Basınç ölçümü, çeşitli endüstrilerde ve bilimsel araştırmalarda temel öneme sahiptir. Havacılık, otomotiv, sağlık, çevresel izleme ve üretim süreçlerinin izlenmesi ve kontrolünde çok önemlidir. Basınç ölçümünün arkasındaki ilkeleri, sensörleri ve teknolojileri anlamak, belirli uygulamalar için uygun yöntemi seçmek için gereklidir. Bu makalede şunları içermektedir:
- Basıncın ne olduğunu ve ölçmenin ne kadar önemli olduğu,
- Basıncın nasıl ölçüleceği,
- Günümüzde kullanılan basınç sensörü türleri ve teknolojileri,
- Göstergeler, sensörler, transdüserler ve transmiterler arasındaki farklar
Basınç Nedir?
Basınç, bir akışkanın (sıvı veya gaz) bir yüzeye dik olarak uyguladığı birim alan başına kuvvet olarak tanımlanır.
P = F/A formülü ile tanımlanır.
Piezoelektrik basınç sensörünün şeması.
P = Basınç
F = Ortaya çıkan Kuvvet
A = Kuvvete maruz kalan yüzey alanı
Basınç Ölçümlerinin Türleri
Üç ana tip basınç ölçümü vardır:
- Mutlak basınç: Basınç, mükemmel bir vakuma (sıfır basınç) göre ölçülür
- Gösterge basıncı: Basınç, ortamdaki atmosferik basınca göre ölçülür
- Diferansiyel basınç: İki basınç arasındaki fark olarak ölçülür
Basınç pozitif veya negatif olabilir. Negatif basınç, belirli bir alandaki basıncın çevredeki ortamın basıncından daha düşük olduğu bir durumu ifade eder. Neredeyse tüm basınç sensörleri basınç farklarını ölçme prensibiyle çalıştığından hem pozitif hem de negatif basıncı ölçebilirler.
Basınç Ölçümlerinin Birimleri
- Pascal (Pa): SI (Uluslararası Birimler Sistemi) basınç birimi. Bir Pascal, metrekare başına bir newton (N/m²) olarak tanımlanır. Not: Bir kilo paskal (kPa) 1.000 Paskala eşittir.
- Metrekare başına Newton (N/m²): 1 N/m² 1 Pascal’a eşittir.
- Bar (bar): Metrik bir basınç birimi olup 1 bar 100.000 Paskal’a eşittir.
- Atmosfer (atm): Deniz seviyesindeki ortalama atmosfer basıncına göre, 1 atmosfer 101,325 Paskal’a eşittir.
- Torr (torr): 1 torr 133,322 Paskala eşittir.
- İnç kare başına pound (psi): Amerika Birleşik Devletleri’nde yaygın olarak kullanılan bir psi, bir inç karelik bir alana uygulanan bir poundluk bir kuvvetten kaynaklanan basınca eşittir.
- Milimetre cıva (mmHg): Tıpta ve meteorolojide yaygın olarak kullanılan bir mmHg, 133,322 Paskala eşittir.
- İnç cıva (inHg): Amerika Birleşik Devletleri’nde havacılık ve meteorolojide yaygın olarak kullanılan bir inç cıva 3,386 Paskal’a eşittir.
Her birim, uygulamaya ve belirli bir alanda tercih edilen ölçüm sistemine bağlı olarak kullanılabilir.
