فشار سنج3

اندازه گیری فشار - بخش سوم(انواع فشار سنجها)

وسایل اندازه گیری فشار

وسایل بسیاری با مزایا و معایب خاص خود برای اندازه‌گیری فشار اختراع شده است که با توجه به گستره اندازه‌گیری ، حساسیت ، پاسخ دینامیکی و هزینه ، طراحی و مشخصات فنی این وسایل با هم فرق می‌کند .

قدیمی ترین وسیله اندازه‌گیری فشار مانومتر ستون مایع است ( یک لوله عمودی که با جیوه پر شده است ) که توسط توریچلی در ۱۶۴۳میلادی اختراع شد . همچنین مانومتر ستون مایع U شکل نیز توسط کریستان هویگنس در سال ۱۶۶۱ میلادی اختراع گردید .

انواع وسایل اندازه‌گیری فشار عبارتند از :

• هیدرواستاتیکی
• پیستونی
• ستون مایع
• آنروید[1] (مکانیکی)
• هدایت حرارتی
• یونیزاسیون

 

فشار سنجهای هیدرواستاتیکی :

فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ( مانند مانومتر ستون مایع ) فشار را با نیروی هیدرواستاتیکی که بر واحد سطح در پائینی‌ترین موقعیت ستون سیالی که درون لوله ( مانومتر ستون مایع ) قرار دارد مقایسه می‌کند . اندازه‌گیری فشار به روش هیدرواستاتیکی مستقل از نوع گازی است که اندازه‌گیری می‌شود و بنابراین طراحی آن می‌تواند بگونه ای باشد که بطور خطی عمل نماید و منخنی کالیبراسیون آن بسیار خطی باشد . علیرغم این مزیت ، این قبیل وسایل پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند .

 

فشار سنجهای پیستونی:

فشارسنجهای نوع پیستونی ،براساس ایجاد توازن بین فشار یک سیال با جرم یک جسم جامد ( مثل وزنه ) یا نیروی کشش فنر کار می‌کند . نام دیگر این نوع فشارسنجها آزمونگر بارراکد[2] است . معمولاً آزمونگرهای بارراکد از درستی بالایی برخوردار بوده و بعنوان وسیله استاندارد مرجع برای کالیبراسیون سایر وسایل اندازه‌گیری فشار بکار می‌رود .

 

  فشار سنجهای ستون مایع :

فشارسنجهای ستون مایع از یک ستون عمودی مایع تشکیل شده که در درون یک لوله که دو انتهای آن در معرض دو فشار مختلف هستند قرار دارد . ستون مایع تا زمانیکه وزنش در تعادل با اختلاف فشار بین دو انتهای لوله بشود ، بالا یا پایین می‌رود تا تثبیت شود. شکل ساده این نوع مازومترها U شکل است که نصف آن از مایع پرشده است و یک طرف آن به فشار تحت اندازه‌گیری و طرف دیگر آن به یک فشار مرجع ( مثلاً فشار اتمسفر یا خلاء ) وصل می‌شود . اختلاف سطح مایع در دو طرف لوله U شکل ، معیاری برای بیان  فشار اعمالی به وسیله میباشد. فشار اعمالی بوسیله ستون مایع به ارتفاع h و چگالی   ρ از معاادله فشار هیدرواستاتیکی P= ρgh بدست می‌آید . بنابراین اختلاف فشار بین فشار اعمالی P_a و فشار مربع P₀ در لوله U شکل مانومتر ، را می‌توان از رابطه زیر حساب کرد :

P_a-P₀= ρgh

با اینکه در این مانومتر می‌توان از هر نوع سیالی استفاده کرد ولی استفاده از جیوه بخاطر چگالی بالای آن (  13.534g/cm²  ) و فشار بخار پایین ترجیح داده می‌شود .

برای اختلاف فشارهای کم و بیشتر از فشار بخار آب ، معمولاً از آب معمولی بعنوان سیال درون مانومتر استفاده می‌کنند و واحد اندازه‌گیری متداول آن اینچ آب است . علیرغم اینکه این نوع مانومتر مستقل از نوع گازی هستند که فشار آنها می‌خواهد اندازه‌گیری شود و همچنین بسیار خطی عمل می‌کنند ولی پاسخ دینامیکی ضعیفی دارند. در اندازه‌گیری خلاء ، اگر سیال مایع مورد استفاده دارای فشار بخار خیلی بالا باشد ممکن است بخار شده و محیط خلاء راآلوده کند .

