فصل سوم - بررسی انواع روش های کنترل و اندازه گیری فشار در ابزار دقیق

در این قسمت روش های اندازه گیری فشار و کالیبراسیون فشارسنج ها را معرفی و با یکدیگر به بررسی شان می پردازیم و در بخش انتهایی این قسمت نیز روش های کالیبره کردن فشارسنج را توضیح می دهیم.

برای اندازه گیری فشار می توان از دو روش کلی زیر استفاده کرد:

بارومتر، مانومتر U شکل و مانومتر شیب دار از جمله روش های دسته اول و فشارسنج بوردون، فشارسنج های دیافراگمی و فشارسنج های دارای المان فانوسی در دسته دوم قرار می گیرند.

1. تعاریف اولیه ابزار دقیق در زمینه فشار

قبل از شروع این قسمت، ابتدا چند تعریف را با یکدیگر بررسی کنیم.

فشار مطلق و نسبی: برای اندازه گیری فشار معمولا از دو مرجع می توان استفاده کرد.

مرجع اول فشار صفر مطلق است. در این صورت فشار اندازه گیری شده نسبت به این مرجع را فشار مطلق (Absolute pressure) می نامند. از آنجا که هیچ فشاری پایین تر از صفر مطلق نیست، مقدار هر فشار اندازه گیری شده نسبت به این مرجع مثبت است. با آنکه این روش دارای مزایایی است، اما مهم ترین مشکل آن عدم دسترسی به فشار صفر مطلق است. بنابراین، برای اندازه گیری یک فشار مجهول نسبت به این مرجع باید فشار صفر مطلق را ایجاد کرد و اندازه گیری را نسبت به آن انجام داد.

روش دوم که بسیار ساده تر از حالت قبل است، اندازه گیری فشار نسبت به فشار اتمسفر محلی است. در این صورت فشار اندازه گیری شده را فشار نسبی (Gauge Pressure) می نامند. به فشارهایی که کمتر از فشار اتمسفر محلی باشند، خلاء (Vacuum) می گویند.

فشار استاتیک، دینامیک و سکون: در اندازه گیری فشار سیال در حال حرکت، با توجه به نحوه نصب سنسور، فشار اندازه گیری شده می تواند متفاوت باشد. جریان سیال در یک کانال یا لوله را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید. اگر سوراخی عمود بر جداره کانال یا لوله ایجاد شود و از طریق یک لوله رابط به دستگاه سنجش فشار متصل شود، فشار اندازه گیری شده را فشار استاتیک می نامند. فشار استاتیک را می توان از طریق روشی که در قسمت میانی شکل زیر نشان داده شده نیز اندازه گیری کرد.

اندازه گیری فشار

حال اگر لوله اندازه گیری فشار مانند آنچه که در سمت راست نشان داده شده است رو به جریان قرار گیرد، فشار اندازه گیری شده را که از فشار استاتیک بیشتر است، فشار سکون می نامند. اگر از تاثیر فشار ناشی از ارتفاع صرف نظر کنیم، این فشار را می توان فشار کلی نیز نامید. فشار دینامیک یا فشار سرعت را می توان از اختلاف فشار سکون و فشار استاتیک بدست آورد.

2. روش های مبتنی بر فشار ستون مایع

1.2. بارومتر (Barometer) چیست؟

بارومتر وسیله ای است که برای اندازه گیری فشار اتمسفر (محیط) به کار میرود. برای اندازه گیری فشار اتمسفر به این روش، یک لوله شیشه ای را پر از جیوه کرده و سپس آن را بطوری عمودی و طوری که در جیوه معلق باشد در ظرف حاوی جیوه قرار می دهند. با اعمال فشار اتمسفر به سطح جیوه، موقعیت آن در لوله تغییر میکند و تا ارتفاع h بالا می آید. با اندازه گیری مقدار h و با دانستن چگالی جیوه، از طریق فرمول pgh می توان میزان فشار را محاسبه کرد.

