فشار واحد ها و روش های اندازه گیری فشار

در این مقاله به تعریف فشار، واحدهای اندازه گیری و انواع آن پرداخته می شود. در ادامه دو اصل اساسی پاسکال و ارشمیدس شده و در انتهای مقاله به روش های اندازه گیری مکانیکی فشار پرداخته خواهد شد.

تعریف فشار:

 نیروی وارد شده بر واحد سطح را فشار گویند و با علامت اختصاری P نیز نمایش می دهند . طبق تعریف مذکور معادله فشار به صورت زیر تعریف می شود:

P=F/A

در این معادله نیرو با علامت اختصاری (F (Force و سطح با علامت اختصاری (A (Area نمایش داده شده است . بر اساس این معادله ، فشار با نیرو رابطه مستقیم و با سطح رابطه معکوس دارد . بدین مفهوم که در صورت ثابت بودن نیرو اگر سطح افزایش/ کاهش یابد فشار کم/ زیاد می شود . همچنین در صورت ثابت بودن سطح با افزایش/کاهش نیرو فشار افزایش/ کاهش می یابد.

واحد های اندازه گیری Pressure:

فشار با واحد های مختلفی بیان می شود. واحد آن در دستگاه SI ، پاسکال(Pa)  می باشد که برابر است با یک نیوتون ( N) بر متر مربع (m²).     

Pa=N/m²

واحدهای دیگری برای اندازه گیری نیرو بر واحد سطح مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:  کیلو پاسکال (Kpa) ، اتمسفر(atm) ، بار (bar) ، psi ، سانتی متر جیوه  (Hg cm) ، میلی متر جیوه (Hg mm) ، دین بر سانتی متر مربع یا Torr (dyn/cm^2) و … .

* واحد پاسکال در مقایسه با دیگر واحدها، واحدی  بسیار کوچک محسوب می شود از این رو برای نشان دادن سطح بالاتر Pressure با واحد پاسکال ، از کیلو پاسکال (Kpa) استفاده می شود . فشار هوای جو در حدود 101.325 کیلوپاسکال می باشد .

جدول تبدیل یکاهای فشار در زیر قابل مشاهده است که بر اساس آن میتوان یکاهای مختلف فشار را به یکدیگر نیز تبدیل کرد.

انواع Pressure :

• فشار اتمسفر یا جو (Atmosphere pressure) : عبارت است از فشار هوای محیط و جو.
• فشار نسبی یا گیج (Gauge pressure) : فشار نسبت به فشار اتمسفر و محیط (که برابر با صفر در نظر گرفته می شود) که اعلب برای فشارهای بالاتر از اتمسفر استفاده می گردد را فشار نسبی گویند .
• فشار مطلق (Absolute pressure) : فشاری که نسبت به فشار صفر (خلاء مطلق) اندازه گیری می شود را فشار مطلق گویند. بنابراین فشار مطلق برابر است با فشار نسبی + فشار هوا
• فشار خلاء  (Vacuum pressure): فشار کمتر از فشار اتمسفر را خلاء گویند .
• فشار اختلافی (Differential pressure) : اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف را فشار اختلافی یا اختلاف فشار گویند.

دو اصل اساسی در فشار :

اصل پاسکال : بر اساس این اصل هر گاه فشار وارده بر یک سیال ( مایع یا گاز ) که محصور می باشد ، تغییر کند ، فشار قسمت های دیگر آن سیال محصور به همان میزان تغییر پیدا می کند . به طور مثال اگر یه بادکنک پر از هوا را در نظر بگیریم زمانی که با انگشت به قستی از دیواره بادکنک فشار وارد کنیم ، فشار در قسمت های دیگر این بادکنک که یک گاز محصور شده می باشد به همان میزان تغییر می کند. از این اصل در ساخت انواع جک های روغنی ، آسانسوری و … استفاده می شود .

