در این مقاله به تعریف فشار و واحد اندازه‌گیری آن پرداخته و در ادامه شما را با روش‌های اندازه‌گیری فشار آشنا می‌کنیم. اندازه‌گیری فشار، برای تمامی فرآیندهای صنعتی یک نیاز اساسی محسوب می‌شود. بدین دلیل، روش‌های گوناگونی برای سنجش فشار در نظر گرفته شده است که در این مقاله برخی از این روش‌ها را برای شما بیان می‌کنیم.
فشار چیست؟
فشار برابر است با نسبتِ نیروی عمودی وارد شده به سطح جسم بر مساحت سطح مورد نظر است. به بیانی ساده‌تر فشار، در اصل همان نیرویی در واحد سطح است که یک سیال به محیط اطراف خود وارد می‌کند. بنابر فرمول، فشار P، تابعی از نیرو F و منطقه A است (P = F / A).
لازم به ذکر است که هر چه مساحت سطحی که نیرو به آن وارد می‌شود کوچک‌تر و کمتر باشد، میزان فشار وارد بر سطح بیشتر است. واحد فشار در فیزیک، نیوتون بر مترمربع است. نام دیگر واحد فشار، پاسکال است که به افتخار فیزیکدان مشهور فرانسوی به نام او نامگذاری شده و آن را با علامت (Pa) نشان می‌دهند.
یک نیوتون بر سانتیمتر مربع برابر با ۱۰۰۰۰ پاسکال است. در ادامه نیز لازم به ذکر است که وسایل اندازه گیری فشار سیالات مدل‌های متنوعی دارند و هر یک دارای کاربرد بخصوصی هستند. اثر نیرو بر روی یک سطح، به نحوه‌ی اعمال شدن آن بر روی همان سطح بستگی دارد.
برای مثال شخصی که کفش ورزشی میخ‌دار بپوشد، می‌بینیم که میخ کفش‌ها در زمین فرو می‌رود، در صورتی که اگر همین شخص کفش ورزشی معمولی بپوشد، به سطح زمین آسیبی نمی‌رسد. نکته مهم این است که در هر دو مورد نیرویی که به سطح زمین وارد می‌شود یکسان بوده و در واقع همان نیروی وزن شخص است.
در این جا میخ‌های کفش میزان کلی نیرو را تغییر ندادند، بلکه نیرو بر واحد سطح را با افزایش شدیدی روبرو کردند. در ادامه نیز برخی از روش‌های اندازه‌گیری فشار را برای شما بیان خواهیم کرد، پس تا پایان این مطلب با ما همراه باشید.
روش های اندازه گیری فشار
1- اندازه گیری فشار با مانومتر
مانومتر لوله U شکل حاوی مایعی خاص است که برای اندازه گیری فشار گاز به کار می‌رود. مایع درون مانومتر و طول آن بستگی به مقدار فشاری دارد که شما باید اندازه گیری کنید. اگر هدف، اندازه‌گیری فشارهای پایین باشد، از مایعات سبک مثل آب و اگر هدف اندازه گیری فشارهای بالاتر باشد، از مایعات سنگین مثل جیوه استفاده کنید.
در سیستم‌های اندازه گیری فشار، معمولاً فشار به شکل‌های متفاوتی مد نظر است و بدین ترتیب روش های اندازه گیری فشار نیز متفاوت خواهد بود. برخی از انواع فشار شامل:
- فشار مطلق (Absolute): در این روش فشار نسبت به خلاء مطلق اندازه گیری می‌شود.
- فشار نسبی(Gage): در این روش فشار اتمسفر صفر در نظر گرفته شده و کلیه فشارها نسبت به فشار محیط اندازه گیری می‌شود.
- فشار دیفرانسیلی تفاضلی (Differential): فشار دیفرانسیلی نیز یکی دیگر از روش های اندازه گیری فشار است که در این روش اختلاف فشار بین دو محیط P1 و P2 اندازه گیری می‌شود. مخزن گاز از طریق لوله رابط به لوله U شکل وصل است.
فشار گاز در یک شاخه لوله U موجب پایین رفتن مایع و در شاخه دیگر موجب بالا رفتن آن می‌شود، تا آنکه فشار مایع با فشار گاز به حالت تعادل برسد. فشار گاز را با اندازه گیری اختلاف ارتفاع مایع در دو ستون (بر حسب سانتی متر یا متر) تعیین می‌کنند.