بارومتر جیوه ای

2.2. پیزومتر (Piezometer) چیست؟

از پیزومتر می توان برای اندازه گیری فشار مایع داخل یک لوله استفاده کرد. در شکل زیر اساس کار پیزومتر را مشاهده می کنید. در این روش کافی است سوراخی در جداره لوله ایجاد شود و یک شلنگ شفاف یا شیشه به آن متصل شود. باتوجه به میزان فشار داخل لوله، مایع تا ارتفاعی که فشار معادل آن با فشار داخل لوله برابر شود، بالا خواهد رفت. همانند بارومتر، با اندازه گیری مقدار h و فرمول گفته شده، می توان میزان فشار را محاسبه کرد.

پیزومتر

با وجود سادگی، پیزومتر را نمی توان برای اندازه گیری فشارهای زیاد استفاده کرد، زیرا ارتفاع مورد نیاز برای شیشه آن با افزایش فشار افزایش می یابد.

3.2. مانومتر U شکل (U-Tube Manometer) چیست؟

در شکل سمت راست اساس کار مانومتر و در شکل سمت چپ، ساختار ظاهری مانومتر U شکل را ملاحظه می کنید. با استفاده از روابط مکانیک سیالات می توان به سادگی میزان فشار را بدست آورد.

اساس کار مانومتر U شکل
مانومتر U شکل

4.2. مانومتر مخزن دار (Well Type Manometer) چیست؟

برخلاف مانومتر U شکل، در مانومترهای مخزن دار سطح مایع تنها در یکی از شاخه ها قرائت می شود. این امر باعث سادگی بیشتر قرائت فشار یا اختلاف فشار می شود.

5.2. مانومتر شیبدار (Inclined Manometer - Slope Gauge)

از مانومتر شیبدار در مواردی استفاده می شود که فشار یا اختلاف فشار مورد اندازه گیری بسیار کم (معمولا کمتر از 0.01 بار) باشد. اجزای داخلی و شکل ظاهری یک مانومتر شیبدار را می توانید در شکل زیر ببینید. همانطورکه مشاهده می کنید، این مانومتر شبیه مانومتر مخزن دار است با این تفاوت که لوله سمت راست آن شیبدار است.

اساس کار مانومتر شیبدار

3. روش های مبتنی بر اعمال فشار بر جسم الاستیک

1.3. لوله بوردون (Bourdon Tube) چیست؟

 لوله بوردون یکی از پرمصرف ترین روش های اندازه گیری فشار در صنعت است. در شکل زیر اساس کار فشارسنج بوردون را ملاحظه می کنید.

مکانیزم داخلی فشارسنج بوردون
فشارسنج بوردون

همانطور که در شکل میبینید، فشار سیال باعث تغییر شکل لوله بوردون می شود. این تغییر شکل باعث حرکت انتهای آزاد لوله بوردون شده که توسط مکانیزم نشان داده شده به حرکت عقربه منجر می شود. فشارسنج های بوردون که به فشارسنج عقربه ای نیزمرسومند، انواع مختلفی دارند که نمونه هایی از آن ها را نام می بریم:

فشارسنج با اتصال از پشت و پایین
اختلاف فشارسنج
فشارسنج داپلکس

برای افزایش میزان تغییر مکان انتهای آزاد لوله بوردون از روش های دیگری نیز استفاده می شود که عبارتند از:

فشارسنج اسپیرال
فشارسنج هلیکال

2.3. دیافراگم (Diaphragm) و کپسول (Capsule)

روش بعدی در دسته بندی فشارسنج های مبتنی بر اعمال فشار بر اجسام الاستیک، استفاده از دیافراگم و کپسول است. دیافراگم در واقع یک دیسک فلزی قابل انعطاف است که می تواند به صورت مسطح یا موج دار باشد. کپسول از اتصال دو یا چند دیافراگم تشکیل می شود. با اعمال فشار به دیافراگم شکل آن تغییر می یابد. میزان خیز ایجاد شده متناسب با فشار اعمال شده است. در شکل زیر نمونه ای از یک دیافراگم و یک کپسول را ملاحظه می کنید.