اصل ارشمیدس : جسمی که تمامی یا بخشی از آن داخل یک سیال غوطه ور است توسط یک نیرویی برابر با وزن سیال یا شاره جابجا شده به سمت بالا رانده می شود . نیرو بالا برنده در امتداد قائم و به طرف بالا است .

روش های اندازه گیری فشار

روش های اندازه گیری فشار به دو دسته کلی تقسیم می شوند که عبارتند از :     1 . روش مکانیکی          2 . روش الکتریکی تقسیم بندی می شود.

روش مکانیکی : دراندازه گیری به روش مکانیکی ، از خواص و نیروهای مکانیکی استفاده می شود .  از انواع روش های مکانیکی اندازه گیری می توان به استفاده از خلاءسنج ها ، مانومتر U شکل ، مانومتر مخزنی ، مانومتر ساقه کج ، بوردون تیوب ها ، دیافراگم ها ، کپسول های فشار ، بیلوز ها و … نیز اشاره کرد.

روش الکتریکی : در اندازه گیری به روش الکتریکی ، از خواص الکتریکی استفاده می شود . از انواع روش های الکتریکی اندازه گیری pressure می توان  به روش خازنی (Capacitance)، روش پیزو الکتریک (Piezoelectric)  و روش استفاده از استرین گیج (Starin gauge) اشاره کرد.

انواع فشارسنج های مکانیکی

مانومتر (Manometer) : مانومتر یک لوله U شکل شفاف (شیشه ای ) حاوی مایعی ای با چگالی مشخص (جیوه یا آب) می باشد. دو طرف این لوله U شکل باز می باشد. زمانی که دو سر این لوله U شکل تحت فشار متفاوت قرار می گیرد، مایع درون لوله در اثر اختلاف فشار بین دو طرح لوله دچار تغییر ارتفاع می شود. با توجه به اختلاف ارتفاع بوجود آمده و همچین چگالی مایع استفاده شده در مانومتر می توان به اختلاف فشار بین دو دهانه لوله مانومتر پی برد. مانومتر فشارسنجی است که جهت محاسبه اختلاف فشار به کار برده می شود. بدلیل شیشه ای بودن لوله مانومتر و احتمال شکستن آن، مانومتر دارای استفاده محدودی در صنعت می باشد.

لوله بردونی (Bourdon tube) : بوردون تیوب یک لوله توخالی فلزی منعطف می باشد که این لوله از یک طرف مسدود و از طرف دیگر نیز آزاد  می باشد. سطح مقطع این لوله تقریبا بیضی یا نیم دایره می باشد. نحوه کار فشارسنج بوردونی بدین صورت است که با اعمال فشار به سر آزاد لوله بوردونی، طبق اصل  پاسکال فشار به تمام نقاط این لوله که در اصل یک فضای محصور می باشد منتقل میشود و انتهای لوله بوردونی که مسدود می باشد دچار انحراف می شود. میزان انحراف لوله بوردونی با میزان فشار اعمالی متناسب می باشد. هرچه فشار بیشتر/ کمتر، انحراف بیشتر/ کمتر خواهد بود.

در صورتی که انتهای لوله بوردونی به یک سیستم عقربه و چرخ دنده متصل باشد، به کمک آن میتوان فشار اعمالی به فشارسنج بوردونی را بدست آورد .

انواع بوردون تیوب : 1 . C شکل     2 . حلزونی (Spiral)      3 . حلقوی (Helical)               

بوردون تیوب C شکل : این فشارسنج بوردونی ساختمانی شبیه به حرف انگلیسی C دارد و اساس کار آن مکانیکی است که در اثر انحراف ناشی از اعمال فشار، اقدام به اندازه گیری می نماید. بوردون تیوب C شکل یکی از پرکاربردترین  فشارسنج ها در صنعت می باشد.

