پروژه بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی
- كرنش مكانيكي
عبارتهاي تنش و كرنش غالباً در موقع استفاده با يكديگر اشتباه مي شوند و بنابراين لازم است در اينجا تعريف روشني از اين در كلمه بيان شود.
كرنش نتيجه تنش است و به صورت تغيير نسبي ابعاد يك شي بيان مي شود، بدين معني كه تغير بعد تقسيم بر بعد اصلي مي شود، به گونه اي كه به عنوان مثال، از نظر طولي كرنش تغييرات طول تقسيم بر طول اصلي است. اين كميتي است كه يك عدد خالص بوده و حاصل تقسيم يك طول بر طول ديگر است و بنابراين ديمانسيون فيزيكي ندارد.
كرنش به روشي مشابه تغيير كميت تقسيم بر كميت اصلي را مي توان براي اندازه گيري هاي سطح و يا حجم تعريف كرد به عنوان مثال، كرنش سطح، عبارتست از تغيير سطح تقسيم بر سطح اصلي و كرنش حجم، تغييرات حجم تقسيم بر حجم اصلي است.
در مقابل، تنش، عبارتست از تقسيم مقدار نيرو بر مقدار سطح. همانگونه كه درمورد يك سيم و يك ميله در تنش كششس و يا فشاي ، بهعنوان مثال، تنش كششي عبارت از نيروي وارده تقسيم بر سطحي كه نيرو به آن وارد مي شود كه آن سطح،سطح مقطع سيم و يا ميله است. درمورد موادي مانند مايعات و يا گازها، كه مي توانند در تمام جهات به طور يكنواخت فشرده شوند، تنش كلي نيرو بر واحد سطح است كه همان فشار وارده است و كرنش تغيير حجم تقسيم بر حجم اصلي است. عمومي ترين ترانسديوسرهاي كرنش از نوع تنش مكانيكي كششي (Tensile mechanical stress) هستند. اندازه گيري كرنش، اجازه مي دهد كه مقدار تنش با دانستن مدول الاستيك (Elastic modulus) قابل محاسبه باشد. تعريف هر نوع از ضريب كشساني كرنش/ تنش است (كه داراي واحد تنش است،چون كرنش واحد فيزيكي ندارد) و كاربردي ترين مدول الاستيك ، مدول خطي يانگ ، مدول برشي (پيچش)و مدول بولك (فشار) است.
براي مقادير كوچك كرنش مقدار كرنش متناسب با تنش است و مدول الاستيك كميتي است كه نسبت كرنش/ تنش را در ناحيه الاستيك، بيان مي كند، (قسمتي از نمودار كرنش- تنش كه خطي است) به عنوان مثال مدول يانگ نسبت كرنش كششي/ تنش كششي، به طور نمونه براي هر ماده به شكل سيم اندازه گيري مي شود (شكل 1-1) روش اندازه گيري كلاسيك، هنوز هم در آزمايشگاه مدارس مورد استفاده قرار مي گيرد و درآن از يك زوج سيم بلند استفاده مي شود، كه يكي از آنها به بار وصل شده و به سيم ديگر يك ورنيه مدرج نصب مي شود.
آشكارسازي و تبديل تنش كششي در برگيرنده اندازه گيري تغييرات خصي كوچك طول يك نمونه است. اين به وسيله اثر تغييرات دما، كه ايجاد انبساط و يا انقباض مي‌كند كامل مي شود. براي تغييرات حدود صفر تا 90 درجه سانتيگراد كه دماي محيط اطراف ماست، انبساط و انقباض طول در همان حدود اندازه تغييراتي كه توسط مقادير زيادي فشار ايجاد مي شود خواهد بود. بنابراين هر سيستمي براي آشكار سازي و اندازه گيري كرنش بايستي به نحوي طراحي شود كه اثرات دما بتواند جبران سازي شود.
قوانيني كه براي آشكار سازي كرنش خطي و يا سطحي استفاده مي شود پيزورزيستيو و پيزو الكتريك ناميده مي شوند.
