رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری فشار سیالات
آنچه در این مطلب میخوانید:
رنج‌های اندازه‌گیری فشار در یک ابزاردقیق می‌تواند از کسری از یک اینچ آب (فشار بسیار کم) تا بیش از PSI 100000 (فشار بسیار بالا) متفاوت باشد. میزان دقت در اندازه‌گیری این ابزارآلات نیز بسته به نوع ابزار و کاربرد متفاوت است. برای پوشش این متغیرها، دو نوع اساسی اندازه‌گیری فشار به‌صورت مستقیم و غیرمستقیم وجود دارد. در طی این مطلب با انواع روش‌های اندازه‌گیری در زیر مجموعه این دو نوع اساسی آشنا خواهیم شد.
ابزار اندازه‌گیری مستقیم فشار
مانومترهای ستون مایع
اصل اندازه‌گیری یک گیج با استفاده از ستون مایع که معمولاً به‌عنوان مانومتر ستون مایع شناخته می‌شود، شامل محاسبه فشار p اندازه‌گیری شده با ارتفاع h ستون مایع با استفاده از قانون فشار سیالات Δ p = Δ h • ρm • g است.
ارتفاع ستون مایع h از مقیاس مدرج روی ستون خوانده می‌شود. اگر دقت بالاتری موردنیاز باشد یا نیاز به پردازش بیشتر سیگنال اندازه‌گیری باشد، اختلاف ارتفاع توسط سیم مقاومتی که در مایع قرار داده شده یا با انعکاس امواج صوتی یا نور اندازه‌گیری می‌شود. مانومتر ویکا یکی از بهترین ابزارهای اندازه‌گیری فشار است که از این روش برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کند.
4 نوع مانومتر برای اندازه‌گیری فشار وجود دارد که هر یک از آن‌ها درشکل زیر نشان داده شده است:
- مانومتر U شکل
- مانومتر لوله شیبدار
- مانومتر مایع چندگانه
- مانومتر شناور
تعادل فشار با جداسازی مایع
کارکرد تعادل فشار با مانومترهای ستون مایع متفاوت است زیرا مایع جداکننده فقط برای دور نگه‌داشتن محفظه‌های فشار استفاده می‌شود. فشار اندازه‌گیری شده روی یک ناحیه تعریف شده A عمل می‌کند و با نیروی ناشی از وزن G محاسبه می‌شود. بهتر است بدانید که تغییرات چگالی مایع جداکننده بر اندازه‌گیری تأثیر نمی‌گذارد.
اصل اندازه‌گیری تعادل فشار با ابزار غوطه‌ور در شکل نشان‌داده‌شده است. جایگزینی وزن مرجع G با نیروی فنر منجر به یک حرکت چرخشی می‌شود که متناسب با فشار است و می‌تواند در مقیاس مدرج برای خوانش راحت‌تر مقدار اندازه‌گیری شده، نمایش داده شود. ابزار غوطه‌ور نشان‌داده‌شده در شکل برای اندازه‌گیری فشارهای کوچک تا 5/0 اینچ H2O با دقت تقریباً 03/0 درصد استفاده می‌شود. تمامی بخش‌های غوطه‌ور، سیلندر غوطه‌ور و تعادل فشار استوانه‌ای نشان‌داده‌شده در شکل، از اصل اندازه‌گیری p =R/r •G/A • sin α برای گزارش فشار استفاده می‌کنند.
از این ابزار عمدتاً برای اندازه‌گیری فشارهای دیفرانسیل کوچک بادقت 5/0 تا 1 درصد استفاده می‌شوند. با این حال، به نوسانات فشار حساس هستند، نیاز به موقعیت‌یابی دقیق دارند و فضای زیادی را اشغال می‌کنند. از مزایای این ابزار می‌توان به نیروی تنظیم زیاد و در نتیجه خطای کم اندازه‌گیری و عدم وابستگی آن‌ها به چگالی مایع و تغییرات دما اشاره کرد. اما با این وجود، معایب آن بیشتر از مزایای آن است، بنابراین از این نوع ابزار به ندرت استفاده می‌شود.
ابزارهای اندازه‌گیری فشار از نوع پیستونی
ابزارهای اندازه‌گیری فشار از نوع پیستونی مطابق با تعریف اولیه فشار یعنی P=F/A عمل می‌کنند. فشار بر روی یک ناحیه شناخته شده A از یک پیستون آب‌بند شده عمل می‌کند و نیروی F را ایجاد می‌کند. ابزارهای اندازه‌گیری از نوع پیستونی برای کاربردهای صنعتی، این نیرو را با نیروی فنر محاسبه می‌کنند. حرکت فنر تابعی از فشاری است که در مقیاس مدرج خوانده می‌شود. این روش از اندازه‌گیری مستقیم فشار خود به دودسته پیستون فنری و کالیبراتور ددویت (Dead Weight Tester) تقسیم می‌شود.
