روش های اندازه گیری فشار در صنعت

فشار اگرچه در ظاهر یک مفهوم ساده فیزیکی است، اما در واقع نیرویی بنیادی و نامرئی است که عملکرد بی‌ وقفه بسیاری از سیستم‌ های حیاتی را ممکن می‌ کند.  به همین دلیل، درک مفاهیم پایه‌ ای مانند فشار مطلق، گیج و تفاضلی و شناخت روش‌ های مختلف اندازه‌ گیری آن، نه یک مزیت، بلکه یک ضرورت برای هر مهندس و تکنسین محسوب می‌ شود. در این مقاله قدم‌ به‌ قدم وارد دنیای اندازه‌ گیری فشار می‌ شویم؛ ابتدا مفاهیم و فرمول‌ های پایه را بررسی می‌ کنیم، سپس روش های اندازه گیری فشار را توضیح می‌ دهیم تا در نهایت بتوانید با آگاهی کامل، مناسب‌ ترین ابزار را برای کنترل دقیق، افزایش ایمنی و بهینه‌ سازی فرآیندهای خود انتخاب کنید.

فروشگاه ابزار دقیق پیکاتک با تخصص در تامین انواع تجهیزات صنعتی و ابزار دقیق، آماده ارائه مشاوره و تامین تجهیزات معتبر برای نیازهای تخصصی شماست. خرید تجهیزات اندازه گیری فشار شامل ترانسمیترها، سوئیچ‌ ها و گیج‌ های فشار را از این مرکز با اطمینان از کیفیت و اصالت کالا انجام دهید.

فشار چیست و واحدهای استاندارد آن کدامند؟

فشار یکی از بنیادی‌ ترین مفاهیم در فیزیک و مهندسی است. هرجا نیرویی بر سطحی وارد شود، چه این نیرو وزن ستون آب باشد، چه برخورد مولکول‌ های هوا با دیواره‌ ها و چه نیروی وارد شده در یک سیستم هیدرولیکی، فشاری ایجاد می‌ شود. همین مفهوم ساده، اساس عملکرد تجهیزاتی مثل پمپ‌ ها، کمپرسورها، ترانسمیترهای فشار، ترمزهای هیدرولیک، دستگاه‌ های پزشکی و حتی بدن انسان را تشکیل می‌ دهد.

به زبان ساده، فشار یعنی مقدار نیرویی که به صورت عمود بر یک سطح وارد می‌ شود، تقسیم بر مساحت همان سطح.
فرمول پایه فشار:  P = F/A 

در این رابطه:

• P نشان‌ دهنده فشار است.
• F نیروی عمودی وارد بر سطح (بر حسب نیوتن)
• A مساحت سطحی که نیرو روی آن اعمال می‌ شود (بر حسب مترمربع)

در صنایع مختلف از واحدهای متنوعی برای اندازه‌ گیری فشار استفاده می‌ شود و آشنایی با آن‌ ها برای انتخاب درست تجهیزات اهمیت زیادی دارد.

• پاسکال (Pa) واحد استاندارد SI است و مقادیر بزرگ‌ تر آن مانند kPa و MPa نیز کاربرد زیادی دارند.
• بار (bar) معادل ۱۰۰ هزار پاسکال بوده و به دلیل نزدیکی‌ اش به فشار جو، در صنعت بسیار رایج است. اتمسفر (atm) که بر اساس فشار جو در سطح دریا تعریف می‌ شود، بیشتر در شیمی و آزمایشگاه‌ ها استفاده می‌ گردد.
• میلی‌متر جیوه (mmHg) یا تور (Torr) واحدهای مبتنی بر ستون جیوه هستند و در پزشکی و برخی آزمایشگاه‌ ها کاربرد دارند.
• psi نیز واحد فشار در سیستم امپریال بوده و در آمریکا برای مواردی مانند فشار تایر و سیستم‌ های هیدرولیکی استفاده می‌ شود.