Transdüserler Vs. Vericiler
“Basınç sensörü” terimi hem transdüserleri hem de transmiterleri ifade edebilir. Transdüserler tipik olarak voltaj çıkışına sahip sensörlerdir, transmiterler ise standart bir 4-20mA akım döngüsü üzerinden çıkış verir. 2 telli ve 4 telli akım döngüleri, birçok sektörde endüstriyel ve proses kontrol uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Basınç Sensörü Ve Gösterge Tipleri
Basınç ölçüm teknolojisi, mevcut çok çeşitli sensör tipleri nedeniyle çok geniştir. Buna göre, basınç ölçüm teknikleri kullanılan sensör tipine göre değişir. Sensörler ve transdüserler ölçüm sistemlerine bağlanabilen elektrik çıkışlarına sahipken, göstergeler tipik olarak fiziksel bir kadrana veya çıkışları olarak başka bir görsel göstergeye sahip mekanik cihazlardır. Başlıca basınç sensörü ve gösterge türlerinin her birini inceleyelim ve güçlü, zayıf yönlerini ve en uygun uygulamalarını karşılaştıralım:
Piezorezistif (Strain Gage) Basınç Sensörleri
- Kapasitif basınç sensörleri
- Piezoelektrik (şarj) basınç sensörleri
- MEMS basınç sensörleri
- Rezonans Telli basınç sensörleri
- Optik basınç sensörleri
- Termal iletkenlik basınç sensörleri
- Bourdon tüp basınç göstergeleri
- Manometre basınç göstergeleri
- Diyaframlı basınç göstergeleri
- İyonizasyon basınç göstergeleri
Piezorezistif Gerinim Ölçer Basınç Sensörleri
Endüstriyel ve otomotiv sistemlerinde kullanılan gerinim ölçer basınç sensörleri, basıncı doğru bir şekilde ölçmek için diyafram deformasyonunu ölçer, ancak sapmayı önlemek için sıcaklık kompanzasyonuna ihtiyaç duyar.
Gerinim ölçer basınç sensörleri, bir diyaframın veya gerinim ölçerlerin bağlı olduğu bir yapının deformasyonunu ölçer. Basıncın neden olduğu gerilme, göstergelerin elektrik direncini değiştirir, bu da daha sonra bir Wheatstone köprü devresi kullanılarak ölçülür ve basınçla ilişkilendirilir. Bu sensörler, iyi doğrulukları, doğrusallıkları ve geniş basınç aralıkları nedeniyle endüstriyel uygulamalarda, otomotiv sistemlerinde ve yük hücrelerinde yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, sıcaklık kompanzasyonu gerektirirler ve Dewesoft STG serisi sinyal koşullandırıcılar gibi ilgili sinyal koşullandırıcılar kompanzasyon devrelerine sahip olmadıkça zamanla sapma yaşayabilirler.
Strain Gage Basınç Sensörü Uygulamaları:
Gerinim ölçerler otomotiv, havacılık, sağlık, yapısal izleme, modal testler ve daha fazlası dahil olmak üzere neredeyse tüm endüstrilerde kullanılır. Ayrıca yük hücrelerinde de kullanılırlar.
Strain gage basınç sensörü avantajları:
- İyi doğruluk ve doğrusallık
- Geniş basınç aralığı
Strain Gage Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Sıcaklık kompanzasyonu gerektirir
- Zaman içinde kayma potansiyeli
Kapasitif Basınç Sensörleri
Kapasitif basınç sensörleri iki plaka arasındaki kapasitans değişikliklerini tespit ederek tıbbi cihazlar için yüksek hassasiyet ve kesinlik sunar ancak dikkatli bir kalibrasyon gerektirir.
Bu sensörler, biri sabit diğeri ise basınç altında hareket eden bir diyafram olan iki plaka arasındaki kapasitans değişikliklerini tespit ederek basıncı ölçer. Bir elektrik devresi kapasitanstaki bu değişimi ölçer ve basınç okumalarına dönüştürür. Bu sensörler son derece hassas ve kesindir, bu da onları tıbbi cihazlar ve laboratuvar ekipmanları gibi uygulamalar için uygun hale getirir. Bununla birlikte, sıcaklığa ve elektromanyetik girişime karşı hassas olabilirler ve doğru ölçümler sağlamak için dikkatli bir kalibrasyon gerektirirler.
Kapasitif Basınç Sensörü Uygulamaları:
Kapasitif basınç sensörleri, tıbbi cihazlar ve laboratuvar ekipmanları dahil olmak üzere yüksek hassasiyet ve hassasiyet gerektiren uygulamalarda kullanılır. Yükseklik, akış, hava hızı ve seviye gibi kontrol ve izleme uygulamalarında bulunurlar.