اندازه‌گیری فشار غیرمستقیم
ابزارهای اندازه‌گیری فشار غیرمستقیم از اثر فشاری که بر روی مواد یا اجسام با شکل خاصی وارد می‌شود برای تعیین سطح فشار استفاده می‌کنند. نمونه‌هایی از این روش، تغییر شکل انعطاف‌پذیر اجسام یا صفحات توخالی، تغییر ویژگی‌های الکتریکی یا مغناطیسی یک ماده، یا اثرات نوری و شیمیایی بر اجسام و مواد است. در ادامه دو روش رایج اندازه‌گیری غیرمستقیم که بیشترین کاربرد در گیج‌های فشار را دارند، تشریح می‌کنیم.
ابزار اندازه‌گیری فشار با عناصر انعطاف‌پذیر
عناصر انعطاف‌پذیر اساس کار انواع گیج فشار عقربه‌ای هستند. این گیج‌ها رایج‌ترین دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار هستند که امروزه مورداستفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها داری درجه بالایی از فناوری اندازه‌گیری، عملکرد ساده، استحکام و انعطاف‌پذیری هستند، همچنین باتوجه‌به هزینه تولید پایین‌ترشان به شکل انبوه تولید می‌شوند.
عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی، این نوع را بهترین انتخاب برای اکثر کاربردها می‌کند. کاربردهای ابزار اندازه‌گیری فشار با یک عنصر اندازه‌گیری انعطاف‌پذیر، فرآیندهای شیمیایی نظیر پالایشگاه‌ها، صنایع داروسازی، تأسیسات هیدرولیک و پنوماتیک در مهندسی مکانیک و… را شامل می‌شود. این نوع ابزار اندازه‌گیری فشار را می‌توان در تمام نقاط حیاتی نظارت بر فرآیند و ایمنی تأسیسات بسیار مهم امروزی از چاه‌های اکتشافی گرفته تا نیروگاه‌ها یافت.
سنسورهای فشار الکتریکی
اصول اندازه‌گیری در گیج فشار دیجیتال، فشار الکتریکی است. اکثر روش‌ها بر اساس اندازه‌گیری یک جابه‌جایی یا نیرو هستند. برای این کار، متغیر فیزیکی فشار باید به یک متغیر الکتریکی قابل‌سنجش تبدیل شود. برخلاف روش‌های اندازه‌گیری فشار مکانیکی، این تبدیل به یک منبع انرژی خارجی برای سنسور فشار نیاز دارد. اگر در این زمینه نیاز به اطلاعات بیشتر دارید ما در مقاله ترانسمیتر فشار چیست؟ به طور کامل به معرفی و بررسی انواع سنسور های فشار پرداخته‌ایم.
اساس سیستم‌های اندازه‌گیری فشار الکتریکی، یک سنسور فشار است. درحالی‌که جابه‌جایی عناصر مکانیکی گیج بین 004/0 تا 012/0 اینچ استاندارد است، تغییر در سنسورهای فشار الکتریکی، از چند میکرون تجاوز نمی‌کند. در این ابزار از مبدل‌های اندازه‌گیری استفاده می‌شود؛ مبدل‌ها فشار وارده را به سیگنال خروجی تبدیل می‌کنند که عموماً سیگنال الکتریکی یا پنوماتیکی است. این خروجی تابعی از فشار ورودی است و می‌تواند دیجیتال یا آنالوگ باشد.
جمع‌بندی
ابزارهای اندازه‌گیری فشار مستقیم، فشار را از معادله اصلی فشار سیالات یعنی Δ p = Δ h • ρm • g تعیین می‌کنند. ابتدایی‌ترین روش‌های فشار مستقیم استفاده از مانومترهای مایع است که شامل 4 دسته ی مانومتر U شکل، مانومتر لوله شیبدار، مانومتر مایع چندگانه و مانومتر شناور می‌باشد. ابزارهای فشار اندازه‌گیری غیرمستقیم از انحراف یک ماده انعطاف‌پذیر یا یک اثر الکتریکی، نوری یا شیمیایی برای تعیین فشار استفاده می‌کنند. متداول‌ترین روشی که امروزه صنعتی شده است، استفاده از عناصر انعطاف‌پذیر است که در انواع گیج‌های فشار آنالوگ مورداستفاده قرار می‌گیرد.
