كيفية تضخيم الناتج من مقياس الضغط؟

تعتبر أجهزة قياس الضغط أجهزة استشعار أساسية تستخدم في مجموعة واسعة من الصناعات، بدءًا من الطيران والسيارات وحتى الهندسة المدنية واختبار المواد. تقيس هذه الأجهزة الإجهاد الميكانيكي من خلال الكشف عن التغيرات في المقاومة الكهربائية، مما يوفر بيانات قيمة لأنظمة المراقبة والتحكم. ومع ذلك، فإن إشارة الخرج لمقياس الضغط غالبًا ما تكون صغيرة جدًا وتتطلب تضخيمًا لتكون مفيدة في التطبيقات العملية. في منشور المدونة هذا، سأشارك بعض الطرق الفعالة لتضخيم ناتج مقياس الضغط، بالاعتماد على تجربتي كمورد لقياس الضغط.

فهم أساسيات إخراج مقياس الضغط

قبل الخوض في تقنيات التضخيم، من المهم أن نفهم طبيعة إخراج مقياس الضغط. عادةً ما يكون لمقياس الانفعال مقاومة تتغير بما يتناسب مع الانفعال المطبق. عادة ما يكون التغير في المقاومة صغيرًا جدًا، وغالبًا ما يكون في حدود بضعة أوم أو أقل. يؤدي هذا التغيير الطفيف في المقاومة إلى تغير طفيف مماثل في الجهد عبر مقياس الضغط عندما يكون جزءًا من الدائرة.

يمكن حساب جهد الخرج لمقياس الضغط باستخدام الصيغة التالية:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
أين:

• (\Delta V) هو التغير في جهد الخرج
• (V_{exc}) هو جهد الإثارة المطبق على جسر قياس الضغط
• (G) هو عامل قياس مقياس الضغط
• (\epsilon) هي السلالة المطبقة

كما ترون من الصيغة، فإن جهد الخرج يتناسب طرديا مع جهد الإثارة، وعامل القياس، والإجهاد المطبق. ومع ذلك، حتى مع وجود جهد إثارة مرتفع نسبيًا وعامل قياس كبير، يمكن أن يظل جهد الخرج صغيرًا جدًا، خاصة بالنسبة للسلالات الصغيرة.

تكوينات الجسر للتضخيم

إحدى الطرق الأكثر شيوعًا لزيادة خرج مقياس الضغط هي استخدام تكوين الجسر. يعد جسر ويتستون هو دائرة الجسر الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لتطبيقات قياس الضغط. ويتكون من أربعة عناصر مقاومة، مع كون مقياس الانفعال واحدًا أو أكثر من هذه العناصر.

تكوين جسر الربع

في تكوين ربع الجسر، تكون واحدة فقط من المقاومات الأربعة في جسر ويتستون هي مقياس الضغط. المقاومات الثلاثة الأخرى هي مقاومات ثابتة. هذا التكوين بسيط وفعال من حيث التكلفة ولكنه يوفر أقل مخرجات مقارنة بتكوينات الجسر الأخرى.

تكوين نصف الجسر

يستخدم تكوين نصف الجسر مقياسين للضغط. ويمكن ترتيب ذلك بطرق مختلفة، اعتمادًا على التطبيق. على سبيل المثال، يمكن استخدام أحد أجهزة قياس الانفعال لقياس الانفعال، بينما يمكن استخدام الآخر كمقياس لتعويض درجة الحرارة. يوفر تكوين نصف الجسر مخرجات أعلى من تكوين الجسر الربعي.

مقياس سلالة الجسر الكامل

يستخدم تكوين الجسر الكامل أربعة مقاييس ضغط. يوفر هذا التكوين أعلى إخراج وهو الأكثر حساسية للإجهاد. كما أنه يوفر أفضل تعويض لدرجة الحرارة. في تكوين الجسر الكامل، تكون جميع المقاومات الأربعة في جسر ويتستون عبارة عن مقاييس ضغط. يسمح هذا بأقصى استفادة من تغييرات المقاومة الناتجة عن الإجهاد وينتج عنه جهد خرج أكبر بكثير مقارنة بتكوينات الربع ونصف الجسر.

مكبرات تكييف الإشارة

بمجرد تكوين مقياس الضغط في دائرة الجسر، فإن الخطوة التالية هي تضخيم إشارة الخرج. تم تصميم مضخمات تكييف الإشارة خصيصًا لتضخيم إشارات الخرج الصغيرة من أجهزة قياس الضغط وأجهزة الاستشعار الأخرى. تتمتع هذه المضخمات عادةً بمقاومة دخل عالية لتقليل تأثير التحميل على جسر قياس الضغط وضوضاء منخفضة لضمان تضخيم الإشارة بدقة.

مكبرات الصوت الأجهزة

تعد مضخمات الأجهزة خيارًا شائعًا لتضخيم إشارات قياس الضغط. وهي مصممة لتوفير مكاسب عالية، ونسبة رفض عالية للوضع المشترك (CMRR)، وجهد إزاحة منخفض. يعد ارتفاع CMRR مهمًا بشكل خاص في تطبيقات قياس الضغط لأنه يساعد على رفض أي ضوضاء في الوضع الشائع قد تكون موجودة في إشارة الإدخال.

مكبرات الصوت التشغيلية

يمكن أيضًا استخدام مكبرات الصوت التشغيلية (op-amps) لتضخيم إشارات قياس الضغط. على الرغم من أن المضخمات التشغيلية هي مضخمات للأغراض العامة، إلا أنه يمكن تهيئتها بطرق مختلفة لتحقيق التضخيم المطلوب. ومع ذلك، بالمقارنة مع مضخمات الأجهزة، قد تحتوي المضخمات التشغيلية على CMRR أقل وجهد إزاحة أعلى، مما قد يؤثر على دقة الإشارة المضخمة.