وقتی که از این نوع وسایل برای اندازه‌گیری فشار  مایعات استفاده می‌شود ، یک حلقه پر شده از گاز یا یک سیال سبک بایستی بعنوان ایزوله کننده سیال درون مانومتر و مایع تحت اندازه‌گیری استفاده شود تا از مخلوط شدن آنها جلوگیری کند .

فشارسنجهای هیدرواستاتیکی ساده می‌توانند فشار کم از 100Paتا چند اتمسفر ( تقریباً 1,000,000 Pa ) را اندازه‌گیری کنند .

 

 

فشار سنجهای آنرویدی( فشار سنجهای مکانیکی):

 فشارسنجهای آنرویدی براساس خاصیت الاستیکی جزء حسگر فشار که فلزی است کار می‌کند . در این وسیله هیچگونه سیالی ( مانند مایع در مانومترهای هیدرواستاتیکی ) استفاده نمی‌شود لذا به آن آنروید ( یعنی بدون سیال ) می‌گویند . فشارسنجهای آنرویدی را فشارسنجهای مکانیکی نیز می‌نامند.فشار سنجهای بوردونی[3] و دیافراگمی از دسته فشار سنجهای آنرویدی محسوب میشوند.

این فشارسنجها می‌توانند فشار مایعات و گازها را اندازه‌گیری کنند ولی به نوع گازی که فشار آن را اندازه می‌گیرند وابستگی نداشته و برخلاف مانومترهای هیدرواستاتیکی منجر به آلودگی سیستم تحت اندازه‌گیری نمی‌شوند .

جزء حسگر این وسایل می‌تواند لوله بوردون ، یک دیافراگم ، یک کپسول یا مجموعه‌ای از شش ها[4] باشد که در پاسخ به فشار تحت اندازه‌گیری شکل آن تغییر می‌کند . مقدار تغییر شکل جزء حسگر براثر فشار را می‌توان توسط یک عقربه که با مکانیزم متحرک به جزء حسگر وصل شده است یا توسط یک مبدل ثانویه مورد قرائت قرار دارد.

در سیستم‌های مدرن سنجش خلاء ، معمولاً مبدل ثانویه یک خازن متغییر است که با تغییر شکل مکانیکی ، ظرفیت آن تغییر می‌کند .به فشارسنجهای که با تغییر خازن فشار را نشان می‌دهند ، فشارسنجهای باراتون[5] می‌گویند .

  

فشارسنجهای بوردون

فشارسنجهای بوردونی براساس این اصل کار می‌کنند که اگر یک لوله تخت تحت فشار تمایل دارد به سطح مقطعی دایره‌ای تغییر شکل پیدا کند . اگر لوله به صورت شکل C یا مارپیچ[6] باشد،  با اعمال فشار و افزایش کشش[7] ، کل لوله تمایل به راست شدن شکل خود یا باز شدن مارپیچها پیدا می‌کند و از این تمایل در تغییر شکل می‌توان برای اندازه‌گیری فشار استفاده کرد . در سال 1849 میلادی این  اختراع به نام ایگنه بوردن[8] در فرانسه ثبت و به دلیل حساسیت عالی ، عملکرد خطی و درستی آن بطور گسترده‌ای در حاضر از آن در اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود . در 1852 میلادی اشکرافت [9]حق ثبت اختراع بوردن را در آمریکا خریداری کرد و به بزرگترین سازنده فشارسنج تبدیل شد . همچنین در 1849 میلادی برنادر شائفر[10] در ماگدبرگ آلمان فشارسنج دیافراگمی را با موفقیت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنجهای بوردنی انقلابی در اندازه گیری فشار درصنعت  بوجود آورد . اما در 1875 میلادی پس از اینکه ثبت اختراع بوردن به پایان رسید، شرکت شائفر و بودنبرگ[11] نیز فشارسنجهای بوردنی را تولید کرد .

در عمل اندازه‌گیری فشار در فشار سنجهای بوردونی،  از طریق یک لوله ته بسته با دیواره نازک که در انتهای باز آن به یک لوله حاوی سیال که فشار آن تحت اندازه‌گیری است  بصورت ثابت شده وصل می‌شود انجام می‌گیرد . هر چه فشار بیشتر شود ، قسمت ته بسته لوله بصورت یک قوس (کمان ) حرکت می‌کند و این حرکت از طریق یک پیوندارتباطی به چرخش چرخ دنده‌ای منجر می‌شود و معمولاً این مکانیزم متحرک قابل تنظیم است .

