فعالیت های کلاس دهم تصویر سازی مدرسه شهید فهمیده+برنامه امتحانات هنرستان شهید فهمیده انواع فشار سنجها- بخش سوم اندازه گيري فشار
اندازه گيري فشار - بخش سوم(انواع فشار سنجها)
براي مطالعه بخش اول و دوم مطلب به اين لينك ها (اندازه گيري فشار و واحدهاي اندازه گيري فشار) مراجعه كنيد:
وسايل اندازه گيري فشار
وسايل بسياري با مزايا و معايب خاص خود براي اندازه‌گيري فشار اختراع شده است كه با توجه به گستره اندازه‌گيري ، حساسيت ، پاسخ ديناميکي و هزينه ، طراحي و مشخصات فني اين وسايل با هم فرق مي‌کند .
قديمي ترين وسيله اندازه‌گيري فشار مانومتر ستون مايع است ( يک لوله عمودي که با جيوه پر شده است ) كه توسط توريچلي در ۱۶۴۳ميلادي اختراع شد . همچنين مانومتر ستون مايع U شکل نيز توسط کريستان هويگنس در سال ۱۶۶۱ ميلادي اختراع گرديد .
انواع وسايل اندازه‌گيري فشار عبارتند از :
هيدرواستاتيکي
پيستوني
ستون مايع
آنرويد[1] (مكانيكي)
هدايت حرارتي
يونيزاسيون
فشار سنجهاي هيدرواستاتيکي :
فشارسنجهاي هيدرواستاتيکي ( مانند مانومتر ستون مايع ) فشار را با نيروي هيدرواستاتيکي که بر واحد سطح در پائيني‌ترين موقعيت ستون سيالي که درون لوله ( مانومتر ستون مايع ) قرار دارد مقايسه مي‌کند . اندازه‌گيري فشار به روش هيدرواستاتيکي مستقل از نوع گازي است که اندازه‌گيري ميشود و بنابراين طراحي آن ميتواند بگونه اي باشد كه بطور خطي عمل نمايد و منخني کاليبراسيون آن بسيار خطي باشد . عليرغم اين مزيت ، اين قبيل وسايل پاسخ ديناميکي ضعيفي دارند .
فشار سنجهاي پيستوني:
فشارسنجهاي نوع پيستوني ،براساس ايجاد توازن بين فشار يک سيال با جرم يک جسم جامد ( مثل وزنه ) يا نيروي کشش فنر کار مي‌کند . نام ديگر اين نوع فشارسنجها آزمونگر بارراكد[2] است . معمولاً آزمونگرهاي بارراكد از درستي بالايي برخوردار بوده و بعنوان وسيله استاندارد مرجع براي کاليبراسيون ساير وسايل اندازه‌گيري فشار بکار مي‌رود .
يك نمونه آزمونگر بار راكد ساخت شركت بودنبرگ آلمان
فشار سنجهاي ستون مايع :
فشارسنجهاي ستون مايع از يک ستون عمودي مايع تشکيل شده که در درون يک لوله که دو انتهاي آن در معرض دو فشار مختلف هستند قرار دارد . ستون مايع تا زمانيکه وزنش در تعادل با اختلاف فشار بين دو انتهاي لوله بشود ، بالا يا پايين مي‌رود تا تثبيت شود. شکل ساده اين نوع مازومترها U شکل است که نصف آن از مايع پرشده است و يک طرف آن به فشار تحت اندازه‌گيري و طرف ديگر آن به يک فشار مرجع ( مثلاً فشار اتمسفر يا خلاء ) وصل ميشود . اختلاف سطح مايع در دو طرف لوله U شکل ، معياري براي بيان فشار اعمالي به وسيله ميباشد. فشار اعمالي بوسيله ستون مايع به ارتفاع h و چگالي ρ از معاادله فشار هيدرواستاتيکي P= ρgh بدست مي‌آيد . بنابراين اختلاف فشار بين فشار اعمالي Pa و فشار مربع P0 در لوله U شکل مانومتر ، را مي‌توان از رابطه زير حساب کرد :
Pa-P0= ρgh
با اينکه در اين مانومتر مي‌توان از هر نوع سيالي استفاده کرد ولي استفاده از جيوه بخاطر چگالي بالاي آن ( 13.534g/cm2 ) و فشار بخار پايين ترجيح داده ميشود .