طبقه‌ بندی فشارهای اندازه‌ گیری شده

در مهندسی و صنعت، برای اندازه‌ گیری و گزارش فشار، از سه معیار مرجع اصلی استفاده می‌ شود که بسته به نقطه صفر یا مبدا اندازه‌ گیری، به سه دسته اصلی تقسیم می‌ شوند. انتخاب نوع فشارسنج مستقیما به این طبقه‌ بندی‌ ها بستگی دارد، زیرا هر کدام مبدأ متفاوتی را برای صفر در نظر می‌ گیرند.

🔹فشار گیج (فشار نسبت به اتمسفر)

فشار گیج رایج‌ ترین نوع اندازه‌ گیری فشار است که در ابزارهایی مانند درجه باد تایر یا گیج‌ های صنعتی مورد استفاده قرار می‌ گیرد. در این روش، فشار اتمسفر (فشار هوای محیط) به عنوان نقطه صفر یا مبدا اندازه‌ گیری در نظر گرفته می‌ شود. به عبارت دیگر، فشار گیج نشان‌ دهنده مقدار فشاری است که بیشتر از فشار هوای اطراف است.

بنابراین، اگر گیج عدد صفر را نشان دهد، به معنای آن است که فشار داخل سیستم دقیقا برابر با فشار اتمسفر است و فشارسنج‌ های گیج قادر به اندازه‌ گیری فشار زیر فشار محیط نیستند. این نوع اندازه‌ گیری به دلیل سادگی و کاربرد فراوان در سیستم‌ های تحت فشار، مانند کمپرسورها، بویلرها، و لوله‌ کشی‌ ها، بسیار متداول است.

🔹فشار مطلق (فشار نسبت به خلاء کامل)

فشار مطلق دقیق‌ ترین و بنیادی‌ ترین شکل اندازه‌ گیری فشار است که در آن خلاء کامل به عنوان نقطه صفر یا مبدا اندازه‌ گیری تعیین می‌ شود. خلاء کامل به وضعیتی گفته می‌ شود که هیچ مولکول گازی در آن وجود نداشته و در نتیجه فشار صفر مطلق حاکم است. بنابراین، فشار مطلق، مجموع فشار گیج و فشار اتمسفر محیط است.

این نوع اندازه‌ گیری در فرآیندهای علمی، مهندسی خلاء، یا در محاسباتی که تغییرات فشار اتمسفریک می‌ تواند بر نتیجه تاثیر بگذارد (مانند واکنش‌ های شیمیایی یا پرواز هواپیما)، حیاتی است، چرا که به هیچ وجه تحت تاثیر تغییرات آب و هوایی یا ارتفاع قرار نمی‌ گیرد.

🔹فشار تفاضلی (اختلاف فشار بین دو نقطه)

فشار تفاضلی بیانگر اختلاف فشار بین دو نقطه مشخص در یک سیستم است. در این اندازه‌ گیری، سنسور یا دستگاه، دارای دو پورت ورودی است که به دو نقطه مختلف از فرآیند (مثلا قبل و بعد از یک فیلتر یا اوریفیس) متصل می‌ شود و مقدار خروجی آن تنها اختلاف عددی بین آن دو فشار را نشان می‌ دهد.

فشار تفاضلی کاربرد ویژه‌ ای در نظارت بر عملکرد تجهیزات دارد؛ برای مثال، از آن برای تشخیص گرفتگی فیلترها (با افزایش اختلاف فشار) یا اندازه‌ گیری نرخ جریان سیالات در خطوط لوله (بر اساس افت فشار ایجاد شده در یک مانع) استفاده می‌ شود.

مهمترین روش های اندازه گیری فشار 

ابزارهای اندازه‌ گیری فشار که با نام عمومی “فشارسنج” یا “مانومتر” شناخته می‌ شوند، از اصول مکانیکی، الکترونیکی یا هیدرواستاتیک استفاده می‌ کنند. این ابزارها عمدتا با تبدیل فشار وارد شده به یک تغییر فیزیکی قابل اندازه‌ گیری (مانند حرکت، تغییر مقاومت الکتریکی یا ارتفاع مایع) کار می‌ کنند.