2) اندازه گیری فشار با بارومتر (جوسنج)
بارومتر وسیله‌ای برای اندازه گیری فشار جو است. در یک جوسنج فلزی، از یک قوطی فلزی نازک و در بسته که هوای داخل آن خارج شده است، استفاده می‌شود. اگر فشار هوا بالا برود، قسمت بالا و پایین قوطی اندکی به طرف داخل فرو می رود و اهرمی که متصل به زنجیر است موجب حرکت عقربه می‌شود.
هنگام کم شدن فشار هوا، قوطی توسط فنر محکمی به حالت اولیه خود بر می گردد. شما می توانید برای اندازه گیری فشار هوا از این وسیله کاربردی کمک بگیرید.
3) اندازه گیری فشار با خاصیت ارتجاعی
از خاصیت تغییر شکل مواد در اثر فشار در ساخت فشارسنج‌های ارتجاعی استفاده می‌شود. اندازه گیرهای دیافراگمی، کپسول‌ها، لوله بوردن و دمپرها چهار نمونه اصلی اندازه‌گیری‌های ارتجاعی فشار هستند که مزیت عمده آنها سادگی، استحکام و دوام آنها است.
نکته مهم در این اندازه گیری‌ها، کیفیت آلیاژی است که در ساخت آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. اندازه‌گیرهای فوق به طور گسترده در صنایع نفت و گاز، کشتی‌ها و هواپیماها و سایر صنایع استفاده می‌شوند.
3-1) اندازه گیری فشار دیافراگمی
اصول کار اندازه گیری فشار دیافراگمی، بدین صورت است که در اثر اعمال فشار بر یک صفحه، سطح مورد نظر تغییر شکل می‌دهد. شما می‌توانید جنس دیافراگم را فلز یا غیر فلز انتخاب کنید. لاستیک و چرم از انواع متداول دیافراگم‌های غیرفلزی هستند.
دیافراگم های غیرفلزی معمولاً در ابعاد بزرگ ساخته می شوند و برای اندازه گیری فشارهای پایین تر مورد استفاده قرار می گیرند. در گیج‌های فشار دیافراگمی، دیافراگم باید به گونه‌ای ساخته شود که انحنای دیافراگم بر اثر فشار وارد شده به آن تا حد امکان خطی باشد. یعنی مقدار مشخصی تغییر در فشار باعث تغییر انحنای ثابتی شود.
یک دیافراگم مسطح از جنس فلزی، تنها در صورتی که تغییر شکل در آن کوچک باشد خاصیت خطی خواهد داشت.
3-2) اندازه گیر فشار کپسولی
فشار کپسولی نیز یکی دیگر از روش های اندازه گیری فشار است که در آن یک کپسول از دو دیافراگم فلزی تشکیل شده که با جوش به یکدیگر متصل شده‌اند. فضای بین دو دیافراگم با سیال تراکم ناپذیری که دارای ویژگی‌های مخصوصی هستند، پرشده است.
3-3) اندازه گیری فشار با لوله بوردن
با اعمال فشار به داخل یک لوله، طول و وضعیت آن تغییر می‌کند. بر این اساس سه نوع لوله بوردن به شکل C، حلزونی و مارپیچ وجود دارد. قطر و طول لوله متناسب با فشار انتخاب می‌شود. حوزه اندازه گیری لوله بوردن بیشتر از دیافراگم و کپسول است و معمولاً برای اندازه‌گیری فشارهای بالا استفاده می‌شود.
در عمل ممکن است لوله بوردن بر حسب کاربرد به صورت‌های دیگر نیز ساخته شود. نوع حلزونی و مارپیچ لوله بوردن از حساسیت بیشتری نسبت به نوع C برخوردار هستند.
3-4) اندازه گیری فشار با دمپر
دم یا بلوز، ساختمانی شبیه به آکاردئون یا دم آهنگری دارد. ساختار آکاردئونی دم، موجب انبساط آن در اثر اعمال فشار شده و اندازه جابه‌جایی، متناسب با فشار مورد اندازه گیری است. رابطه فشار با باز و بسته شدن دمپر شبیه به رابطه‌هایی است که در یک فنر وجود دارد و می‌توان آن را به این صورت نوشت:
(X = Ks (PA
4) اندازه گیری پتانسیومتری فشار
در این روش از مجموعه روش‌های اندازه گیری فشار، از بیلوز جهت تبدیل فشار پروسه به جابه‌جایی استفاده می‌شود. بیلوز وسیله ای شبیه آکاردئون است که در بوق دوچرخه یا دمنده‌های باد آهنگری استفاده می‌شود. با افزایش فشار، طول بیلوز تغییر کرده و باعث جابجا شدن اهرم تنظیم مقاومت متغیر می‌شود و در نتیجه می‌توان فشار را اندازه گیری کرد.