Kapasitif Basınç Sensörü Avantajları:
- Yüksek hassasiyet ve doğruluk
- Çok düşük basınçları ölçebilir
Kapasitif Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Sıcaklığa ve elektromanyetik girişime karşı hassas
- Doğru ölçümler için kalibrasyon gerektirir
Piezoelektrik Basınç Sensörleri
Piezoelektrik basınç sensörünün şeması.
Bu sensörler, kuvars, seramik, kurşun zirkonat titanat (PZT) ve diğer kristal malzemeler gibi malzemelerin basınç da dahil olmak üzere mekanik gerilimlere yanıt olarak bir elektrik yükü oluşturduğu piezoelektrik etkiden yararlanır. Elektrotlar aracılığıyla ölçülebilen ve orantılı bir elektrik sinyaline dönüştürülebilen bir elektrik yükü üretirler. Bir sinyal düzenleyici, yükü kullanılabilir bir basınç değerine dönüştürür. Piezoelektrik sensörler, içten yanmalı motor analizi, çarpışma, araç dinamikleri ve diğer çalışmalar gibi dinamik, hızlı değişen basınç ölçümleri için idealdir. Ancak doğaları gereği çoğu statik basınç ölçümü için uygun değildirler.
Piezoelektrik Basınç Sensörü Uygulamaları:
Bu sensörler, motor yanma analizi ve şok dalgası çalışmaları gibi dinamik (yüksek bant genişliği) basınç ölçümleri için idealdir.
Piezoelektrik Basınç Sensörü Avantajları:
- Yüksek bant genişliği (frekans tepkisi)
- Sağlam çalışma ve kendi kendine güç sağlama
- Dinamik ve geçici basınç ölçümleri için uygundur
Piezoelektrik Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Statik basınç ölçümleri için uygun değildir
- Malzeme yorgunluğunu önlemek için dikkatli kullanım gerektirir
- Sıcaklık hassasiyeti
MEMS Basınç Sensörleri
MEMS basınç sensörü.
MEMS (Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler) basınç sensörleri, basıncı ölçmek için mekanik elemanları, sensörleri ve elektronikleri bir silikon çip üzerinde birleştirir. Bu sensörler tipik olarak basınç altında deforme olan mikro işlenmiş bir diyaframa sahiptir ve piezorezistif elemanlar veya kapasitif plakalar diyaframın deformasyonunu ölçer. Entegre devre daha sonra sinyali işler. MEMS sensörleri küçük boyutları, düşük güç tüketimleri, yüksek doğrulukları ve güvenilirlikleri nedeniyle tüketici elektroniği, otomotiv sistemleri ve tıbbi cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
MEMS Basınç Sensörü Uygulamaları:
Tüketici elektroniği, otomotiv sistemleri ve tıbbi cihazlarda yaygın olarak kullanılır.
MEMS Basınç Sensörü Avantajları:
- Küçük boyut ve düşük güç tüketimi
- Basınç sensörü hassasiyetinin önemli olduğu durumlarda idealdir
- Düşük maliyetli
- MEMS kapasitif sensörler statik basınç ölçümleri için iyidir
- MEMS piezorezistif sensörler dinamik basınç ölçümleri için uygundur
MEMS Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Düşük basınç aralıkları ile sınırlıdır
- Sıcaklık değişimlerine karşı hassas
Rezonans Telli Basınç Sensörleri
Rezonans telli basınç sensörünün şeması.
Bu sensörler bir telin (veya diyaframın) rezonans frekansındaki basınç kaynaklı değişiklikleri ölçer. Basınç teldeki gerilimi değiştirir, bu da rezonans frekansını değiştirir. Bir rezonans teli veya diyafram ile bir elektromanyetik sürücü ve sensörden oluşan rezonans teli sensörleri, yüksek hassasiyet ve kararlılıklarıyla bilinir ve bu da onları altimetri ve meteoroloji gibi uygulamalar için ideal hale getirir.
Rezonans Tel Basınç Sensörü Uygulamaları:
Altimetri ve meteoroloji gibi yüksek hassasiyet ve kararlılık gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Rezonans Tel Basınç Sensörü Avantajları:
- Yüksek doğruluk ve kararlılık
- Düşük histerezis
Rezonans Tel Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Karmaşık ve pahalı
- Sıcaklık değişimlerine karşı hassas
Optik Basınç Sensörleri
Optik basınç sensörü.
