اندازه گیری فشار

فشار به معنی مقدار نیروی وارد شده بر واحد سطح است. از همین مطلب می توان به واحد های گوناگون فشار در سیستم های مختلف دست یافت. در استاندارد "dync/cm²=bar" C.G.S. ، در استاندارد.M.K.S علمی "Pascal" ، و در M.K.S. عملی "Kgf/m²" و در استاندارد انگلیسی "Psi" واحد های فشار در سیستم های گوناگون هستند.

مقادیر فشار همیشه نسبت به یک فشار مبداء اندازه گیری می شوند که این فشار مبداء ، در واقع همان فشار اتمسفر یا فشار جو می باشد. فشار اتمسفر به کمک آزمایش تریچلی در سطح دریا اندازه گیری می شود و مقدار آن برابر است با:

760mm Hg = 14.7 Psi =1 Bar = 1Kgf/cm²

فشاری که نسبت به فشار اتمسفر سنجیده می شود ، فشار نسبی است و فشاری که نسبت به فشار مطلق خلا سنجیده شود را فشار مطلق می گویند. وسایل و روش های اندازه گیری فشار بسیار متفاوتند ، در زیر شرح کوتاهی از آن ها را می آوریم:

3-1-1-     اندازه گیری فشار توسط مانومتر ها (Manometers)

 ساختمان مانومتر ها که به فشار سنج های اولیه موسومند ، از شیشه ای محکم ساخته شده و صفحه ی آن ها بر حسب اینچ ، سانتی متر یا میلی متر مدرج شده و مایع درون آن ها معمولا آب یا جیوه می باشد. از مانومترها برای اندازه گیری فشارهای کم استفاده می شود که در خواندن فشارهای خیلی کم از نوع آبی آن استفاده می گردد. مانومترها انواع زیادی دارند که در زیر به گونه های عمده ی آن ها اشاره شده است:

·        مانومتر یک شاخه ای (Single Leg Manometer)

·        مانومتر دو شاخه ای (V-Tube Manometer)

·        مانومتر مورب (Inclined Manometer] ، این مانومتر حد تفکیک بهتری را فراهم می کند.

·        انواع بالا را نیز می توان با خاصیت القای مغناطیسی به کار برد که معمولا یا از سیالی با خاصیت مغناطیسی به کار می رود و یا این که شناوری روی سطح به عنوان هسته ی مغناطیسی به کار می برند. 

3-1-1-      اندازه گیری فشار توسط فشار سنج های لوله بوردن (Bourdon Tube)

 برودن نام دانشمندی است که این وسیله را اختراع کرد. جنس لوله های برودن بیشتر از برنز ، برنج ، آلیاژهای مس فولاد ضد زنگ و یا نیکل سخت می باشد.  خاصیت فیزیکی ای که در این روش اندازه گیری به کار برده شده است استفاده از ویژگی ارتجایی مواد در برابر فشار است. به شکل های مختلف ساخته می شود:

·       لوله ی C شکل (C-Tube): یک لوله با انتهای بسته است که زاویه ای در حدود 250 درجه دارد و زمانی که به آن فشار وارد می شود ، در اثر اختلاف اندازه ی محیط بیرونی و درونی ، تمایل به راست شدن پیدا می کند. تغییر وضعیت لوله متناسب با فشار مورد اندازه گیری است. باز و جمع شدن لوله بین 25/0 تا 4/0 اینچ می باشد و اگر بیشتر از این مقدار باز شود ، فنریت خود را از دست خواهد داد. 

 

·       لوله ی فانوسی (Bellows Tube): دم یا فانوس ، ساختمانی شبیه به دم آهنگری دارد. رابطه ی فشار و جابجایی خطی است و حوزه ی جابجایی آن در حدود 5 تا 10 در صد کل طول آن می باشد و به طور معمول برای اندازه گیری فشار نسبی از آن استفاده می شود. 

·       لوله ی حلقوی (Helical Tube): نواری تو خالی که دارای یک گام طولی است و در اثر فشار تغییر شکل می دهد.

·       لوله ی حلزونی (Spiral Tube): به صورت لوله ای که به دور خود چرخیده باشد است و حرکت آن نسبت به فشار در مقایسه با لوله یC  شکل بیشتر است.

·       دیافراگم (Diaphragm): جنس دیافراگم را از می توان از فلز یا غیر فلز انتخاب کرد. در نوع غیر فلزی که در رنج فشار پایین تری به کار می رود ، استفاده از چرم و لاستیک متداول تر است. 

·       کپسول (Capsule): ترکیبی از دو دیافراگم است مه از ناحیه ی لبه ها به یکدیگر جوش داده شده اند و نسبت به دیافراگم دقت بیشتری دارد. 

برای جلوگیری از استفاده ی قطعات و اجزای اضافی و افزایش هزینه و جلوگیری از وارد شدن نویز و ایجاد خطا در سنجش فشار و تبدیل آن به کمیتی الکتریکی با دو روش گفته شده در قبل ، از روش های زیر نیز استفاده می گردد:

·       استرین گیج ها (Strain-Gages): معروف ترین اندازه گیر های الکتریکی فشار می باشند و معمولا برای اندازه گیری فشارهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع آن ها برای سنجش کرنش استفاده می شوند و می توان برای اندازه گیری فشارهای کم نیز از آن استفاده کرد. استرین گیج ها را معمولا از سیم هایی با جنس مس نیکل می سازند و به صورت زیکزاکی روی پلاستیک های مقاومی می چسبانند. ابعاد ان ها از چند میلی متر مربع تا چند سانتی متر مربع است و دارای مقاومتی از چند ده تا چند هزارم اهم می باشند. برای جلو گیری از اثر تغییرات درجه حرارت ، معمولا استرین گیج کمکی در جهت عمود بر استرین گیج اصلی و در نزدیکی آن قرار می دهند. 

·       اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive PressureMeasurement): در این نوع اندازه گیری ، اغلب فشار مورد اندازه گیری به جابجایی و تغییر فاصله ی جوشن ها تبدیل می شود و در این صورت ، تغییر ظرفیت خازن حاصل می شود. تغییر ظرفیت نیز معمولا توسط  یک پل  AC  و یا یک مدار اسیلاتور  تبدیل به  ولتاژ یا فرکانسی متناسب  با فشار می گردد. 

·       اندازه گیری های پیزوالکتریکی فشار (PiezoelectricalPressure Measurement): عناصر پیزوالکتریک ، عناصری با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بر عکس می باشند. هر گاه یک عنصر پیزوالکتریک مانند یک کوارتز تحت فشار P قرار گیرد ، میلی ولت متر ولتاژی متناسب با فشار را نشان خواهد داد. در عناصر پیزوالکتریک ، پلاریته ی تولید شده متناسب با جهت فشار است.