فشارسنج دیافراگمی
فشارسنج کپسولی

از آنجا که معمولا تغییر شکل دیافراگم بسیار اندک است، اندازه گیری تغییر شکل دیافراگم به روش های غیر مستقیم صورت می گیرد. در این خصوص در بخش مربوط به ترانسمیترهای فشار توضیح بیشتری ارائه می دهیم.

3.3. فانوسی (Bellows)

روش سوم در دسته بندی فشارسنج های مبتنی بر اعمال فشار بر اجسام الاستیک، فانوسی است. فانوسی یک قطعه قابل انعطاف فلزی یا لاستیکی است که در اثر اعمال فشار تغییر طول پیدا می کند. در شکل زیر اساس کار فشارسنج مبتنی بر فانوسی را ملاحظه می کنید. از فانوسی معمولا برای اندازه گیری فشارهای کم و متوسط استفاده می شود.

فشارسنج فانوسی
اختلاف فشارسنج فانوسی

4. سنسورهای فشار الکترونیکی و ترانسمیترهای فشار

در بسیاری از کاربردهای صنعتی لازم است فشار اندازه گیری شده به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود. این سیگنال ممکن است برای نمایش محلی فشار به صورت دیجیتال یا انتقال سیگنال به نقطه ای دیگر توسط ترانسمیتر دیگری به کار رود. معمولا نشان دهنده های فشار دیجیتال به دلیل تغذیه باتری امکان ارسال سیگنال را ندارند.

یک نمونه از انواع ترانسمیترهای فشار، ترانسمیتر فشار قلمی می باشد همچنینی طرح دیگری از ترانسمیتر فشار، نوع صنعتی آن است. در شکل زیر انواع ترانسمیترهای فشار نشان داده شده است.

انواع ترانسمیترهای فشار

در مواردی مانند اندازه گیری دبی توسط دبی سنج های مبتنی بر اختلاف فشار (که در فصل دوم بررسی کردیم)، اندازه گیری سطح مایع در مخازن تحت فشار (فصل چهارم در این باره بحث خواهیم داشت) و سایر کاربردهایی که در آن ها به اندازه گیری اختلاف فشار نیاز باشد، از ترانسمیتر اختلاف فشار استفاده نی شود. که نمونه هایی از آن ها را در شکل زیر مشاهده می کنید.

نمونه هایی از ترانسمیتر اختلاف فشار

نمونه دیگری از سنسورهای فشار دیجیتال که به مانومتر یا سنسور فشار پرتابل موسوم است، در شکل زیر نشان داده شده است. برخی از این سنسورها دارای قابلیت ضبط مقادیر حداقل، حداکثر و متوسط مقادیر اندازه گیری شده نیز هستند. همچنین در بعضی از این سنسورها امکان اتصال به کامپیوتر از طریق درگاه USB نیز وجود دارد. نمونه دیگری از ترانسمیتر فشار که به فشارسنج عقربه ای شناخته می شود را نیز در شکل زیر (سمت چپ) ملاحظه می کنید.

سنسور فشار پرتابل
ترانسمیتر فشار عقربه ای

مرسوم ترین تکنولوژی های مورد استفاده در سنسورهای فشار الکترونیکی استفاده از کرنش سنج، استفاده از خاصیت خازنی، استفاده از پتانسیومتر، استفاده از خاصیت مغناطیسی، پیزو الکتریک و نوری هستند. نقطه مشترک در اکثر روش هایی که گفتیم این است که فشار مجهول به یک جسم الاستیک مانند دیافراگم، فانوسی، کپسول، لوله بوردون یا مانند آن اعمال شده و باعث تغییر شکل یا تغییر طول آن می شود. روش هایی که توسط آن ها تغییر شکل یا تغییر طول اندازه گیری شده و به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شوند را در قسمت های بعدی بررسی خواهیم کرد.