🔹لوله بوردون 

لوله بوردون یکی از رایج‌ ترین و پرکاربردترین روش‌ های مکانیکی اندازه‌ گیری فشار است که به دلیل ساختار ساده، دوام بالا و قیمت مناسب، در اکثر گیج‌ های صنعتی و تجاری استفاده می‌ شود. اصل کار آن بر اساس یک لوله فلزی با مقطع بیضوی یا C شکل خمیده است که یک سر آن ثابت و سر دیگر آزاد است. وقتی فشار سیال وارد این لوله می‌ شود، لوله تمایل پیدا می‌ کند که صاف شود؛ این حرکت بسیار کوچکِ سر آزاد لوله، از طریق یک مکانیزم اهرمی به یک عقربه منتقل شده و فشار را روی صفحه مدرج نمایش می‌ دهد. لوله‌ های بوردون اغلب برای اندازه‌ گیری فشارهای متوسط تا بالا (تا بیش از ۶۰۰۰ بار) در سیستم‌ هایی مانند کمپرسورها، بویلرها و خطوط هیدرولیک به کار می‌ روند.

🔹دیافراگمی 

روش اندازه‌ گیری فشار با استفاده از دیافراگم بر مبنای تغییر شکل مکانیکی یک غشای نازک و انعطاف‌ پذیر در پاسخ به اختلاف فشار استوار است. در این روش، دیافراگم (که در تصویر با سطح مقطع A مشخص شده) به عنوان یک سد بین دو ناحیه فشار عمل می‌ کند. اگر فشار اعمالی در یک طرف بیشتر از طرف دیگر باشد، دیافراگم تحت تأثیر نیروی خالص خم شده و تغییر شکل می‌ دهد. این جابجایی یا خم شدن، که مستقیما متناسب با اختلاف فشار است، توسط یک سیستم انتقال مکانیکی (مانند اهرم‌ ها و چرخ‌ دنده‌ ها در گیج سمت راست) یا از طریق یک مبدل الکتریکی به سیگنال قابل اندازه‌ گیری تبدیل می‌ شود تا مقدار فشار را روی یک صفحه (Scale) نمایش دهد. این روش برای اندازه‌ گیری فشارهای پایین و همچنین در شرایطی که سیال خورنده، ویسکوز یا کثیف است (مانند صنایع غذایی و دارویی)، ایده‌ آل است.

🔹بیلوز / کپسولی 

روش بیلوز و کپسولی بسیار حساس بوده و عمدتا برای اندازه‌ گیری فشارهای بسیار پایین یا خلاء به کار می‌ رود. ندازه‌ گیری فشار با بیلوز از طریق تغییر طول یک لوله فلزی چین‌ دار (آکاردئونی) انجام می‌ شود. وقتی فشار به داخل بیلوز اعمال می‌ شود، این عنصر کشیده شده و طولش افزایش می‌ یابد. این حرکت خطی، که مستقیماً متناسب با فشار است، توسط یک اهرم به مکانیزم چرخشی منتقل می‌ شود تا حرکت را تقویت و به عقربه برساند. عقربه نیز روی مقیاس (Scale)، مقدار فشار را نمایش می‌ دهد. در تصویر زیر می بینید که این روش می‌ تواند از دو بیلوز برای مقایسه دو فشار و اندازه‌ گیری فشار تفاضلی هم استفاده کند.

