راز کالیبراسیون سنسورهای فشار: تضمین دقت در قلب صنعت

​سنسورهای فشار، نقش قابل توجهی در کنترل فرآیند  دارند. همچنین در طیف گسترده‌ای از صنایع، از جمله نفت و گاز و پتروشیمی تا داروسازی و صنایع غذایی، دارای کاربرد گسترده ای هستند. این دستگاه‌ها، نیروی وارده بر واحد سطح را به یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌ گیری تبدیل می‌کنند. صحت عملکرد کل سیستم به دقت اندازه ‌گیری آن‌ها بستگی دارد. با این وجود، به مرور زمان و تحت تأثیر عواملی مانند فرسودگی، نوسانات محیطی، لرزش یا ضربه‌های فیزیکی، عملکرد این سنسورها با اختلال مواجه می شود. در این مطلب، کالیبراسیون سنسور فشار به عنوان یک عملیات ضروری و کلیدی برای حفظ دقت و قابلیت اطمینان سیستم مورد بررسی قرار می گیرد.

​تعریف و اهمیت کالیبراسیون فشار

​کالیبراسیون (Calibration) فرآیندی است که طی آن، صحت عملکرد یک دستگاه اندازه‌ گیری (در اینجا سنسور فشار یا ترانسمیتر فشار) سنجیده می شود. عملکرد کالیبراسیون به این صورت است که با مقایسه مقادیر خروجی آن با یک استاندارد مرجع شناخته ‌شده و دقیق، تأیید و در صورت لزوم تنظیم می‌شود. این فرآیند صرفاً یک آزمون نیست، بلکه نوعی ارزیابی و تنظیم است تا از عملکرد صحیح سنسور در محدوده تلرانس مشخص شده توسط سازنده یا الزامات فرآیند، اطمینان حاصل شود.

​دلیل حیاتی بودن کالیبراسیون

​ اصلی‌ترین دلیل حیاتی بودن کالیبراسیون، این است که مقادیر فشار اندازه‌گیری شده، دقیق و قابل اعتماد هستند. حتی کوچک ترین خطا در اندازه‌ گیری فشار ممکن است منجر به مشکلات بزرگ در فرآیند شود. (مانند کاهش کیفیت محصول، ناکارآمدی عملیاتی، یا آسیب به تجهیزات). در ادامه به سایر ویژگی های کالیبراسیون اشاره می کنیم.

• ​ایمنی فرآیند: در بسیاری از سیستم‌ها، اندازه ‌گیری فشار، به طور مستقیم با ایمنی در ارتباط است (مثلاً در مخازن تحت فشار یا خطوط لوله). کالیبراسیون منظم مانع از بروز شرایط خطرناک ناشی از اندازه‌ گیری‌ های نا درست می شود.
• ​انطباق با استانداردها: در صنایع تنظیم‌شده (مانند داروسازی یا انرژی)، کالیبراسیون یک الزام قانونی و استاندارد برای انطباق با مقررات ملی و بین‌المللی کیفیت (مانند ISO 9001) ) محسوب می شود.
• ​بهینه‌سازی عملیاتی: داده‌های دقیق فشار برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و مواد اولیه ضروری هستند. این موضوع به طور مستقیم در کاهش هزینه‌های عملیاتی موثر است.

آشنایی با انواع ابزار اندازه‌ گیری فشار و تاثیر بر کالیبراسیون

​شناخت انواع  ابزار فشار برای کالیبراسیون صحیح ضروری است، زیرا نقطه مرجع برای هر نوع متفاوت است. در ادامه به معرفی این ابزارها می پردازیم.

• ​گیج فشار (Gauge Pressure): گیج فشار رایج ترین ابزار اندازه ‌گیری بوده و اختلاف فشار در مقایسه با فشار اتمسفر (فشار محیط) را نشان می‌دهد. نقطه صفر آن فشار اتمسفر است.
• ​فشار مطلق (Absolute Pressure): این فشار نسبت به خلاء کامل (صفر مطلق) اندازه‌گیری می‌شود. سنسورهای مطلق در بیشتر مواقع در کاربردهای خلاء یا جایی که نوسانات فشار اتمسفر اهمیت بالایی دارد، مورد استفاده قرار می گیرند.
• ​فشار تفاضلی (Differential Pressure – DP): اختلاف فشار بین دو نقطه را اندازه‌ گیری می‌کند. این نوع سنسور در اندازه‌ گیری دبی (جریان سیال)، سطح مایعات و کنترل فیلترها کاربرد گسترده ای دارد.

​نکته: کالیبراسیون هر کدام از سنسورها باید با توجه به نوع اندازه ‌گیری که برای آن طراحی شده، انجام شود. به عنوان مثال، در کالیبراسیون فشار گیج، فشار اتمسفر محیط در نظر گرفته می شود.

