فشارسنج صنعتی یا گیج فشار ابزاریست است که برای اندازه‌گیری و نمایش فشار در سیالات مورد استفاده قرار میگیرد. فشارسنج صنعتی با توجه به جنس سیال مورد اندازه‌گیری، محل نصب و نوع کاربرد آن انواع مختلفی دارد. گیج فشار برای نمایش فشار اندازه‌گیری شده در محل مورد استفاده قرار میگیرد. از فشارسنج های صنعتی در صنایع مختلف بزرگ و کوچک،سیستم‌های گرمایشی، تصفیه خانه‌‌ها، بیمارستان‌ها و غیره استفاده میشود.
مبدل های سیالات (Fluid Transducer)
مبدل های سیالات بر اساس نوع پارامتر قابل اندازه گیری، به سه دسته تقسیم می شوند:
كارخانه هایی كه با هر نوعی از سیالات، در موادی که استفاده می کنند؛ سرو كار دارند، باید توان اندازه گیری حداقل یكی از این سه پارامتر را داشته باشند. مبدل های سیالات در كارخانه های تولید مواد غذایی، دارویی، بهداشتی، شیمیایی و در تمامی مراحل تولید نفت (از مرحله اكتشاف در ابتدا، حفر چاه، تلمبه، خطوط انتقال و تصفیه و فروش در انتها)، کاربردهای بسیار گوناگونی دارند.
مشاهده پارامترهای مختلف و كنترل تمامی موتورها (Engines) به کار گرفته شده در سیستم، متكی به وجود مبدل های سیالات می باشد. تمامی سیستم های هیدرولیك كه در صنعت اتوماسیون و خطوط تولید به كار گرفته می شوند؛ نیازمند كنترل فشار، جریان و سطح می باشند. مبدل های سیالات به صورت بسیار گسترده ای در تمامی صنایع جهان، مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله میخواهیم درباره مبدل های فشار یا همان فشارسنج صنعتی با گیج فشار صحبت کنیم با ما همراه باشید:
فشار سنج صنعتی چیست؟
فشارسنج صنعتی (Pressure Transducers) تجهیزی است جهت اندازه‌گیری فشار، اندازه گیری فشار در صنایع و کاربردهای مختلف بسیار مهم است. نیرویی که توسط یک سیال یا گاز به محیط اطرافش وارد می شود را کمی می کند و به اطمینان از ایمنی و کارایی کمک می کند. ابزارهایی مانند مانومتر و گیج فشار برای نظارت و کنترل فشار استفاده می‌شوند و عملکرد بهینه در فرآیندها و سیستم‌ها را تضمین می‌کنند.
فشار به صورت “نیروی ایجاد شده توسط یك سیال که به سطحی مشخص وارد می گردد“؛ تعریف می شود. بنابراین واحد آن به صورت نیرو بر واحد سطح، بیان شده است. که طبق معمول، نسبت به یك مرجع اندازه گیری می شود. در واقع همه اندازه گیری های مبتنی بر فشار، به دو ورودی نیاز دارند. یکی برای اندازه گیری فشار مورد نظر و دیگری برای اندازه گیری فشار مرجع.
فشار مرجع (Reference Pressure)
- فشار مرجع می تواند به صورت خلاء كامل باشد. در خلاء كامل، فشار صفر است. بنابراین فشار اندازه گیری شده نسبت به خلاء، “فشار مطلق” (Absolute Pressure) نامیده می شود. مبدل فشار به گونه ای طراحی شده که در این حالت، دارای یک محفظه خلاء كامل و جدا از محیط بیرون می باشد.
- روشی دیگر در توصیف فشار، استفاده از “فشار نسبی” (Gauge Pressure) می باشد. “فشار گیج”، فشار را نسبت به فشار محیط، اندازه گیری می كند. در این نوع فشار سنج ها، محفظه مرجع با فضای بیرون ارتباط كامل دارد.
- از اندازه گیری های فشار، این امکان فراهم است که ورودی فشار مرجع، به فشار مورد نظر خود به عنوان فشار مرجع متصل شود. از آن جا كه اختلاف فشار بین دو نقطه از یک سیستم در بسیاری از اندازه گیری ها در سیستم های کنترلی، دارای اهمیت می باشد؛ “فشارسنج اختلافی” (Differential Pressure)، تعریف می شود که پر کاربردترین دستگاه های سنجش فشار در سیستم، می باشد.