براي اختلاف فشارهاي کم و بيشتر از فشار بخار آب ، معمولاً از آب معمولي بعنوان سيال درون مانومتر استفاده مي‌کنند و واحد اندازه‌گيري متداول آن اينچ آب است . عليرغم اينکه اين نوع مانومتر مستقل از نوع گازي هستند که فشار آنها مي‌خواهد اندازه‌گيري شود و همچنين بسيار خطي عمل مي‌کنند ولي پاسخ ديناميكي ضعيفي دارند. در اندازه‌گيري خلاء ، اگر سيال مايع مورد استفاده داراي فشار بخار خيلي بالا باشد ممکن است بخار شده و محيط خلاء راآلوده کند .
وقتي که از اين نوع وسايل براي اندازه‌گيري فشار مايعات استفاده ميشود ، يک حلقه پر شده از گاز يا يک سيال سبک بايستي بعنوان ايزوله کننده سيال درون مانومتر و مايع تحت اندازه‌گيري استفاده شود تا از مخلوط شدن آنها جلوگيري كند .
فشارسنجهاي هيدرواستاتيکي ساده مي‌توانند فشار کم از 100Paتا چند اتمسفر ( تقريباً 1,000,000 Pa ) را اندازه‌گيري کنند .
شماتيكي از فشار سنج U شكل ستون مايع
فشار سنجهاي آنرويدي( فشار سنجهاي مكانيكي):
فشارسنجهاي آنرويدي براساس خاصيت الاستيكي جزء حسگر فشار که فلزي است کار مي‌کند . در اين وسيله هيچگونه سيالي ( مانند مايع در مانومترهاي هيدرواستاتيکي ) استفاده نمي‌شود لذا به آن آنرويد ( يعني بدون سيال ) مي‌گويند . فشارسنجهاي آنرويدي را فشارسنجهاي مکانيکي نيز مي‌نامند.فشار سنجهاي بوردوني[3] و ديافراگمي از دسته فشار سنجهاي آنرويدي محسوب ميشوند.
اين فشارسنجها مي‌توانند فشار مايعات و گازها را اندازه‌گيري کنند ولي به نوع گازي که فشار آن را اندازه مي‌گيرند وابستگي نداشته و برخلاف مانومترهاي هيدرواستاتيکي منجر به آلودگي سيستم تحت اندازه‌گيري نمي‌شوند .
جزء حسگر اين وسايل ميتواند لوله بوردون ، يک ديافراگم ، يک کپسول يا مجموعه‌اي از شش ها[4] باشد که در پاسخ به فشار تحت اندازه‌گيري شکل آن تغيير مي‌کند . مقدار تغيير شکل جزء حسگر براثر فشار را مي‌توان توسط يک عقربه که با مکانيزم متحرک به جزء حسگر وصل شده است يا توسط يک مبدل ثانويه مورد قرائت قرار دارد.
در سيستم‌هاي مدرن سنجش خلاء ، معمولاً مبدل ثانويه يک خازن متغيير است که با تغيير شکل مکانيکي ، ظرفيت آن تغيير مي‌کند .به فشارسنجهاي که با تغيير خازن فشار را نشان مي‌دهند ، فشارسنجهاي باراتون[5] مي‌گويند .
فشارسنجهاي بوردون
فشارسنجهاي بوردوني براساس اين اصل کار مي‌کنند که اگر يک لوله تخت تحت فشار تمايل دارد به سطح مقطعي دايره‌اي تغيير شکل پيدا کند . اگر لوله به صورت شکل C يا مارپيچ[6] باشد، با اعمال فشار و افزايش كشش[7] ، کل لوله تمايل به راست شدن شکل خود يا باز شدن مارپيچها پيدا مي‌کند و از اين تمايل در تغيير شکل مي‌توان براي اندازه‌گيري فشار استفاده کرد . در سال 1849 ميلادي اين اختراع به نام ايگنه بوردن[8] در فرانسه ثبت و به دليل حساسيت عالي ، عملکرد خطي و درستي آن بطور گسترده‌اي در حاضر از آن در اندازه‌گيري فشار استفاده ميشود . در 1852 ميلادي اشکرافت [9]حق ثبت اختراع بوردن را در آمريکا خريداري کرد و به بزرگترين سازنده فشارسنج تبديل شد . همچنين در 1849 ميلادي برنادر شائفر[10] در ماگدبرگ آلمان فشارسنج ديافراگمي را با موفقيت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنجهاي بوردني انقلابي در اندازه گيري فشار درصنعت بوجود آورد . اما در 1875 ميلادي پس از اينکه ثبت اختراع بوردن به پايان رسيد، شرکت شائفر و بودنبرگ[11] نيز فشارسنجهاي بوردني را توليد کرد .