1.4. کرنش سنج (Strain Gauge) چیست؟

کرنش سنج از یک فلز تشکیل شده است که با تغییر طول آن، مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. در کاربرد کرنش سنج در اندازه گیری فشار، یک یا تعدادی کرنش سنج بر روی یک جسم الاستیک مانند یک دیافراگم الاستیک نصب می شود. اعمال فشار باعث تغییر شکل جسم الاستیک و تغییر طول کرنش سنج متصل شده به آن می شود. تغییر طول کرنش سنج به نوبه خود باعث تغییر مقاومت آن شده که توسط یک مدار الکتریکی قابل اندازه گیری است.

2.4. استفاده از خاصیت خازنی

در این روش، از خاصیت تغییر ظرفیت خازنی با تغییر فاصله بین صفحات خازن (و در برخی موارد تغییر سطح صفحات) استفاده می شود. فشار اعمال شده (که می خواهیم اندازه گیری کنیم)، باعث تغییر فاصله صفحات از هم شده و این امر باعث تغییر ظرفیت خازن می شود. سنسورهای خازنی بعد از سنسورهای مبتنی بر کرنش سنج در رده دوم استفاده قرار دارند. خطای اندازه گیری سنسورها معمولا کمتر از نوع قبل است.

3.4. استفاده از پتانسیومتر

استفاده از تغییر مقاومت رئوستا، یکی از ساده ترین روش های تبدیل حرکت مکانیکی به یک سیگنال الکتریکی است.

4.4. سنسورهای پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک به این معنی است که اگر برخی کریستال ها تحت اثر فشار (نیرو) قرار بگیرند، بارهای الکتریکی آن ها به صورتی در می آید که تولید اختلاف پتانسیل می کند. میزان این اختلاف پتانسیل متناسب با بار اعمال شده است. نکته مهم در مورد سنسورهای پیزوالکتریک آن است که اختلاف پتانسیل ایجاد شده، با اتصال دو سر کریستال به یک مدار الکتریکی باعث ایجاد جریانی در مدار می شود که به سرعت به صفر میل می کند. از این رو، این سنسور برای اندازه گیری فشارهای دینامیک مناسب است.

سنسورهای پیزوالکتریک

5.4. سنسورهای مغناطیسی

سه نمونه از مرسوم ترین روش هایی که بر اساس خاصیت میدان مغناطیسی می توانند تغییر مکان یک المان الاستیک را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند را در این قسمت با یکدیگر بررسی می کنیم.

سنسورهای مغناطیسی

1.5.4. سنسورهای القایی (Inductive Sensors)

در شکل زیر نمونه ای از یک سنسور فشار که بر اساس خاصیت القایی کار می کند را ملاحظه می کنید. فشار سیال که از سمت راست اعمال می شود، حرکت کویل آهنی مغناطیسی در داخل سولونوئید را به همراه دارد و این تغییر مکان، باعث تغییر اندوکتانس کویل می شود.

سنسورهای القایی

2.5.4. ترانسفورمر تفاضلی خطی متغیر (LVDT-Linear Variable Differential Transformer)

در این روش سه کویل بر روی یک لوله پیچیده می شوند. با اعمال یک جریان متناوب به کویل میانی، اگر هسته در وضعیت وسط باشد، ولتاژ های یکسانی به دو کویل دیگر القا خواهد شد. با حرکت هسته به یک سمت، اختلاف ولتاژهای القا شده به دو کویل دیگر معیاری از جهت حرکت و مقدار حرکت هسته خواهد بود.

3.5.4. سنسورهای رلوکتانسی (Reluctance Sensors)

در این روش یک صفحه در فاصله نزدیکی از یک هسته که به شکل حرف E است، قرار داده می شود. دو کویل نیز دور دندانه های اول و سوم هسته E شکل قرار گرفته است. تغییر فشار باعث تغییر موقعیت صفحه می شود. تغییر موقعیت صفحه باعث تغییر اندوکتانس دو کویل می گردد.

