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
กระนั้น
CUI
Devices มีผลิตภัณฑ์เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเพียโซ ที่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้
โดยมีเซ็นเซอร์หลายประเภทแรงดันและช่วงการทำงาน ช่วยให้สามารถวัดค่าได้อย่างยืดหยุ่นและแม่นยำ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น