5) اندازه گیری فشار با استرین گیج
استرین گیج ها معروف ترین اندازه گیرهای الکتریکی فشار هستند و بیشتر برای اندازه گیری فشارهای بالا استفاده می شوند و در میان روش های اندازه گیری فشار گزینه مناسب و دقیقی برای محاسبه فشار هستند. در ابتدا باید بدانید که زمانی که به یک جسم نیرو وارد می شود، استرس و استرین به وجود می‌آیند.
استرس معرف مقاومت درونی جسم در مقابل نیرو است و استرین در حقیقت بیانگر جابجایی و تغییر شکل جسم است. استرین گیج یا کرنش سنج در واقع برای اندازه گیری کرنش و تغییرات فیزیکی ناشی از اعمال فشار بر جسم طراحی شده است.
معمولا استرین گیج‌ها را از سیم‌هایی با جنس مس نیکل می‌سازند که به شکل رفت و برگشت روی پلاستیک‌های مقاوم می‌چسبانند. ابعاد استرین گیج‌ها از چند میلی متر مربع تا چند سانتی متر مربع است و دارای مقاومتی از چند ده تا چند هزارم اهم می باشند. البته باید به این نکته توجه داشت که، تجهیزات جانبی گیج فشار نیز ابزار کمکی برای اندازه گیری دقیق تر فشار به حساب می‌آیند.
6) اندازه گیری های ظرفیتی فشار
در اندازه گیرهای خازنی، اغلب فشار مورد اندازه گیری، به جابجایی و تغییر فاصله جوشن‌ها تبدیل شده و تغییر فاصله جوشن‌ها نیز منجر به تغییر ظرفیت خازن می‌شود. تغییر ظرفیت نیز معمولاً توسط یک پل AC و یا یک مدار اسیلاتور، تبدیل به ولتاژ یا فرکانسی متناسب با فشار تنظیم می‌شود.
7) اندازه گیری فشار با فشارسنج پیرانی
امروزه در کاربردهای صنعتی از بین انواع روش های اندازه گیری فشار، برای اندازه گیری فشارهای خیلی بالا از استرین گیج‌ها و مدارهای مربوطه کمک می‌گیرند. مشکل اصلی، اندازه‌گیری فشارهای خیلی پایین با فرکانس نسبتاً زیاد است. یکی از ترانسدیوسرهای فشار پایین فشارسنج پیرانی است.
این فشارسنج برای اندازه گیری فشار بسیار پایین در گازها استفاده می‌شود. در این ترانسدیوسر از این اصل که جریان گاز در اطراف یک جسم گرم موجب خنک شدن آن می‌شود و هر چه فشار و در نتیجه جریان گاز بیشتر باشد خنک کنندگی جسم گرم بهتر انجام می گیرد، استفاده شده است.
8) اندازه گیری فشار با روش نوری
در این روش از روش های اندازه گیری فشار، یک دیود نورانی و یک فتو دیود برای اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار می گیرند. در حالتی که فشار صفر است پره کدر در پایین قرار داشته و کل نور به فتو دیود برخورد می‌کند. سپس با وارد شدن فشار، صفحه کدر به سمت بالا حرکت کرده و مانع رسیدن نور به فتو دیود می‌شود.
اگر فشار از حد معینی بیشتر شود، پره کدر به طور کامل جلوی دیود مبنا قرار گرفته و مشخص می‌کند که فشار به حداکثر مقدار رسیده است.
9) اندازه گیری فشار با پیزو الکتریک
عناصر پیزوالکتریک، عناصری با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و برعکس هستند. هرگاه یک عنصر پیزوالکتریک مانند کوارتز تحت فشار قرار گیرد، میلی ولت‌متر، ولتاژی متناسب با فشار را نشان خواهد داد. بنابراین شما می توانید از این خاصیت برای اندازه گیری فشار استفاده نمایید.