یک چرخ دنده با قطر کوچک[12] نیز که بر روی محور عقربه [13]قرار دارد ، باعث می‌شود حرکت مکانیزم متحرک به نسبت تعداد دنده‌های دو چرخ دنده درگیر تقویت شود . برای اینکه این مکانیزم بتواند از طریق تنظیم و کالیبراسیون ،  فشار را بدرستی نمایش دهد نیاز به تنظیم درست صفحه مدرج که پشت عقربه قرار می‌گیرد ، تنظیم موقعیت قرارگیری محور عقربه و تنظیم طول پیوند ارتباطی میباشد.

برای اندازه‌گیری اختلاف فشار نیز می‌توان از فشار سنجی که دارای دو لوله بوردون مختلف که بطور مناسبی با هم ارتباط دارند استفاده کرد .

فشارسنجهای بوردنی فشارسنجش یعنی فشار نسبت به فشار اتمسفر را اندازه می‌گیرند که با فشار مطلق که نسبت به خلاء سنجیده می‌شود متفاوت است .

معمولاً هنگامیکه فشار تحت اندازه گیری بصورت پالسهای سریع تغییر می‌کند ، از یک قطعه مکانیکی با یک سوراخ محدود کننده[14] که درون لوله ارتباطی بین فشار تحت اندازه‌گیری و فشارسنج بوردنی قرار می‌دهند استفاده می‌کنند تا از صدمه دیدن و استهلاک چرخ دنده‌های فشارسنج جلوگیری کنند و همزمان قرائتی از میانگین فشار را در اختیار بگذارند .

همچنین هنگامیکه کل فشارسنج در معرض ارتعاشات مکانیکی باشد ، تمامی اجزاء درونی فشارسنج شامل عقربه و مکانیزم متحرک را با روغن یا گلیسیرین پر می‌کنند . بطورنوعی فشارسنجهای با کیفیت بالا درستی تا 2 درصد دامنه اندازه‌گیری[15]
و فشارسنجهای مخصوص درستی تا0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه‌گیری[16] را می‌توانند برقرار کنند .

 

فشارسنجهای دیافراگمی

نوع دوم از فشارسنجهای آنرویدی ( مکانیکی ) به فشارسنجهای دیافراگمی معروف است که از خاصیت انحراف و جابجایی یک غشای انعطاف‌پذیری[17] که دو منطقه با فشارهای مختلف را از هم جدا می‌کند برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کند .

تغییر شکل یک دیافراگم نازک بستگی به اختلاف فشار بین دو طرف آن دارد . یکی از این طرفها طرف مرجع و طرف دیگر طرفی است که با فشار تحت اندازه‌گیری در ارتباط است . طرف مرجع می‌تواندبه فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه‌گیری شود ، یا به فشار نقطه‌ای دیگر از فرآیند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه‌گیری کند یا می‌تواند پس از خلاء بسته شود یا به فشار مرجعی ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگیرد . میزان تغییر شکل دیافراگم را می‌توان به روشهای مکانیکی ، نوری یا خازنی اندازه‌گیری کرد . معمولاً دیافراگم بصورت فلزی یا سرامیکی ساخته می‌شوند و گستره مفید اندازه‌گیری آنها از 1Pa یا 0.01torr به بالاست .

 

فشار سنج الکترونیکی :

برخی انواع فشار سنجها ی الکترونیکی که در کاربردهای صنعتی بکار گرفته میشوند  عبارتند از :

• فشار سنج پیزو مقاومتی[18] : فشار مکانیکی اعمال شده منجر به تغییر مقاومت یک نیمه هادی شده و  فشار اعمال شده اندازه گیری میشود
• فشار سنج خازنی : با استفاده از دیافراگم و ایجاد یک خازن متغیر  فشار اعمالی را اندازه میگیرد
• فشار سنج مغناطیسی: میزان جابجایی دیافراگم منجر به تغییر در اندوکتانس (خاصیت سلفی) ،[19]LVDT ، اثر هال[20] یا جریان ادی[21] شده و فشار اندازه گیری میشود . LVDT نوعی مبدل الکتریکی (حاوی چندین سیم پیچه سلونوئیدی) است که برای اندازه گیری جابجاییهای خطی بکار گرفته میشود
• فشار سنج پیزو الکتریک: از اثر پیزو الکتریک( تغییر  ولتاژ خروجی  یک ساختار کریستالی در اثر اعمال فشار مکانیکی ) در برخی مواد خاص مانند کریستال کوارتز برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
• فشار سنج نوری: از تغییرات فیزیکی بعمل امده برروی فیبر نوری براثر اعمال فشار برای اندازه گیری فشار استفاده میشود
• فشار سنج پتانسیومتری: از حرکت یک لغزنده برروی یک مکانیزم مقاومتی که بطور متناسب با فشار اعمالی به لغزنده بوجود می آیدومنجر به تغییر مقاومت میشود، فشار اندازه گیری میشود
•  فشار سنج تشدیدی[22]: از تغییر فرکانس نوسان در یک مکانیزم حس کننده فشار  برای اندازه گیری فشار استفاده میشود