سنسور رلوکتانسی فشار

6.4. سنسورهای نوری

در این روش، مطابق شکل زیر فشار اعمال شده به یک دیافراگم باعث حرکت تیغه متصل به آن در مقابل اشعه نوری مادون قرمز می شود. به این ترتیب میزان نور تابیده شده به دیود اندازه گیری، معیاری از فشار اعمال شده است.

سنسور فشار نوری

5. سوئیچ فشار یا پرشر سوئیچ (Pressure Switch)

سوئیچ فشار (اختلاف فشار) یا پرشر سوئیچ بطور ساده وسیله ای است که تغییرات فشار (اختلاف فشار) را حس کرده و در یک فشار (اختلاف فشار) معین، باعث باز یا بسته کردن یک کنتاکت الکتریکی می شود. این سوئیچ ها را بطور کلی می توان به دو دسته الکترومکانیکال (Electromechanical Pressure Switches) و حالت جامد (Solid State Pressure Switch) تقسیم بندی کرد. در شکل های زیر چند نمونه از سوئیچ های فشار الکترومکانیکال که عبارتند از: سوئیچ فشار دیافراگمی، سوئیچ فشار با مکانیزم بوردون، سوئیچ فشار پیستونی و سوئیچ فشار پیستونی با دیافراگم را مشاهده می کنید.

پرشر سوئیچ دیافراگمی
پرشر سوئیچ بوردون
پرشر سوئیچ پیستونی
پرشر سوئیچ پیستونی با دیافراگم

امروزه با استفاده از روش هایی که در بخش 4 این قسمت با یکدیگر بررسی کردیم، انواع مختلفی از سوئیچ های فشار مبتنی بر سیستم های حالت جامد وجود دارد که دارای امکانات بیشتری نسبت به سوئیچ های الکترومکانیکال هستند.

پرشر سوئیج حالت جامد

6. کالیبراسیون وسایل اندازه گیری فشار

در این بخش روش هایی که برای کالیبره کردن فشارسنج ها به کار می روند با معرفی خواهیم کرد.

1.6. اعمال فشار بر فشار سنج تحت تست و یک فشار سنج مرجع و مقایسه آن ها

در این روش یک فشار مشخص به فشارسنج تحت تست و فشار سنج مرجع (Test Gauge) اعمال می شود. فشارسنج های مرجع در انواع مختلف مکانیکی و الکتریکی وجود دارند. که در شکل زیر نمونه ای از آن ها را ملاحظه می کنید.

فشارسنج تست
نوعی دیگر از فشارسنج تست

فشار مورد نیاز معمولا توسط وسایلی به نام پمپ دستی (Hand pump) ایجاد می شود که نمونه هایی از آن ها را در شکل زیر نشان داده ایم.

نوع دیگری از پمپ دستی
پمپ دستی

2.6. استفاده از روش ایجاد فشار توسط مکانیزم سیلندر و پیستون (تستر بار مرده) (Dead Weight Tester)

در این روش، یک نیروی مشخص (توسط وزنه با جرم مشخص) به سطح یک پیستون (که دارای دقت ساخت بالاست و درون یک سیلندر که به دقت ماشین کاری شده است، قرار دارد)، اعمال می شود. سیلندر حاوی روغن است، بنابراین فشاری که در روغن ایجاد می شود، برابر حاصل تقسیم وزن وزنه بر سطح مقطع پیستون است. اگر مطابق شکل زیر این فشار به یک فشارسنج که می خواهیم آن را کالیبره کنیم، انتقال یابد می تواند مقدار قرائت شده توسط آن را با فشار ایجاد شده (به عنوان مرجع) مقایسه کرد.

اساس کار کالیبراسیون فشارسنج با روش تستر بار مرده

نوع دیگری از کالیبراتور فشار، نوع کالیبراتور فشار پرتابل است که دارای مدول های فشار مجزا برای پوشاندن محدوده وسیعی از فشار 0.25 اینچ ستون آب تا 517 بار هستند.