سنسورهای پیزو الکتریک بخاطر دقت و حساسیت، کاربردهای فراوانی دارند. هنگامی که فشار به کریستال کوارتز اعمال می‌شود، در صفحات هادی ایجاد شارژ می‌کند و زمانی که به صفحات هادی ولتاژ متغیر اعمال می‌شود، کریستال کوارتز وادار به نوسان شده و تولید سیگنال مکانیکی می کند.
میزان شارژ و نیروی مکانیکی متناسب با یکدیگر هستند. تفاوت سنسورهای پیزو الکتریک با استرین گیج در این است که سیگنال تولید شده توسط پیزوالکتریک سریع تر است. سنسورهای پیزو برای اندازه گیری فشارهای دینامیک و استرین گیج ها برای اندازه گیری فشارهای استاتیک مناسب هستند.
سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه گیری فشار داخل سیلندر مورد استفاده قرار می گیرند، به این ترتیب که به جای شمع قرار می گیرند. ویژگی های عمده این نوع سنسورها سختی، سایز کوچک، سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه است. با استفاده از خاصیت پیزوالکتریک می توان سرعت و در نتیجه تغییرات شتاب را اندازه گیری کرد.
تجهیزات اندازه گیری جریان
- ونتوریمتر (Venturimeter):
یکی از ابزارهای اندازه‌گیری جریان ونتوریمتر است. این ابزار با استفاده از قانون علمی ونتوری به اندازه گیری سیالات می‌پردازد. اثر ونتوری یا اثر کاهش فشار در سیالات، مربوط به زمانی است که سیالات از قسمت تنگ لوله عبور می‌کنند.در این زمان با توجه به معادله پیوستگی، سرعت سیالات موجود در لوله، زیاده شده و فشار آنها کم می‌شود.
در اصل ونتوریمتر وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری مقدار مایعی که در یک لوله جریان دارد، استفاده می‌شود. ساده‌ترین شکل این ابزار دارای یک قسمت همگرا که به یک گلویی رسیده و سپس باز می‌شود، برای خرید و استفاده ارائه شده است. - لوله پیتوت (Pitot Tube):
یکی دیگر از ابزارهای اندازه گیری جریان، لوله پیتوت است. لوله پیتوت ابزاری است که برای سنجش سرعت در مایعات استفاده می‌شود. لوله پیتوت دقیقاً در مسیر حرکت سیال قرار گرفته و با پر شدن این لوله می‌توان فشار جریان را اندازه گیری کرد. در لوله پیتوت به دلیل قرار نداشتن مسیر خروجی، مایع از حرکت می‌ایستد. - اوریفیس متر (Orifice Meter):
از جمله ابزارهای اندازه گیری جریان، اوریفیس متر (یا اریفیس متر) است. اوریفیس یا جریان آشفته به نوعی از جریان سیالات اطلاق می‌شود. آشفتگی حرکات نامنظمی را شامل می‌شود که زمانی که سیالات از روی سطوح جامد عبور می‌کنند یا حتی زمانی که سیالات در مجاورت هم قرار می‌گیرند، به وجود می‌آید.
تجهیزات جانبی اندازه گیری فشار چیست؟
به منظور حفاظت از تجهیزات اندازه گیری فشار در برابر دماهای بالا یا پایین، گرفتگی، خوردگی، لرزش یا جداسازی تجهیز اندازه گیری برای کالیبراسیون و انجام تعمیرات، از تجهیزات جانبی اندازه‌گیری فشار استفاده می شود.
انواع تجهیزات جانبی فشار
برخی از تجهیزات جانبی که غالبا در اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار می گیرند به شرح زیر است:
- اسنابرها و میراکننده های ضربه (Snubber & Pulsation damper)
- ابزارهای پرشده با مایع (Liquid Filled)
- محافظ اضافه فشار، محافظ اضافه بار، محافظ اور پرشر، محافظ فشار مازاد (Over Pressure Protector)
- سیفون گیج و ترانسمیتر فشار (Syphon)
- بست های دیافراگمی یا دیافراگم سیل و کپیلاری (Diaphragm Seals)
- منیفولد (Manifold)
- کولینگ المنت
- شیر سماوری
در این مقاله با مهم‌ترین روش های اندازه گیری فشار آشنا شدیم و توضیحات مختصری را از نحوه کاربرد هر یک یاد گرفتیم. شما می‌توانید برای مشاهده سایر مقالات تخصصی در این موضوع به وبلاگ آریا سپند مراجعه کنید.
