تشریح عناصر اندازه‌گیری گیج فشار دیافراگم ویکا
آنچه در این مطلب میخوانید:
گیج فشار دیافراگمی یکی از انواع فشارسنج‌های عقربه‌ای رایج است که از انحراف یک غشای نازک و انعطاف‌پذیر برای اندازه‌گیری فشار سیال در یک سیستم استفاده می‌کند. دیافراگم اجزای داخلی را از سیال جدا می‌کند و این گیج را برای مایعات یا گازهای خورنده یا آلوده مناسب می‌سازد. گیج دیافراگمی برای اندازه‌گیری فشار کم مانند اندازه‌گیری فشار اتمسفر یا نظارت بر فشار در کپسول‌های گاز استفاده می‌شود. دهانه‌های اندازه‌گیری این ابزار که به‌عنوان فشارسنج غشایی انعطاف‌پذیر نیز شناخته می‌شوند، از 10 میلی‌بار تا 40 بار را پوشش می‌دهند. برای آشنایی با این ابزار پرکاربرد، در این مطلب، ساختار عناصر اندازه‌گیری گیج فشار دیافراگم ویکا را تشریح می‌کنیم.
اجزا و عناصر اندازه‌گیری
عنصر اندازه‌گیری این گیج شامل یک دیافراگم دایره‌ای است که بین یک جفت فلنج بسته شده است. فشار مثبت یا منفی وارد بر این دیافراگم‌ها باعث تغییر شکل عنصر اندازه‌گیری می‌شود. عناصر اندازه‌گیری گیج‌های دیافراگم برای فشارهای کم از 05/0 in H2O تا حدود 400/0 PSI استفاده می‌شوند.
در عناصر دیافراگمی، از ابزار الاستیک استفاده می‌شود که لبه‌های آن فیکس و یک طرف آن تحت بار ناشی از سیال قرار می‌گیرد. این بارگذاری، منجر به تغییر شکل الاستیک شده و با استفاده از مکانیزمی به حرکت چرخشی تبدیل می‌شود که نهایتاً موجب چرخش نشانگر می‌شود. تمامی اجزای به‌کاررفته در یک گیج دیافراگم ویکا در شکل زیر نشان‌داده‌شده است. اگر با صفحه نمایشگر و نحوه بررسی داده‌های گزارس سده آن آشنا نیستید،مقاله نحوه خواندن گیج فشار شما را به طور کامل راهنمایی می‌کند.
مواد سازنده
دیافراگم‌ها به دلیل شکل و موقعیتی که دارند مقاومت مکانیکی بالایی دارند و کمتر به ضربه حساس هستند. معمولاً از فولاد ضدزنگ سری 300 ساخته می‌شوند. برای سیالات خورنده، از مواد ویژه مقاوم در برابر خوردگی مانند تانتالوم، تیتانیوم، هستلوی یا مواد پوششی با PTFE یا مواد مشابه استفاده می‌شود. اتصالات فلنج باز در صورتی استفاده می‌شود که سیال فرآیند بسیار ویسکوز، متبلور یا آلوده و ناخالص باشد.
معادله انحراف دیافراگم
محاسبات انحراف برای دیافراگم‌ها پیچیده‌تر از محاسبات برای لوله‌های بوردون است. رابطه‌ای برای میزان انحراف یک دیافراگم ساده تخت بر حسب پارامترها در شکل نشان‌داده‌شده است که اهمیت شعاع R و ضخامت دیافراگم d را در میزان این انحراف نشان می‌دهد.
دیافراگم‌های تخت دارای ویژگی‌های خطی در فشار معین p و جابه‌جایی s برای انحرافات کوچک هستند بنابراین معمولاً در ترکیب با افزونه‌های الکتریکی و خازنی استفاده می‌شوند. ابزارهای اندازه‌گیری فشار مکانیکی به جابه‌جایی بین 1 تا 3 میلی‌متر نیاز دارند. دیافراگم‌های تخت عموماً رفتار غیرخطی دارند بااین‌حال، با کمی انحنا به دیافراگم، خطی‌بودن را می‌توان به طور قابل‌توجهی بهبود بخشید.
سطح مقطع این انحنا، چه سینوسی، چه دندانه‌ای یا ذوزنقه‌ای، تأثیر کمی بر جابه‌جایی و خطی‌بودن دارد. فرمول محاسبه انحراف دیافراگم‌های انحنادار با افزودن ضریب کاهش kred به فرمول دیافراگم‌های تخت به‌سادگی محاسبه می‌شود. ضریب kred تأثیر تعداد پیچش‌ها و عمق آن‌ها را مشخص می‌کند.