کالیبراتور فشار پرتابل

7. لوازم جانبی در سیستم های اندازه گیری فشار

1.7. مهره رابط (Gauge Union, Gauge Adaptor)

این رابط یا آداپتور برای تبدیل یا تغییر سایز اتصال روی محل اندازه گیری فشار و وسیله اندازه گیری فشار (درصورتی که متفاوت باشند)، استفاده می شود. برخی از مهره های رابط را در شکل زیر مشاهده می کنید.

مهره رابط فشارسنج
نوع دیگری از مهره رابط فشارسنج

2.7. سیفون (Syphon)

از این وسیله برای جلوگیری از تاثیر سوء سیال داغ (مانند بخار) بر فشارسنج استفاده می شود. آب کندانس شده با تجمع در قسمت سیفون مانع انتقال بخار به فشار سنج یا سنسور فشار می شود. سیفون می تواند تا حدی از انتقال نوسانات فشار به فشارسنج نیز جلوگیری کند. در فشارسنج های عقربه ای پر کردن بخش نشان دهنده با گلیسیرین نیز به کاهش نوسان عقربه کمک می کند. تصویر دو نوع سیفون U Syphon و Pigtail Syphon را مشاهده می نمائید.

سیفون فشارسنج

3.7. اسنابر (Snubber)

از این وسیله برای کاهش اثرات نوسان و افزایش ناگهانی فشار بر روی فشارسنج استفاده می شود. در شکل زیر این وسیله نشان داده شده است.

اسنابر ساده

4.7. میراکننده نوسان (Pulsation Dampener)

از این وسیله برای کاهش یا میرا کردن نوسانات فشار در سیال و عدم انتقال آن به فشارسنج استفاده می شود. روی این تجهیز یک پیچ وجود دارد که می توان از آن برای تنظیم کردن میراکننده استفاده کنید. در بسیاری از موارد اسنابر و میراکننده نوسان به یک معنی به کار می روند و یا میراکننده نوسان را به دلیل وجود پیچ تنظیم، اسنابر قابل تنظیم نیز می نامند. در شکل زیر یک نمونه اسنابر و یک نمونه میراکننده نوسان نشان داده شده است.

اسنابر قابل تنظیم

5.7. دیافراگم سیل (Diaphragm Seal, Liquid Seal, Chemical Seal)

از این وسیله به منظور جلوگیری از انتقال سیال به داخل فشارسنج استفاده می شود و در مسیر آن نصب می گردد. این امر میتواند در مورد سیالات داغ، خورنده و یا خیلی ویسکوز استفاده شود. در شکل زیر نمونه ای از دیافراگم سیل و نحوه اتصال آن به فشار سنج را مشاهده می کنید.

انواع دیافراگم سیل
فشارسنج دیافراگمی

6.7. محافظ فشارسنج (Gauge Protector, Over Pressure Protector, Gauge Saver)

از محافظ فشارسنج برای محافظت فشارسنج در برابر فشار اضافی استفاده می کنیم. با استفاده از این وسیله، مسیر سیال به فشارسنج در یک فشار از پیش تنظیم شده بسته می شود.

محافظ فشارسنج

7.7. مانیفولد (Manifold)

از مانیفولد به عنوان شیری برای اتصال یا جدا کردن فشارسنج (یا اختلاف فشارسنج) به مسیر اندازه گیری، کالیبره کردن و تخلیه فشار داخل مسیر استفاده می شود. مرسوم ترین مانیفولدها عبارتند از: مانیفولد دو راهه، مانیفولد سه راهه و مانیفولد چهار راهه که در شکل زیر به شما نشان داده شده است.

انواع مانیفولد
0 0 رای ها
به این مقاله امتیاز دهید.
اشتراک در
اطلاع از
guest

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments

فرصتی استثنائی برای اولین بار در ایران!

برای کسب اطلاعات بیشتر، صفحه پاراکس را در اینستاگرام دنبال کنید.

0
افکار شما را دوست دارم، لطفا نظر دهیدx
()
x
باز کردن واتساپ
1
سلام
جهت اعلام درخواست خود
در واتساپ به ما پیام دهید