نماي داخلي يك فشار سنج بوردوني
در عمل اندازه‌گيري فشار در فشار سنجهاي بوردوني، از طريق يک لوله ته بسته با ديواره نازک که در انتهاي باز آن به يک لوله حاوي سيال که فشار آن تحت اندازه‌گيري است بصورت ثابت شده وصل ميشود انجام ميگيرد . هر چه فشار بيشتر شود ، قسمت ته بسته لوله بصورت يک قوس (کمان ) حرکت مي‌کند و اين حرکت از طريق يک پيوندارتباطي به چرخش چرخ دنده‌اي منجر ميشود و معمولاً اين مکانيزم متحرک قابل تنظيم است .
يک چرخ دنده با قطر کوچک[12] نيز که بر روي محور عقربه [13]قرار دارد ، باعث ميشود حرکت مکانيزم متحرک به نسبت تعداد دنده‌هاي دو چرخ دنده درگير تقويت شود . براي اينکه اين مکانيزم بتواند از طريق تنظيم و کاليبراسيون ، فشار را بدرستي نمايش دهد نياز به تنظيم درست صفحه مدرج که پشت عقربه قرار ميگيرد ، تنظيم موقعيت قرارگيري محور عقربه و تنظيم طول پيوند ارتباطي ميباشد.
براي اندازه‌گيري اختلاف فشار نيز مي‌توان از فشار سنجي که داراي دو لوله بوردون مختلف که بطور مناسبي با هم ارتباط دارند استفاده کرد .
فشارسنجهاي بوردني فشارسنجش يعني فشار نسبت به فشار اتمسفر را اندازه مي‌گيرند که با فشار مطلق که نسبت به خلاء سنجيده ميشود متفاوت است .
معمولاً هنگاميکه فشار تحت اندازه گيري بصورت پالسهاي سريع تغيير مي‌کند ، از يک قطعه مکانيکي با يک سوراخ محدود کننده[14] که درون لوله ارتباطي بين فشار تحت اندازه‌گيري و فشارسنج بوردني قرار مي‌دهند استفاده مي‌کنند تا از صدمه ديدن و استهلاک چرخ دنده‌هاي فشارسنج جلوگيري کنند و همزمان قرائتي از ميانگين فشار را در اختيار بگذارند .
همچنين هنگاميکه کل فشارسنج در معرض ارتعاشات مکانيکي باشد ، تمامي اجزاء دروني فشارسنج شامل عقربه و مکانيزم متحرک را با روغن يا گليسيرين پر مي‌کنند . بطورنوعي فشارسنجهاي با کيفيت بالا درستي تا 2 درصد دامنه اندازه‌گيري[15]
و فشارسنجهاي مخصوص درستي تا0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه‌گيري[16] را مي‌توانند برقرار کنند .
فشارسنجهاي ديافراگمي
نوع دوم از فشارسنجهاي آنرويدي ( مکانيکي ) به فشارسنجهاي ديافراگمي معروف است که از خاصيت انحراف و جابجايي يک غشاي انعطاف‌پذيري[17] که دو منطقه با فشارهاي مختلف را از هم جدا مي‌کند براي اندازه‌گيري فشار استفاده مي‌کند .