​ابزارها و مراحل کالیبراسیون سنسور فشار

​فرایند کالیبراسیون فشار، روشی استاندارد است و شامل استفاده از تجهیزات دقیق و پیروی از مراحل مشخص می شود. در ادامه به بررسی این موارد می پردازیم:

• استاندارد مرجع: یک دستگاه اندازه‌گیری فشار است که دقت بسیار بیشتری از سنسور تحت آزمایش دارد. (DUT Device Under Test) متداول‌ ترین مرجع اولیه تستر وزن مرده (Deadweight Tester )است که فشار را با استفاده از وزنه‌ های دقیق و یک پیستون با سطح مقطع مشخص  به وجود می آورد.
• ​منبع تولید فشار: پمپ‌های هیدرولیک یا پنوماتیک دستی، یا کنترل‌کننده‌های فشار خودکار برای اعمال فشارهای کنترل شده به سنسور.
• ​منبع تغذیه: برای تغذیه ترانسمیتر فشار (اغلب 24 ولت DC).
• ​مولتی‌متر/کالیبراتور فرآیند: برای اندازه‌گیری دقیق خروجی الکتریکی سنسور (معمولاً 4 تا 20 میلی‌آمپر یا 0 تا 10 ولت).
• ​هارت کامیونیکیتور (HART Communicator): برای سنسورهای هوشمند (Smart Transmitters) جهت تنظیم پارامترهای الکترونیکی مانند “Zero” و “Span”.

مطالعه و آماده سازی است

• ​بررسی کردن مشخصات سنسور (Datasheet) برای تعیین محدوده اندازه‌گیری (Lower Range Value – LRV و Upper Range Value – URV) و نوع سیگنال خروجی (مثلاً 4-20mA برای 0-300 PSIG).
• ​تمیزکاری و بازرسی چشمی سنسور برای اطمینان از عدم وجود آسیب فیزیکی.
• ​برقرار کردن اتصالات الکتریکی و پنوماتیک/هیدرولیک (وصل کردن پمپ، استاندارد مرجع و کالیبراتور فرآیند به سنسور.

​ آزمایش “وضعیت اولیه” (As Found)

مرحله بعدی آزمایش وضعیا اولیه بوده و باید به این ترتیب انجام شود:

پیش از هرگونه تنظیم، فشارهای مرجع را به سنسور اعمال کرده (معمولاً 5 تا 11 نقطه در فواصل مساوی: 0٪، 25٪، 50٪، 75٪ و 100٪ از محدوده) و مقادیر خروجی سنسور و استاندارد مرجع را ثبت کنید.

​این تست نشان می‌دهد که سنسور در حال حاضر تا چه اندازه دقیق است و آیا نیاز به تنظیم دارد یا خیر. ثبت این داده‌ها برای مستند سازی سوابق کالیبراسیون  امری ضروری محسوب می شود .

​تنظیم ( ADJUSTMENT)

​مرحله بعدی تنظیم است و در صورتی که خطای اندازه ‌گیری بیش از مقدار تلرانس مجاز باشد، تنظیمات لازم انجام می‌شود.

• ​تنظیم صفر (Zero Adjustment): فشار صفر (LRV) را اعمال می کند و باید خروجی سنسور را به طور دقیق روی مقدار صفر (مثلاً 4 میلی‌آمپر) تنظیم کنید.
• ​تنظیم بازه (Span/Range Adjustment): فشار حداکثر (URV) را اعمال می کند و باید خروجی سنسور را دقیقاً روی بیشترین مقدار (مثلاً 20 میلی‌آمپر) تنظیم کنید.

​نکته قابل توجه این است که تنظیم صفر معمولاً بر کل منحنی تأثیر می‌گذارد (جابجایی موازی). این  در حالی است که تاثیر تنظیم بازه بر شیب منحنی است. (چرخش حول نقطه صفر).

​آزمایش “وضعیت نهایی” (As Left)

​پس از بررسی تنظیمات، تست در نقاط مختلف (همانند مرحله ۲) تکرار می‌شود. هدف از این کار اطمینان از این است که که سنسور در سراسر محدوده اندازه‌گیری، در محدوده تلرانس مجاز عمل می‌کند. کلیه داده‌های “وضعیت اولیه” و “وضعیت نهایی” همراه با اطلاعات مرجع استفاده شده، نام تکنسین، تاریخ و … در یک گواهینامه کالیبراسیون ثبت می‌شوند.

​فواصل کالیبراسیون به چه صورت است؟

​یکی از سوالات مهم و پرتکرار این است که سنسور فشار چند وقت یک بار باید کالیبره شود؟ در حقیقت زمانی قطعی برای همه شرایط وجود ندارد و زمان‌بندی کالیبراسیون با توجه به یک سیستم مدیریت کیفیت و عوامل متعدد مشخص می شود. ولی به طور کلی بهتر است به این ترتیب عمل کرده و شرایط را در نظر داشته باشید.