- فشار در انتهای یك ستون از مایع، بستگی به ارتفاع آن ستون و چگالی مایع دارد:
که در آن …
– p : چگالی مایع
– g : ثابت تبدیل جرم به وزن cm/s2 981
– h : ارتفاع ستون مایع
به این فشار، “فشار سر” (Pressure Head) می گویند.
واحدهای فشار
همان گونه که در مطلب قبل اشاره شد؛ فشار از راه وارد شدن نیرو بر واحد سطح، محاسبه می شود. واحدهای گوناگونی دارد:
- در سیستم متریك به صورت نیوتن بر متر مربع (N/m2) است كه به پاسكال (Pa) نیز شناخته می شود.
- واحد انگلیسی فشار، پوند بر اینچ مربع (lb/in.2) است كه به صورت اختصار، آن را با (psia) برای فشار مطلق و (psig) برای فشار گیج یا (psid) برای فشار تفاضلی نشان می دهند. برای تبدیل خواهیم داشت:
- ارتفاع ستون جیوه یا آب نیز بیان گر نوعی فشار مشخص است كه به عنوان واحد اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار می گیرد:
- “فشار سر” ایجاد شده توسط یك میلی متر جیوه نیز Torr نامیده می شود. این واحد به صورت گسترده ای در اندازه گیری فشار خلاء به كار گرفته می شود:
به این علت كه آب، چگالی كم تری نسبت به جیوه دارد، “فشار سر” كم تری نیز ایجاد می كند:
- فشار استاندارد اتمسفری به نام “ارتفاع از سطح دریا” معروف است:
روابط مربوط به واحدهای ارائه شده، در جدول زیر خلاصه شده است:
شکل (1). واحدهای گوناگون فشار
روش های اندازه گیری فشار
به صورت کلی، مبدل فشار یا فشارسنج صنعتی، در ساختار خود وسایل مكانیكی را به کار می گیرند که به طور نسبی، با فشار اعمالی، كشش پیدا كنند. انواع روش های اندازه‌گیری فشار که در فشارسنج صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند به شرح زیر می‌باشد:
- اندازه گیری فشار با کرنش سنج
- اندازه گیری ظرفیتی فشار
- اندازه گیری فشار با خاصیت ارتجاعی
- اندازه گیری پتاسیومتری فشار
در ادامه به توضیح هر کدام از آنها می‌پردازیم:
1. اندازه گیری فشار با کرنش سنج (استرین گیج)
در یکی از دسته های اصلی مبدل های فشار، از دیافراگمی كه در برابر فشار، قابلیت ارتجاعی داشته و به یك كرنش سنج یا استرین گیج متصل است؛ استفاده می شود. این دیافراگم می تواند از جنس فولاد یا سیلیكون بوده و كرنش سنج نیز از جنس شبكه فویل یا یك نیمه هادی باشد. فشاری که به دیافراگم وارد می شود؛ تغییر یا انحرافی كوچك در آن ایجاد می کند که این تغییر توسط كرنش سنج آشكار می گردد. می توان از چهار کرنش سنج (یا دو كرنش سنج به همراه دو مقاومت ثابت دیگر) در پل وتستون استفاده نمود. شكل زیر یك دیافراگم و یک استرین گیج را نشان می دهد:
شکل (2). مبدل فشار تنش سنج – دیافراگم و كرنش سنج
مقاومت تفاضلی با اعمال ولتاژی ثابت به پل، محاسبه می شود. انحراف دیافراگم منجر به تولید یک خروجی آنالوگ (میلی ولت) می گردد که متناسب با فشار است. مقاومت های ثابت نیز برای تكمیل پل استفاده می شوند. در این حالت، جبران حرارتی و تعادل صفر برای دستیابی به دامنه ای كامل، باید صورت پذیرد. چون خروجی این نوع مبدل ها به طور معمول در حدود چند میلی ولت است؛ در نتیجه، سیگنال خروجی قطعا باید تقویت شود. به همین علت در برخی از مبدل های فشار، مدارات داخلی یا خارجی برای تقویت سیگنال و پردازش آن به کار گرفته می شود.