تغيير شکل يک ديافراگم نازک بستگي به اختلاف فشار بين دو طرف آن دارد . يکي از اين طرفها طرف مرجع و طرف ديگر طرفي است که با فشار تحت اندازه‌گيري در ارتباط است . طرف مرجع مي‌تواندبه فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه‌گيري شود ، يا به فشار نقطه‌اي ديگر از فرآيند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه‌گيري کند يا ميتواند پس از خلاء بسته شود يا به فشار مرجعي ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگيرد . ميزان تغيير شکل ديافراگم را مي‌توان به روشهاي مکانيکي ، نوري يا خازني اندازه‌گيري کرد . معمولاً ديافراگم بصورت فلزي يا سراميکي ساخته ميشوند و گستره مفيد اندازه‌گيري آنها از 1Pa يا 0.01torr به بالاست .
يك نمونه فشار سنج ديافراگمي
فشار سنج الكترونيكي :
برخي انواع فشار سنجها ي الكترونيكي كه در كاربردهاي صنعتي بكار گرفته ميشوند عبارتند از :
فشار سنج پيزو مقاومتي[18] : فشار مكانيكي اعمال شده منجر به تغيير مقاومت يك نيمه هادي شده و فشار اعمال شده اندازه گيري ميشود
فشار سنج خازني : با استفاده از ديافراگم و ايجاد يك خازن متغير فشار اعمالي را اندازه ميگيرد
فشار سنج مغناطيسي: ميزان جابجايي ديافراگم منجر به تغيير در اندوكتانس (خاصيت سلفي) ،[19]LVDT ، اثر هال[20] يا جريان ادي[21] شده و فشار اندازه گيري ميشود . LVDT نوعي مبدل الكتريكي (حاوي چندين سيم پيچه سلونوئيدي) است كه براي اندازه گيري جابجاييهاي خطي بكار گرفته ميشود
فشار سنج پيزو الكتريك: از اثر پيزو الكتريك( تغيير ولتاژ خروجي يك ساختار كريستالي در اثر اعمال فشار مكانيكي ) در برخي مواد خاص مانند كريستال كوارتز براي اندازه گيري فشار استفاده ميشود
فشار سنج نوري: از تغييرات فيزيكي بعمل امده برروي فيبر نوري براثر اعمال فشار براي اندازه گيري فشار استفاده ميشود
فشار سنج پتانسيومتري: از حركت يك لغزنده برروي يك مكانيزم مقاومتي كه بطور متناسب با فشار اعمالي به لغزنده بوجود مي آيدومنجر به تغيير مقاومت ميشود، فشار اندازه گيري ميشود
فشار سنج تشديدي[22]: از تغيير فركانس نوسان در يك مكانيزم حس كننده فشار براي اندازه گيري فشار استفاده ميشود
فشار سنج هدايت حرارتي[23]:
در گازهاي واقعي هر چه چگالي گاز ( مثلاً بر اثر افزايش فشار ) بيشتر شود ، توانايي آن در هدايت حرارت افزايش پيدا مي‌کند. لذا از اين خاصيت گازها براي اندازه‌گيري فشار استفاده ميشود . در اين فشارسنجها يک سيستم فيلامان با جريان الکتريکي گرم ميشود سپس دماي فيلامان با يک دماسنج مقاومتي (RTD) اندازه‌گيري ميشود . اين دماي اندازه‌گيري شده به ميزان از دست دادن حرارت فيلامان به محيط گاز اطراف خود يا همان هدايت حرارتي گاز بستگي دارد . اين نوع دماسنجها به دو نوع دو سيمه و يك سيمه تقسيم ميشوند. نوع دو سيمه اين فشارسنجها ، از يک سيم پيچ بعنوان گرم کننده و از سيم ديگر که نزديکي فيلامان گرم کننده قرار دارد براي اندازه‌گيري دما استفاده مي‌کنند . اين سيم‌ها معمولاً از پلاتين هستند .