Optik basınç sensörleri, optik fiberler ve interferometri kullanarak bir malzemenin optik özelliklerindeki basınca bağlı değişiklikleri veya bir diyaframın sapmasını ölçer. Optik fiber ışığı iletir ve bir interferometre veya fotodetektör ışık özelliklerindeki değişiklikleri algılar. Bu sensörler petrol ve gaz arama ve biyomedikal uygulamalar gibi zorlu ortamlarda çalışır. Elektromanyetik parazitlere karşı bağışıklıkları vardır ve patlayıcı ortamlarda çalışabilirler, ancak yüksek maliyetleri ve sinyal işleme için özel ekipmana ihtiyaç duymaları önemli dezavantajlarıdır.
Optik Basınç Sensörü Uygulamaları:
Petrol ve gaz arama ve biyomedikal uygulamalar gibi zorlu ortamlar için uygundur.
Optik Basınç Sensörü Avantajları:
- Elektromanyetik parazitlere karşı bağışıklık
- Zorlu ve patlayıcı ortamlar için uygundur
Optik Basınç Sensörü Dezavantajları:
- Nispeten yüksek maliyet
- Sinyal işleme için özel ekipman gerektirir
Termal İletkenlik Basınç Sensörleri
Pirani gösterge kesiti.
Pirani göstergeleri olarak da bilinen termal iletkenlik basınç sensörleri, bir gazın termal iletkenliğinin basıncıyla değiştiği prensibine göre çalışır. Dirençli bir ısıtma elemanı (genellikle bir filaman) sensör içindeki gazı ısıtır ve sıcaklık sensörleri gazın sıcaklığını ölçmek için ısıtma elemanının yakınına yerleştirilir. Düşük basınçlarda, gaz molekülleri daha azdır, bu nedenle daha az ısı yayarlar, bu da ısıtma elemanının yakınında daha yüksek sıcaklıklara neden olur. Daha yüksek basınçlarda, ısıyı uzaklaştırmak için daha fazla gaz molekülü bulunur ve bu da ısıtma elemanının yakınında daha düşük sıcaklıklara yol açar. Sensörler tarafından ölçülen sıcaklık farkı, gazın termal iletkenliğini hesaplamak için kullanılır. Termal iletkenlik belirli bir gaz için basıncın bilinen bir fonksiyonu olduğundan, sensör daha sonra bu ilişkiden basıncı belirleyebilir.
Termal Iletkenlik Sensörü Uygulamaları: Vakum sistemlerinde ve yarı iletken üretimi gibi düşük basınçlı ortamlarda kullanılır.
Termal Iletkenlik Sensörü Avantajları:
- Basit ve sağlam
- Düşük basınçlı ölçümler için uygundur
Termal Iletkenlik Sensörü Dezavantajları:
- Belirli basınç aralıkları ile sınırlıdır
- Ölçülen gaz türünden etkilenir
Tipik Bourdon Tüpü basınç göstergesi.
Bourdon Tüpü Basınç Göstergesi
Bourdon Tüpü basınç göstergesi, basıncı ölçmek için kullanılan en eski ve en yaygın yöntemlerden biridir. Deformasyon prensibine göre çalışan mekanik bir sensördür. Kavisli bir tüp basınç uygulandığında düzleşme eğilimi gösterir ve bu deformasyon uygulanan basınçla orantılıdır. Birincil algılama elemanı, tüpün deformasyonunu okunabilir bir kadran hareketine çeviren bir bağlantı mekanizmasına bağlı olan, genellikle metalden yapılmış C şeklinde bir tüptür.
Bourdon Tüpü Uygulamaları:
Bourdon Tüpleri, hidrolik ve pnömatik sistemlerde orta ila yüksek basınçları ölçmek için endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bourdon Tüpü Avantajları:
- Basit ve sağlam tasarım
- Tamamen mekanik – güç kaynağı gerekmez
- Uygun maliyetli
Bourdon Tüpü Dezavantajları:
- Elektronik sensörlere kıyasla sınırlı doğruluk
- Zaman içinde mekanik aşınmaya duyarlı
Tipik manometre basınç göstergesi.