 قسمت های مختلف بوردون تیوب C شکل عبارتند از : ورودی فشار(Inlet pressure)  ، C-Tube (معمولا از جنس فولاد ضد زنگ (Stainless steel) یا مس می باشد.) ، انتهای مسدود شده که شامل بازوی اتصال(Connection link) ، Sector link ، چرخ دنده ناقص (Sector) ، چرخ دنده کامل (Pinion) ، فنر مویی (Hair spring) ، صفحه نمایش (Scale) که بر اساس واحد های فشار مقیاس بندی شده است و عقربه (Pointer)  .

بوردون تیوب حلزونی(Spiral): در فشارسنج حلزونی، لوله بوردونی به صورت مارپیچ یا حلزونی می باشد. بوردون تیوب حلزونی برای اندازه گیری در سیتم هایی که زاویه و چرخش لوله بوردونی فراتر از 360 درجه می باشد مورد استفاده قرار می گیرد. با فراتر رفتن چرخش و تغییر زاویه بوردون تیوب از یک دایره کامل، دقت و حساسیت اندازه گیری این نوع از بوردون تیوب ها افزایش یافته و آن را برای اندازه گیری فشارهای پایین مناسب می نماید.

بوردون تیوب مارپیچ یا حلقوی (Helical) : بوردون تیوب Helical به صورت حلقوی می باشد. این نوع بوردون تیوب بوردونی جهت اندازه گیری فشار های بالا مورد استفاده قرار می گیرد. به طور کلی بوردون تیوب های حلزونی و مارپیچ دارای اصطکاک و حساسیت بیشتری نسبت به بوردون تیوب های C شکل هستند.

دیافراگم (Diaphragm) : یکی دیگر از انواع فشارسنج های مکانیکی، فشارسنج دیافراگمی می باشد. این نوع فشارسنج ها معمولا از یک محفظه کاملا آب بندی شده ساخته می شوند. در این محفظه یک غشا از جنس لاستیک یا فلز با خاصیت الاستیکی قرار گرفته است که همان دیافراگم می باشد.

این محفظه ممکن است که دارای دو ورودی بوده و برای اندازه گیری اختلاف فشار وارد شده به دیافراگم مورد استفاده قرار گیرد و یا ممکن است که دارای یک ورودی بوده و جهت اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار گیرد. در هر یک از دو حالت گفته شده مکانیزم عملکرد دیافراگم به این صورت می باشد که با اعمال فشار، دیافراگم دچار جابه جایی و تورم می شود که این جا به جایی به سیستم چرخ دنده ، عقربه و صفحه نمایش منتقل می شود و بدین صورت مقدار فشار اعمالی نیز به دیافراگم محاسبه می شود.

کپسول فشار (Pressure capsule) : کپسول فشار از دو دیافراگم فلزی که به صورت محیطی به هم متصل می باشند تشکیل شده است. تعداد دیافراگم ها می تواند تعدادی بیشتر از دو عدد نیز داشته باشد. بازه اندازه گیری در این تکنولوژی به قطر داخلی کپسول بستگی دارد. جنس کپسول معمولا از فسفر و فولاد ضد زنگ می باشد. در اثر اعمال فشار به کپسول، دیافراگم ها دچار بازشدگی و جابجایی شده و این جابه جایی به سیستم چرخ دنده و عقربه منتقل می شود و میزان فشار محاسبه می گردد. مزیت کپسول نسبت به دیافراگم ، تعویض آسانتر آن می باشد.

5 . بیلوز(Bellows) : بیلوز از یک لوله آکاردئونی شکل ساخته شده است . اصول کار بیلوز همانند دیافراگم می باشد با این تفاوت که حساسیت بیلوز نسبت به دیافراگم بیشتر می باشد. فشار اعمالی به بیلوز سبب انقباض یا انبساط طولی بیلوز می شود و این تغییرات به سیستم چرخ دنده و عقربه منتقل می شود و میزان فشار اعمالی محاسبه و نمایان می شود .