گیج های نیمه هادی دارای دقت و كارآیی به نسبت خوبی هستند. در آن ها از ویفر خالص سیلیكون با تکنولوژی ساخت خاص استفاده می شود. سیلیکون ماده ای مناسب برای دریافت نیروی وارد شده می باشد. سیلیكون هرگز به صورت دائمی كشش پیدا نمی كند و با حذف نیرو به حالت اول خود باز می گردد.
در این نوع مبدل ها، سیم هایی از جنس طلا، به دلیل رسانایی بالا و ضریب مقاومتی ثابت به انتهای كرنش سنج متصل می گردد.كرنش سنج های فویل فلزی و یا نیمه هادی به روش ریختگی بر روی یك دیافراگم فلزی كه ضخامت آن، میزان رنج فشار را تعیین می كند؛ قرار می گیرند. مواد به كار رفته در بدنه مبدل و دیافراگم بایستی دارای ضریب حرارتی یکسانی باشند تا در مقابل تغییر دمای محیط كرنش حرارتی ایجاد نگردد.
در صورت استفاده از دیافراگم از نوع (Piezoresistive) و دیفیوز نمودن كرنش سنج نیمه هادی در آن، حساسیت یا گیج فاكتور بالاتری (تقریباً 100 برابر) خواهیم داشت. شكل زیر مقطع یك مبدل فشار “پیزورزیستیو” رانشان می دهد:
شکل (3). مبدل فشار تنش سنج – پیزورزیستیو (Piezoresistive)
2. اندازه گیری ظرفیتی فشار
از دیگر روش های اندازه گیری فشار به جای اندازه گیری کرنش در دیافراگم، می توان از روش های جا به جایی ایجاد شده ناشی از فشار استفاده نمود.
مثال: با به کار بردن یک صفحه خازن بر روی دیافراگم، با تغییر وضعیت دیافراگم، مقدار خازن نیز تغییر می کند. شکل زیر یک نمونه مبدل فشار خازنی را نشان می دهد:
شکل (4). یک نمونه مبدل فشار خازنی (Capacitive Pressure Transducer)
3. اندازه گیری فشار با خاصیت ارتجاعی
از جمله تکنیک هایی که فشار را به جا به جایی تبدیل می کند، مبدل های جا به جایی هستند که می توان روش های گوناگون را در شکل زیر نیز مشاهده کرد:
- كپسول
- بیلوز
- لوله بردون
- مارپیچ
- فنری
شکل (5). مبدل های جا به جایی (Displacement Transducer) با تکنیک های كپسول، بیلوز، لوله بردون، مارپیچ و فنری
به عنوان مثال، در روش لوله بردون می توان با استفاده از یك LVDT، تغییر مكان را اندازه گیری نمود:
شکل (6). نمونه ای از فشارسنج لوله بردون- C وکپسول (LVDT)
4. اندازه گیری پتاسیومتری فشار
در فشارهای بالاتر به نحوی كه فشار اعمال شده توان به چرخش در آوردن یك پتانسیومتر را داشته باشد؛ می توان از پتانسیومتر نیز استفاده کرد:
شکل (7). نمونه ای از فشارسنج صنعتی پتاسیومتری
در فشارسنج های صنعتی، مشخصات استاتیكی مشتركی وجود دارد كه ارتباطی به روش اندازه گیری فشار ندارد. این مشخصات عبارت اند از: مقدار اولیه صفر، حساسیت به حرارت، غیر خطی بودن، قابلیت تكرار (دقت) و هیستریزیس.
سخن پایانی
در یک سایت های صنعتی مانند فولاد، پتروشیمی، خودروسازی و … فشارسنج های صنعتی نقش مهمی در کنترل فشار فرآیند بر عهده دارند، در فشارسنج صنعتی از روش های مختلفی برای اندازه‌گیری فشار استفاده میشود که بسته به نوع فرآیند قابل اندازه گیری و فشار آن می‌توان بهترین فشارسنج را انتخاب کرد. در روش اندازه گیری فشار ارتجاعی مانند روش لوله بوردن و دیافراگمی بیشتر در گیج فشار مورد استفاده قرار میگیرد.