معمول ترين روش اندازه گيري كرنش با استفاده از استرين گيجهاي مقاومتي محقق مي شود. يكاستريم گيج مقاومتي شامل يك ماده هادي به شكل يك سيم و يا نوار نازك است كه به صورتي محكم به مادهاي كه كرنش آن بايستي آشكار شود متصل شده است. اين ماده ممكن است ديوار يك ساختمان، تيغه يك توربين، قسمتي از يك پل، هر چيزي باشد كه درآن تنش اضافي بتواند اغتشاش تهديد كننده اي آشكار كند. محكم كردن ماده مقاومتي معمولاً توسط رزينهاي اپوكسي (مانند آرالديت) انجام ميگيرد، چون اين مواد بسيار محكم هستند و عايقهاي الكتريكي نيز به شمار مي روند. سپس نوار استرين گيج به عنوان ييك از بازوهاي مدار پلي مقاومتي به مدار وصل مي شود (شكل 1-2) اين يك مثال در مورد قانون پيزورزيستيو است، چون براي آشكار سازي از تغيير مقاومتي كه به دليل تغيير شكل ساختمان كريستالي ماده حاصل شده است استفاده مي شود.
مي توان با استفاده از يك استرين گيچ در ثل مقاومتي به طوري كه تحت كرنش قرار نگرفته باشد به گونه اي مقايسه اي اثر تغييرات دما را به حداقل رسانيد. اين اقدام نه تنها به خاطر اينكه ابعاد ماده مورد بررسي در نتيجه تغييرات دما تغير خواهد كرد بلكه به اين دليل است كه خود مقاومت عنصر استرين گيچ نيز تغيير خواهد كرد. با استفاده از دو استرين گيچ يكسان، كه يكي از آنها تحت كرنش نباشد، در مدارپل، اين تغييرات در مقابل يكديگر مي توانند متعادل شوند و باعث شود تنها تغييرات مربوط به كرنش آشكار شوند. حساسيت اين نوع سنجه، كه غالباً سنجه پيزورزيستيو ناميده شده، تحت عنوان فاكتور گيج اندازه گيري مي شود. اين مفهوم به عنوان نسبت تغييرات مقاومت به تغييرات كرنش معرفي مي شود و به طور معمول براي سنجه از نوع سيم فلزي در حدود 2 و براي نوع نيمه هادي آن حدود 100 است.
شكل 1-2 استفاده از استرين گيج- (a) شكل فيزيكي يك استرين گيج (b) يك مدار پل اندازه گيري براي استفاده استرين گيج. با استفاده از يك سنجه فعال (تحت كرنش) و يك سنجه غير فعال (بدون قرار گرفتن تحت كرنش) در يك بازوي پل، چنانچه هر دو گيج به طور يكسان تحت تاثير دما قرار گيرند، اثرات دما جبران سازي مي شود. دو سنجه معمولاً به صورت پهلو به پهلو قرار مي گيرند اما تنها يك سنجه به طور محكم به سطح تحت كرنش وصل مي شود.
همان گونه كه اعداد فاكتور در بالا نشان مي دهند تغيير مقاومت يك گيج كه با استفاده از المنتهاي سيم مرسوم ساخته مي شوند (كه عمدتاً از جنس سين نيكرن نازك هستند) خيلي كوچك است.