محدودیت بار (over pressure)
مانند تمام اجزای بارگذاری شده، حداکثر محدودیت بار دینامیکی یک دیافراگم نباید از حد مجاز، تجاوز کند. فاکتورهای اساسی که در مورد لوله‌های بوردون اعمال می‌شود در مورد دیافراگم‌ها نیز صدق می‌کند. بهترین راه برای تعیین محل حداکثر تنش در دیافراگم تحت‌فشار، استفاده از نمودار FEM (مدل المان محدود) است. لازم به ذکر است که کمترین تنش‌ها در مرکز دیافراگم و بیشترین تنش‌ها در بیرونی‌ترین پیچش رخ می‌دهد.
بر خلاف گیج لوله بوردون، مشخصه دمایی یک دیافراگم کمتر به مدول الاستیسیته و بیشتر به اثرات محیطی وابسته است. این اثرات نظیر تغییر دما باعث خطایی حتی در فشار صفر می‌شود که می‌تواند بیش از دوبرابر خطای لوله‌های بوردون باشد. بااین‌حال، مقاومت بالای دیافراگم‌ها حتی در فشارهای پایین یک مزیت مهم محسوب می‌شود.
دیافراگم ابزارهای تحت‌فشار عموماً از فولادهای آلیاژی بالا مانند فولاد ضدزنگ 316 ساخته می‌شود. در صورتی که از مواد دیگر استفاده شود، از پوشش‌های انعطاف‌پذیر برای محافظت از دیافراگم در برابر سیال خورنده استفاده می‌شود.
جلوگیری از تغییر شکل دیافراگم‌ها در برابر فشار بیش از حد، راحت‌تر از گیج‌های لوله بوردون است. متداول‌ترین روش محافظت، استفاده از یک بستر دیافراگمی با شکل خاص در هوزینگ (محفظه) بالایی است که از تغییر شکل دیافراگم جلوگیری می‌کند. این بستر را می‌توان با ماشین‌کاری یا رزین در محفظه بالایی ایجاد کرد. در حال حاضر به‌جای دیافراگم‌های هیدرولیکی از بستر دیافراگمی برای محافظت در برابر فشار بیش از حد استفاده می‌شود.
دیافراگم هیدرولیکی
دیافراگم‌های هیدرولیکی که در شکل زیر نمونه‌ای از آن‌ها نشان‌داده‌شده است، می‌توانند از دیافراگم‌ها در برابر بار اضافی تا 100 برابر محدوده فشار محافظت کنند.
در این نوع، بستر از یک مایع و دو دیافراگم مجزا تشکیل شده است که به طور ایمن به هم متصل شده‌اند. فشار اندازه‌گیری شده (2) روی دیافراگم پایینی (1) اثر می‌گذارد و باعث انحراف دیافراگم می‌شود. محفظه (3) بین دو دیافراگم با یک مایع انتقال دهنده پر می‌شود. هر دو دیافراگم به طور ایمن در مرکز خود توسط یک میله (4) به هم متصل شده‌اند. اگر فشار بیش از حد رخ دهد، آب‌بند روی میله کوپلینگ بسته می‌شود و از جریان مایع انتقال دهنده جلوگیری می‌کند. از آنجایی که مایع انتقال دهنده تراکم ناپذیر است، دیافراگم پایینی مقاومت می‌کند و تغییر شکل نمی‌دهد. در نهایت این حرکت توسط میله (5) به نشانگر منتقل می‌شود.
در مقایسه با گیج‌های لوله بوردون، جابه‌جایی عنصر اندازه‌گیری بسیار کم است. به همین دلیل، کیفیت و تحمل این ماده ارتجاعی باید دارای مشخصات بسیار دقیقی باشد. مشخصه اندازه‌گیری دیافراگم تا حد زیادی به نوع آب‌بند بستگی دارد.
برای فشارهای بسیار کم، دیافراگم‌ها بسیار نازک هستند که پایداری آن‌ها را کاهش می‌دهد و تولید آن‌ها را دشوار می‌کند. بنابراین، گیج‌های کپسولی به‌عنوان عناصر اندازه‌گیری برای فشارهای بسیار کم ترجیح داده می‌شوند.
جمع‌بندی
در طول این مطلب با عناصر سازنده یک گیج دیافراگمی ویکا آشنا شدیم. ساختار عناصر و نحوه کارکرد و مکانیزم اندازه‌گیری آن تشریح شد. یک گیج دیافراگمی از عناصری نظیر هوزینگ، دیافراگم، اورینگ، مهره و… تشکیل می‌شود. اشاره شد که اگر سیال فرآیندی خورنده باشد بهتر است مواد سازنده از فولاد ضدزنگ انتخاب شوند. معادلاتی برای محاسبات انحراف دیافراگم‌های تخت و انحنادار ارائه شد و مشخص شد که مقدار انحراف یک دیافراگم به شعاع و ضخامت آن بستگی دارد. در انتها ملاحظاتی دررابطه‌با فشار بیش از حد ذکر شد و از انواع راه‌های جلوگیری از تغییر شکل آن، اجزا و مکانیزم یک دیافراگم هیدرولیکی توضیح داده شد.