 

فشار سنج هدایت حرارتی[23]:

در گازهای واقعی هر چه چگالی گاز ( مثلاً بر اثر افزایش فشار ) بیشتر شود ، توانایی آن در هدایت حرارت افزایش پیدا می‌کند. لذا از این خاصیت گازها برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود . در این فشارسنجها یک سیستم فیلامان با جریان الکتریکی گرم می‌شود سپس دمای فیلامان با یک دماسنج مقاومتی (RTD) اندازه‌گیری می‌شود . این دمای اندازه‌گیری شده به میزان از دست دادن حرارت فیلامان به محیط گاز اطراف خود یا همان هدایت حرارتی گاز بستگی دارد . این نوع دماسنجها به دو نوع دو سیمه و یک سیمه تقسیم میشوند. نوع دو سیمه این فشارسنجها ، از یک سیم پیچ بعنوان گرم کننده و از سیم دیگر که نزدیکی فیلامان گرم کننده قرار دارد برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند . این سیم‌ها معمولاً از پلاتین هستند .

نوع یک سیمه این فشارسنجها که به فشارسنج پیرانی[24] معروف است از یک سیم پلاتین که در معرض فشار تحت اندازه‌گیری است تشکیل شده است. سیم توسط یک جریان الکتریکی گرم شده و توسط گاز اطراف آن خنک می‌شود . اگر فشار گاز کم شود ( مثلاً با افزایش مقدار خلاء ) ، اثر خنک کنندگی کاهش پیدا می‌کند و بنابراین دمای تعادل سیم افزایش پیدا می‌کند و در نتیجه مقاومت سیم که تابعی از دمای آن است تغییر کرده و با اندازه‌گیری ولتاژ دو سر آن که در اثر عبور جریان مناسب گرم کننده ایجاد می‌شود ، می‌توان فشار تحت اندازه‌گیری را تعیین کرد . این نوع فشارسنج که توسط مارچلو پیرانی اختراع گردید در گستره 10 torr تا 10^-3 torr  ( محدوده خلاء ) از درستی خوبی برخوردار است و معمولاً برای اندازه‌گیری خلاء استفاده می‌شد .

 

فشارسنج یونیزاسیون[25]

این فشارسنجها ، فشارسنجهای حساسی هستند و برای اندازه‌گیری فشارهای خیلی کم ( خلاء شدید ) استفاده میشوند . آنها فشار را بطور غیرمستقیم و از طریق یونهای الکتریکی ایجاد شده در اثر بمباران الکترونی گاز اندازه می‌گیرند . هر چه چگالی گاز کمتر باشد ، یونهای کمتری ایجاد می‌شوند . گاز میتواند هوای معمولی درون یک محفظه که فشار آن تحت اندازه گیری است و توسط یک پمپ در حال خلاء است باشد.

برای ایجاد الکترونها از پدیده ترمویونیک که در کاتدهای داغ یا کاتدهای سرد بوجود می‌آید استفاده می‌کنند . این الکترونها با اتمهای گاز برخورد کرده و یونهای مثبت بوجود می‌آورند . این یونها توسط یک الکترود جمع کننده [26] که به ولتاژ مناسبی متصل است جذب می‌شوند .

 جریان ایجاد شده در این الکترود جمع کننده ، متناسب با میزان یونیزاسیون گازی است که فشار آن تحت اندازه‌گیری می‌باشد. بنابراین اندازه‌گیری جریان الکترود جمع کننده ، فشارگاز را می‌تواند تعیین کند . گستره کاری این فشارسنجها از 10^-3 torr تا 10^-10 torr    (Pa 10^-1 تاPa  10^-8 پاسکال ) است .

در مدلهای کاتد داغ ، فیلامانهای داغ شده ، اشعه الکترونی را بوجود می‌آورند این الکترونها طول فشارسنج را طی کرده و مولکولهای گاز حول خود را یونیزه می‌کنند . یونهای ایجاد شده توسط یک الکترود با قطب منفی جمع‌آوری شده و ایجاد جریانی می‌کند که متناسب با تعداد یونهای ایجاد شده و در نتیجه متناسب با فشار تحت اندازه‌گیری است .

اصول کار مدل کاتد سرد نیز مشابه کاتد داغ است ، بجز اینکه الکترونها در اثر تخلیه الکتریکی ناشی از ولتاژ بالا بوجود می‌آیند . گستره اندازه‌گیری 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 .

 

 

 

 

 

---

[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