به دليل اينكه مقاومت يك سيم متناسب به طول آن است، تغييرات نسبي مقاومت با تغييرات نسبي طول خواهد بود، بهطوري كه تغييرات كمتر از 1/0% قابل آشكارسازي است. چون مقاومت در مقايسه با مقاومت اتصالات در مدار خيلي كوچك باشد و اين امر در موقع اندازه گرفتن مقدار كرنشهاي كوچك، اندازه گيري را غير مطمئن سازد. استفاده از نوار نيمه هادي به جاي سيم فلزي اندازه گيري را بسيار آسانتر مي كند، چون مقاومت چنين نواري به مقدار قابل توجهي بزرگتر خواهد بود و به دنبال آن، تغييرات مقاومت نيز به ميزان قابل توجهي مي تواند بزرگتر باشد و باستثناي كاربردهايي كه درآنها دماي المنت بالا است (به عنوان مثال، تيغه هاي توربين گازي)، استرين گيج از نوع نيمه هادي ترجيح داده مي شود.بستن و ثابت كردن آن همانند نوع فلزي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي است و ماده نيمه هادي توسط يك لايه غير فعال محافظ از آلودگي فضاي اطراف به وسيله اكسيداسيون روي سطح محافظت مي شود اين نكته بسيا ربا اهميت است، چون اگر اتمسفر اطراف المنت گيج، لايه اكسيد را از بين ببرد. آنگاه قرائتهاي گيج تحت تاثير عوامل شيميايي قرار خواهند گرفت، درست همانگونه كه تحت تاثير كرنش قرار مي گيرند و در نتيجه اندازه گيريها قابل اعتماد نخواهند بود.
استرين گيجهاي پيزوالكتريك در مواردي كه اندازه گيري در مدت زمان كوتاه انجام مي شود و يا اينكه مقادير آنها سريعاً تغيير مي كنند مفيد هستند. يك ماده پيزوالكتريك، ماده اي است كه وقتي كريستال آن تحت كرنش قرار مي گيرد، يونهاي آن به صورت غير متقارن حركت مي كنند، به گونه اي كه بين دو صفحه
فهرستمطالب
عنوان صفحه
فصل 1: کرنش و فشار 1
- کرنش مکانیکی 2
- تداخل سنجی 9
- روشهای فیبر نوری 13
- گیجهای فشار 14
- فشار گازی کم 21
- گیجهای یونیزاسیون 23
- استفاده از ترانسدیوسر 26
فصل 2: موقعیت ، جهت ، فاصله و حرکت 28
- موقعیت 29
- جهت 30
- اندازه گیری فاصله – مقیاس وسیع 39
- فاصله پیموده شده 41
- سیستمهای شتاب سنج 50
- دوران 56
فصل 3: سنسورهای دما و ترانسدیوسرهای حرارتی 68
- گرما و دما- 69
فهرستمطالب
عنوان صفحه
- نوار بی متال 70
- انبساط مایع و گاز 74
- ترموکوپلها 76
- سنسورهای مقاومت فلزی 85
- ترمیستورها 92
- تشخیص انرژی گرمایی تابشی 99
- آشکارسازهای پایروالکتریک 100
- ترانسدیوسرهای حرارتی 103
- ترانسدیوسرهای حرارتی به الکتریکی 105
فصل 4: جامدات ، مایعات و گازها 108
- جرم و حجم 109
- سنسورهای الکترونیک 110
- آشکارسازهای مجاورتی 115
- سطح مایعات 130
- سنسورهای جریان مایع 133
- زمان سنجی 137
- گازها 141
فهرستمطالب
عنوان صفحه
- ویسکوزیته (گران روی) 145
فصل 5: فرآیندها 174
- فرآیندهای صنعتی 175
- بررسی رفتارهای کلی فرآیندهای صنعتی 194
- روشهای عملی تعیین تابع تبدیل فرآیندها 206
فصل 6: کنترل کننده ها 220
- کنترل کننده ها 221
- کنترل کننده ها از نظر انرژی محرکه 221
- کنترل کننده ها از نظر قانون کنترل 222
- اصل کلی ایجاد عملیات در کنترل کننده ها 236
- کنترل کننده های الکتریکی 237
- کنترل کننده های بادی 242
- کنترل کننده های هیدرولیکی 261
- انتخاب کنترل کننده ها 290
- تنظیم کنترل کننده ها 294
- جبرانسازی در سیستمهای کنترل صنعتی 307
فصل 7: عناصر نهایی و محرک ها 319
فهرستمطالب
عنوان صفحه
شیرها 321
- محرک ها 329
- تثبیت کننده شیر 343
- شیرهای مخصوص 348
- تقویت کننده ها 353
- مراجع 358
پروژه بررسی سنسورها و ترانسدیوسرها و کنترل صنعتی