Manometre Basınç Göstergeleri
Bourdon göstergeleri mekanik deformasyon kullanarak basıncı ölçerken, manometreler sıvı yer değiştirmesini kullanır. Bir sıvı sütununu ölçülecek basınca karşı dengelerler, burada sıvı sütununun yüksekliği basınçla orantılıdır. U-tüp manometreler, eğimli manometreler ve dijital manometreler dahil olmak üzere çeşitli mekanik konfigürasyonlarda mevcutturlar.
Manometre Uygulamaları:
Manometreler, laboratuvar deneyleri veya düşük basınç ölçümleri gibi özel uygulamalarda bulunur.
Manometre Avantajları:
- Çok düşük basınçları yüksek doğrulukla ölçebilir
- Basit yapıdadır ve fark basınç ölçümleri için kullanılabilir.
- Güç kaynağına gerek yoktur
- Nispeten düşük maliyet
Manometre Dezavantajları:
- Bourdon tüpleri kadar yüksek basınç ölçemez
- Zaman içinde mekanik aşınmaya duyarlı
Diyaframlı Basınç Göstergeleri
Diyaframlı Basınç Göstergesi. Diyaframlı basınç göstergesinin çalışma prensibi: ibre (A), üst ve alt gövde (B), basınç girişi (C), basınç elemanı (D) ve diyafram (E)
Diyaframlı basınç sensörleri, özellikle aşındırıcı sıvılar, gazlar veya yüksek viskoziteli sıvılar mevcut olduğunda, düşük ila orta basınç ölçümleri için iyi bir çözümdür. Portları mekanik olarak birbirinden izole edilmiştir, bu nedenle hem gazlar hem de sıvılar için kullanılabilirler. Basınç değişikliklerine yanıt olarak deforme olan esnek bir diyafram kullanırlar. Deformasyon, mekanik bir bağlantı aracılığıyla bir kadran okumasına, bir dönüştürücü aracılığıyla bir elektrik çıkışına veya bazen her ikisine birden çevrilir. Daha yüksek bant genişliği uygulamaları için, bazı diyafram basınç sensörleri ölçüm yapmak için piezoelektrik sensör kullanır.
Diyaframlı Basınç Ölçer Uygulamaları:
Diyaframlı basınç göstergeleri, özellikle viskoz sıvıların veya aşındırıcı gaz veya sıvının bulunduğu, Bourdon tüplerini ve diğer basınç sensörlerini kullanışsız hale getiren ortamlarda düşük ila orta basınç ölçümleri için uygundur.
Diyaframlı Basınç Göstergesinin Avantajları:
- Yüksek hassasiyet ve doğruluk
- Düşük basınçları ölçebilir
Diyaframlı Basınç Göstergesinin Dezavantajları:
- Belirli basınç aralıkları ile sınırlıdır
- Zaman içinde malzeme yorgunluğu potansiyeli
İyonizasyon Basınç Göstergeleri
Ultra yüksek vakum uygulamalarında kullanılan iyonizasyon basınç sensörleri, gaz moleküllerini iyonize ederek ve iyon akımını bir basınç okumasına dönüştürerek basıncı ölçer.
Bu sensörler, gaz moleküllerinin iyonlaşmasına dayalı olarak basıncı ölçer. Bir elektrik alanı gazı iyonize eder ve ortaya çıkan iyonlar basınçla orantılı bir akım oluşturmak için elektrotlar aracılığıyla toplanır. İyon akımı daha sonra bir basınç okumasına dönüştürülür. Aşırı hassasiyetleri nedeniyle, bu göstergeler öncelikle bilimsel araştırma ve uzay simülasyon odaları gibi ultra yüksek vakum uygulamalarında kullanılır.
İyonizasyon ölçer uygulamaları:
Bu sensörler öncelikle bilimsel araştırma ve uzay simülasyon odalarındaki ultra yüksek vakum uygulamalarında kullanılır.
