ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเซ็นเซอร์วัดแรงดัน

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: Same Sky)

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: Same Sky)

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 Same Sky มีผลิตภัณฑ์เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเพียโซ ที่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้ โดยมีเซ็นเซอร์หลายประเภทแรงดันและช่วงการทำงาน ช่วยให้สามารถวัดค่าได้อย่างยืดหยุ่นและแม่นยำ