• ​توصیه‌های سازنده: نقطه شروع، معمولاً کالیبراسیون سالانه است.
• ​الزامات قانونی و ایمنی: اگر فرآیند به دلیل ایمنی یا مقررات محیطی حیاتی باشد، فواصل کالیبراسیون کم تر می‌شوند.
• ​شرایط محیطی: سنسورهایی که در معرض لرزش سنگین، دمای بالا، رطوبت زیاد یا آلاینده‌ ها قرار دارند، خیلی زودتر از کالیبراسیون خارج می‌ شوند. به این ترتیب به بازه‌های کوتاه ‌تری برای کالیبراسیون (مثلاً ۶ ماهه) نیاز دارند.
• ​سوابق تاریخی: در صورتی که یک سنسور در سوابق “وضعیت اولیه” خود همواره دقیق بوده، می‌توان به تدریج فواصل کالیبراسیون آن را طولانی ‌تر کرد.
• ​نوع سنسور: سنسورهای نسل جدید با توجه به داشتن پایداری بالاتر، در مقایسه با مدل‌های قدیمی ‌تر می توانند فواصل طولانی ‌تری را تحمل کنند.
• ​پس از تعمیر یا سرویس: در صورتی که سنسور ضربه فیزیکی ببیند یا به طور اساسی تعمیر شده باشد، نیاز به کالیبره مجدد دارد.

​چالش‌های پیش روی کالیبراسیون

​کالیبراسیون فشار، به ویژه در سنسورهای خاص، با چالش‌هایی روبرو است که در ادامه به  آنها اشاره می کنیم.

​تولید فشار پایدار

برای سنسورهای با حساسیت بسیار بالا (مانند سنسورهای فشار تفاضلی با دامنه کم) یا سنسورهایی که محدوده فشار بسیار بالایی دارند، تولید و حفظ یک فشار مرجع دقیق و پایدار برای مقایسه، امری دشوار است.

​هیسترزیس و غیرخطی بودن

​هیسترزیس (Hysteresis): خطایی است که در آن خروجی سنسور در یک نقطه فشار خاص، با توجه به اینکه فشار به صورت افزایشی (Up-Scale) یا کاهشی (Down-Scale) ایجاد شده باشد، تفاوت دارد. به طور کلی اندازه‌ گیری باید در هر دو جهت انجام شود.

​غیرخطی بودن (Nonlinearity)

انحراف خروجی سنسور از یک خط مستقیم ایده‌آل (معادله خطی \text{y} = \text{mx} + \text{b}). این خطا را می‌توان از طریق الگوریتم‌های کالیبراسیون پیشرفته مثل “بهترین خط مستقیم برازش” (BFSL) جبران کرد.

تاثیرات محیطی

تغییرات دما در حین کالیبراسیون ممکن است بر سیگنال خروجی تأثیر بگذارد. به این ترتیب کالیبراسیون باید در محیطی با دمای کنترل شده انجام شود.

​کالیبراسیون دینامیک

در کاربردهایی که تغییرات فشار بسیار سریع است (مانند فرآیندهای انفجاری یا موتورها)، کالیبراسیون استاتیک به تنهایی کافی نیست. در این زمان علاوه بر کالیبراسیون استاتیک، به کالیبراسیون دینامیک با استفاده از فرکانس‌های سیگنال شناخته شده نیاز است.

​آینده کالیبراسیون: سنسورهای هوشمند و کالیبراسیون درجا

​با ظهور ترانسمیترهای هوشمند و پروتکل‌های ارتباطی مانند HART و Fieldbus، فرآیند کالیبراسیون آسان‌ تر و بهتر شده است:

• ​کالیبراسیون از راه دور (Remote Calibration): با استفاده از HART Communicator یا نرم‌ افزارهای مدیریت دارایی (Asset Management Software)، تنظیمات صفر و بازه و بررسی وضعیت سنسور می‌تواند بدون نیاز به حضور فیزیکی در محل سنسور انجام شود.
• ​سنسورهای خود-تشخیص دهنده (Self-Diagnostic Sensors): سنسورهای جدید این امکان را فراهم می کنند که به صورت داخلی، بر پایداری خود نظارت داشته باشند. همچنین می توانند هشدار دهند که زمان انجام کالیبراسیون رسیده است.
• ​کالیبراسیون درجا (In-Situ Calibration): در برخی موارد، ممکن است سنسور به دلیل سختی فرآیند جداسازی، در محل نصب خود کالیبره می‌شود. اگرچه این روش دقت کمتری دارد، اما زمان توقف، فرآیند را به حداقل می‌رساند.

​جمع بندی

در نهایت باید گفت، کالیبراسیون سنسورهای فشار نه یک وظیفه جانبی، بلکه یک سرمایه‌گذاری حیاتی در کیفیت، ایمنی و کارایی هر گونه عملیات صنعتی محسوب می شود. راز موفقیت در کالیبراسیون، تنها بر داشتن تجهیزات مرجع دقیق خلاصه نمی شود. بلکه در پیروی مجدانه از یک پروتکل مستند شده، اطلاعات کامل از علم اندازه‌گیری فشار، و تحلیل مداوم نتایج کالیبراسیون‌های قبلی برای تعیین فواصل بهینه نیز نهفته است.