İyonizasyon ölçer avantajları:
- Son derece hassas
- Ultra yüksek vakum ölçümleri için uygundur
İyonizasyon ölçer dezavantajları:
- Karmaşık ve pahalı
- Doğru çalışması için yüksek vakum gerektirir
Temel Basınç Sensörü Uygulamaları
Basınç transdüserleri ve sensörleri, basıncı doğru bir şekilde ölçme ve izleme yetenekleri nedeniyle birçok endüstride ve uygulamada hayati öneme sahiptir. İşte bazı önemli basınç sensörü uygulamaları:
Otomotiv Endüstrisi
Otomotiv basınç sensörleri, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır:
- Emme manifoldu basıncı, yakıt basıncı, yağ basıncı
- Lastik Basıncı İzleme Sistemleri (TPMS)
- Fren Sistemleri, hidrolik basınç seviyeleri
- Şanzıman ve dişli sistemleri, hidrolik basınç
Sağlık Hizmetleri Ve Tıbbi Cihazlar
Tıbbi basınç sensörleri, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılır:
- Kan Basıncı İzleme
- Ventilatör ve CPAP hava basıncı
- İnfüzyon pompası basıncı
Endüstriyel Otomasyon
Endüstriyel basınç ölçümü bu ve diğer uygulamalarda yaygın olarak gerçekleştirilir:
- Hidrolik ve pnömatik sistemler
- Boru hatlarında, reaktörlerde ve depolama tanklarında gaz ve sıvı basıncı
- Boru hattı sızıntı tespiti
Havacılık Ve Savunma
- Yükseklik, barometrik basınç, atmosferik basınç
- Kabin basıncı
- Yakıt basıncı izleme
Tüketici elektroniği
- Akıllı telefonlar ve giyilebilir yükseklik ve barometrik basınç, fitness ve konum hizmetleri
- Çamaşır ve bulaşık makinesi gibi ev aletlerinde su basıncı ölçümü
Çevresel İzleme
- Hava İstasyonları: Barometrik basınç sensörleri hava istasyonlarında atmosfer basıncını ölçerek hava tahmini ve iklim çalışmalarına yardımcı olur.
- Su Kalitesi İzleme: Basınç sensörleri, temiz ve güvenli bir su kaynağı sağlamak için su sistemlerindeki basıncı izler.
Petrol Ve Gaz Endüstrisi
- Sondaj sistemi güvenlik tabanlı basınç ölçümleri
- Sızıntıları ve tıkanıklıkları tespit etmek için boru hattı basınç ölçümleri
Yiyecek Ve Içecek Endüstrisi
- Uygun sızdırmazlık sağlamak ve gıda kontaminasyonunu önlemek için ambalaj basıncı ölçümleri
- Çeşitli gıda işleme ekipmanlarında basınç geri besleme kontrolü
Denizcilik Endüstrisi
- Optimum gemi kaldırma kuvveti için balast tankı basıncı izleme
- Yanmalı motor yağı ve yakıt basıncı izleme
HVAC Sistemleri
- Soğutucu akışkan basıncı izleme
- Hava kalitesi ve konforu için hava basıncı izleme ve kontrolü
Sonuç
Basınç ölçümü, çeşitli endüstriyel ve bilimsel uygulamalar için kritik öneme sahiptir ve farklı gereksinimleri karşılamak için bir dizi sensör ve teknoloji gerektirir. Havacılık, otomotiv, sağlık, çevresel izleme ve üretim gibi alanlarda süreçlerin izlenmesi ve kontrolünde çok önemli bir rol oynar.
Sağlam Bourdon tüpünden son derece hassas MEMS dijital basınç sensörlerine kadar her yöntem benzersiz avantajlar ve sınırlamalar sunar. Uygun basınç ölçüm yönteminin seçilmesi basınç aralığı, ortam, doğruluk gereksinimleri ve uygulamaya özgü kısıtlamalar gibi faktörlere bağlıdır. Sensör teknolojisindeki gelişmeler, basınç ölçümünün yeteneklerini ve uygulamalarını geliştirmeye devam ederek gelecekte daha hassas, güvenilir ve çok yönlü çözümlerin önünü açmaktadır.