مدار شماتيك فشار سنج پيراني دو سيمه
نوع يک سيمه اين فشارسنجها که به فشارسنج پيراني[24] معروف است از يک سيم پلاتين که در معرض فشار تحت اندازه‌گيري است تشکيل شده است. سيم توسط يک جريان الکتريکي گرم شده و توسط گاز اطراف آن خنک ميشود . اگر فشار گاز کم شود ( مثلاً با افزايش مقدار خلاء ) ، اثر خنک کنندگي کاهش پيدا مي‌کند و بنابراين دماي تعادل سيم افزايش پيدا مي‌کند و در نتيجه مقاومت سيم که تابعي از دماي آن است تغيير کرده و با اندازه‌گيري ولتاژ دو سر آن که در اثر عبور جريان مناسب گرم کننده ايجاد ميشود ، مي‌توان فشار تحت اندازه‌گيري را تعيين کرد . اين نوع فشارسنج كه توسط مارچلو پيراني اختراع گرديد در گستره 10 torr تا 10-3 torr ( محدوده خلاء ) از درستي خوبي برخوردار است و معمولاً براي اندازه‌گيري خلاء استفاده مي‌شد .
ساختار داخلي خلا سنج پيراني
فشارسنج يونيزاسيون[25]
اين فشارسنجها ، فشارسنجهاي حساسي هستند و براي اندازه‌گيري فشارهاي خيلي کم ( خلاء شديد ) استفاده ميشوند . آنها فشار را بطور غيرمستقيم و از طريق يونهاي الکتريکي ايجاد شده در اثر بمباران الکتروني گاز اندازه مي‌گيرند . هر چه چگالي گاز کمتر باشد ، يونهاي کمتري ايجاد ميشوند . گاز ميتواند هواي معمولي درون يك محفظه كه فشار آن تحت اندازه گيري است و توسط يك پمپ در حال خلاء است باشد.
براي ايجاد الکترونها از پديده ترمويونيک که در کاتدهاي داغ يا کاتدهاي سرد بوجود مي‌آيد استفاده مي‌کنند . اين الکترونها با اتمهاي گاز برخورد کرده و يونهاي مثبت بوجود مي‌آورند . اين يونها توسط يک الکترود جمع کننده [26] که به ولتاژ مناسبي متصل است جذب ميشوند .
جريان ايجاد شده در اين الکترود جمع کننده ، متناسب با ميزان يونيزاسيون گازي است که فشار آن تحت اندازه‌گيري ميباشد. بنابراين اندازه‌گيري جريان الکترود جمع کننده ، فشارگاز را ميتواند تعيين کند . گستره کاري اين فشارسنجها از 10-3 torr تا 10-10 torr (Pa 10-1 تاPa 10-8 پاسکال ) است .
در مدلهاي کاتد داغ ، فيلامانهاي داغ شده ، اشعه الکتروني را بوجود مي‌آورند اين الکترونها طول فشارسنج را طي کرده و مولکولهاي گاز حول خود را يونيزه مي‌کنند . يونهاي ايجاد شده توسط يک الکترود با قطب منفي جمع‌آوري شده و ايجاد جرياني مي‌کند که متناسب با تعداد يونهاي ايجاد شده و در نتيجه متناسب با فشار تحت اندازه‌گيري است .
اصول كار مدل کاتد سرد نيز مشابه کاتد داغ است ، بجز اينکه الکترونها در اثر تخليه الکتريکي ناشي از ولتاژ بالا بوجود مي‌آيند . گستره اندازه‌گيري مدل کاتد داغ معمولاً 10-3 torr تا 10-10torr و کاتد سرد 10-2 torr تا 10-9 torr ( 10 برابر کمتر از کاتد داغ ) است .
يك نمونه فشار سنج يونيزاسيون كاتد داغ
[1] Aneroid
[2] Dead Weight Tester
11Bourdon Gauge
[4] Bellows
[5] Baraton
[6] Helix
[7] Strain
[8] Eugene Bourdon
[9] Ashcroft
[10] Bernard Shaeffer
[11] Budenberg
[12] Pinion gear
[13] Pointer
[14] Orifice
[15] ± 2% Span
[16] ± 0.1% F.S
[17] Membrane
[18] Piezoresistive
[19]LVDT:Linear Variable Differential Transformer
[20] Hall Effect
[21] Eddy Current
[22] Resonant
[23] Thermal Conductivity
[24] Pirani
[25] Ionization Pressure Gauge
[26] Collector
پرینتر استوک
ساخت ردیاب خوراکی ساخت ردیاب میله ای
آموزش ساخت ردیاب خوراک خور ساده