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 pressure پرداخته خواهد شد.

تعریف فشار:

 نیروی وارده بر واحد سطح را فشار گویند و با علامت اختصاری P نمایش می دهند . طبق تعریف مذکور معادله pressure 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 نشان‌داده‌است . بر اساس این معادله ، pressureبا 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 pressure 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 نمایش 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 pressure را به یکدیگر نیز تبدیل کرد.

انواع Pressure :

• فشار اتمسفر یا جو (Atmosphere pressure) : عبارت است ازpressure هوای محیط و جو.
• فشار نسبی یا گیج (Gauge pressure) : فشار نسبت به فشار اتمسفر و محیط (که برابر با صفر فرض می شود) که اغلب 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 pressureمطلق 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 pressureاختلافی یا اختلاف فشار گویند.

دو اصل اساسی در pressure :

اصل پاسکال : بر اساس این اصل هر گاه فشار وارده بر یک سیال ( مایع یا گاز ) که محصور می باشد ، تغییر کند ، pressureقسمت 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، pressure در قسمت های دیگر این بادکنک که حاوی گاز محصور می باشد به همان میزان تغییر می کند. از این اصل در ساخت انواع جک های روغنی ، آسانسوری و … استفاده می شود .

اصل ارشمیدس : برای جسمی که تمامی یا بخشی از آن داخل یک سیال غوطه ور است نیرویی برابر با وزن سیال به سمت بالا به آن اعمال می‌شود . نیرو بالا برنده در امتداد قائم و به طرف بالا است .

روش های اندازه گیری فشار

روش های اندازه گیری pressure به دو دسته کلی  مکانیکی و الکتریکی تقسیم بندی می شود.

شیوه 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 pressure ، 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 pressure 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 pressure بین دو دهانه لوله مانومتر پی برد. مانومتر فشارسنجی است که جهت محاسبه اختلاف فشار به کار می‌رود. بدلیل جنس شیشه ای 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 pressure 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 pressure 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 pressure، 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 pressure 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 می یابد 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 ساخته‌می‌شوند. در این محفظه یک غشا از جنس لاستیک یا فلز با خاصیت الاستیکی قرار میگیرد که همان دیافراگم می باشد.

این محفظه ممکن است برای اندازه گیری اختلاف pressure وارده به دیافراگم دارای دو ورودی باشد. یا ممکن است که دارای یک ورودی بوده و جهت اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار گیرد. در هر یک از دو حالت مذکور مکانیزم عملکرد دیافراگم به این صورت می باشد که با اعمال pressure، 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 متصل به هم تشکیل گردیده 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 pressure به کپسول، دیافراگم ها دچار بازشدگی و جابجایی گردیده 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. pressure 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 .

برای مطالعه گیج فشار روغنی (پر شده با مایع Liquid Filled Pressure Gauges) کلیک کنید