تحسين الجهد الإثارة

يلعب جهد الإثارة المطبق على جسر قياس الضغط أيضًا دورًا حاسمًا في تحديد جهد الخرج. يمكن أن تؤدي زيادة جهد الإثارة إلى زيادة جهد الخرج لمقياس الضغط بشكل مباشر، وفقًا للصيغة المذكورة سابقًا. ومع ذلك، هناك بعض القيود على زيادة الجهد الإثارة.

تبديد الطاقة

أحد القيود الرئيسية هو تبديد الطاقة. مع زيادة جهد الإثارة، تزداد أيضًا الطاقة التي يتبددها مقياس الضغط. يمكن أن يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة مقياس الضغط، مما قد يؤثر على دقته وموثوقيته. لذلك، من المهم اختيار جهد الإثارة الذي يقع ضمن تصنيف الطاقة لمقياس الضغط.

الضوضاء والتدخل

وهناك اعتبار آخر هو الضوضاء والتداخل. يمكن أن يؤدي ارتفاع جهد الإثارة أيضًا إلى زيادة قابلية مقياس الضغط للضوضاء والتداخل الكهربائي. يمكن أن يؤدي ذلك إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، مما قد يؤثر على دقة القياس. لذلك، من المهم الموازنة بين الحاجة إلى جهد إثارة عالي والحاجة إلى تقليل الضوضاء والتداخل.

تعويض درجة الحرارة

يمكن أن يكون للتغيرات في درجات الحرارة تأثير كبير على ناتج مقياس الضغط. مع تغير درجة الحرارة، يمكن أن تتغير مقاومة مقياس الانفعال، حتى في حالة عدم وجود أي انفعال مطبق. هذا يمكن أن يؤدي إلى أخطاء في القياس. لذلك، يعد تعويض درجة الحرارة جانبًا مهمًا لتضخيم مقياس الضغط.

تعويض درجة الحرارة النشطة

يتضمن تعويض درجة الحرارة النشط استخدام أجهزة استشعار أو دوائر إضافية لقياس درجة الحرارة وضبط خرج مقياس الضغط وفقًا لذلك. على سبيل المثال، يمكن استخدام الثرمستور لقياس درجة الحرارة، ويمكن تعديل خرج مقياس الضغط بناءً على قراءة درجة الحرارة.

تعويض درجة الحرارة السلبية

يمكن تحقيق التعويض السلبي لدرجة الحرارة باستخدام تكوينات الجسر. على سبيل المثال، في تكوين نصف جسر أو جسر كامل، يمكن استخدام واحد أو أكثر من أجهزة قياس الضغط كمقاييس تعويض درجة الحرارة. يتم وضع هذه المقاييس بطريقة تجعلها تتأثر بنفس التغيرات في درجات الحرارة مثل مقياس ضغط القياس ولكن ليس بالإجهاد المطبق. وهذا يساعد على إلغاء تغيرات المقاومة الناجمة عن درجة الحرارة في مقياس ضغط القياس.

تصفية الإشارة

بالإضافة إلى التضخيم، تعد تصفية الإشارة مهمة أيضًا لتحسين جودة مخرجات مقياس الضغط. يمكن إدخال الضوضاء والتداخل في الإشارة من مصادر مختلفة، مثل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وضوضاء مصدر الطاقة، والاهتزازات الميكانيكية.

مرشحات تمرير منخفض

تُستخدم مرشحات الترددات المنخفضة بشكل شائع لإزالة الضوضاء عالية التردد من إشارة قياس الضغط. تسمح هذه المرشحات بمرور الإشارات ذات التردد المنخفض (بما في ذلك الإشارة الناتجة عن الإجهاد) مع تخفيف الضوضاء عالية التردد.

مرشحات تمرير عالية

يمكن استخدام مرشحات التمرير العالي لإزالة الضوضاء ذات التردد المنخفض، مثل إزاحة التيار المستمر والانجراف البطيء. تسمح هذه المرشحات بمرور الإشارات عالية التردد مع تخفيف الإشارات منخفضة التردد.

خاتمة

يعد تضخيم ناتج مقياس الضغط خطوة حاسمة في العديد من التطبيقات. باستخدام تكوينات الجسر المناسبة، ومضخمات تكييف الإشارة، وتحسين جهد الإثارة، وتنفيذ تعويض درجة الحرارة، وتطبيق تصفية الإشارة، من الممكن زيادة إخراج مقياس الضغط بشكل كبير وتحسين دقة القياس.

باعتباري موردًا لأجهزة قياس الضغط، فإنني أدرك أهمية توفير أجهزة قياس الضغط عالية الجودة والدعم اللازم للتضخيم وتكييف الإشارة. إذا كنت تبحث عن أجهزة قياس الضغط أو تحتاج إلى نصيحة حول كيفية تضخيم مخرجاتها، فأنا أشجعك على الاتصال بي لإجراء مناقشة تفصيلية. يمكننا العمل معًا لإيجاد أفضل حل لتطبيقك المحدد.

مراجع

• دوبيلين، إي أو (2003). أنظمة القياس: التطبيق والتصميم. ماكجرو هيل.
• مجموعة كيستلر. (2021). تكنولوجيا قياس الضغط. تم الاسترجاع من [عنوان URL لموقع الويب]
• هندسة أوميغا. (2021). دليل قياس السلالة. تم الاسترجاع من [عنوان URL لموقع الويب]