🔹پیزومقاومتی / استرین گیج

روش پیزومقاومتی یکی از متداول‌ ترین و پیشرفته‌ ترین روش‌ های اندازه‌ گیری الکترونیکی فشار است که در ترانسمیترهای دقیق فشار به کار می‌ رود. در این روش، فشار اعمالی (که در اینجا به صورت نیرو (Force) نمایش داده شده باعث ایجاد کرنش و تغییر شکل در یک عنصر الاستیک می‌ شود، که معمولا یک دیافراگم سیلیکونی یا فلزی است. استرین گیج های  پیزومقاومتی، که اغلب به صورت الگویی از یک سیم مقاومتی نازک یا لایه‌ های نیمه‌ رسانا هستند، به این عنصر الاستیک چسبانده می‌ شوند. با تغییر شکل عنصر، طول و سطح مقطع سیم‌ های استرین گیج تغییر کرده و در نتیجه، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌ کند. این تغییر مقاومت، که متناسب با فشار اعمالی است، با استفاده از مدارهای اندازه‌ گیری (مانند پل وتستون) به یک ولتاژ خروجی قابل اندازه‌ گیری تبدیل می‌ شود تا مقدار دقیق فشار را نمایش دهد. این سنسورها دقت و پایداری بسیار بالایی دارند و در اکثر کاربردهای صنعتی استفاده می‌ شوند.

🔹اندازه‌ گیری خازنی 

روش اندازه‌ گیری فشار خازنی بر اساس تغییر ظرفیت الکتریکی یک خازن در اثر تغییر شکل مکانیکی ناشی از فشار است. در این سنسور، فشار سیال از طریق ورودی فشار (Pressure port) وارد شده و به یک عنصر حساس (مانند دیافراگم و احتمالاً بیلوز فشار که به دیافراگم متصل است) اعمال می‌ شود. این فشار باعث می‌ شود که دیافراگم خم شده و جابجا شود. دیافراگم به عنوان یکی از صفحات خازن عمل می‌ کند و در نزدیکی صفحات خازن ثابت قرار دارد.

همانطور که دیافراگم حرکت می‌ کند، فاصله بین صفحات خازن تغییر می‌ کند و این تغییر فاصله، باعث تغییر در ظرفیت الکتریکی می‌ شود. مدار الکترونیکی سپس این تغییر ظرفیت را به یک سیگنال خروجی متناسب با فشار اعمال شده تبدیل می‌ کند. سنسورهای خازنی به دلیل دقت بالا در اندازه‌ گیری فشارهای بسیار کم، مقاومت عالی در برابر دماهای متغیر و همچنین پایداری خوب در طول زمان، در کاربردهای آزمایشگاهی و فرآیندهای حساس بسیار محبوب هستند.

🔹پیزوالکتریک (ترانسمیتر فشار)

روش اندازه‌ گیری فشار پیزوالکتریک از خاصیت مواد کریستالی خاصی (مانند کوارتز) استفاده می‌ کند که با اعمال تنش مکانیکی، بار الکتریکی تولید می‌ کنند. در این سنسور، فشار سیال (Pressure) ابتدا باعث خم شدن و تغییر شکل دیافراگم می‌ شود که این حرکت مکانیکی، نیرو را به یک کریستال پیزوالکتریک منتقل می‌ کند. تحت این نیروی فشاری، کریستال پیزوالکتریک پدیده‌ی «اثر پیزوالکتریک» را نشان داده و متناسب با مقدار نیروی وارد شده (و در نتیجه فشار اعمالی)، یک ولتاژ خروجی در پایانه‌ های خود تولید می‌ کند که به صورت مستقیم مقدار فشار را نشان می‌ دهد. با این حال، از آنجایی که بار الکتریکی تولید شده با گذشت زمان نشت می‌ کند، این سنسورها معمولا برای اندازه‌ گیری فشارهای ثابت (استاتیک) کاربرد کمتری دارند و در عوض در ابزارهای لرزش‌سنجی و شوک‌ سنجی در فرآیندهای آزمایشی و کنترلی استفاده می‌ شوند.

بهترین برندهای ترانسمیتر فشار

🔹اندازه‌ گیری نوری

روش اندازه‌ گیری فشار نوری که در تصویر نمایش داده شده است، بر اساس تغییر شدت نوری است که به دو دیود حساس به نور می‌ رسد. در این سنسور، فشار اندازه‌ گیری‌شده از طریق کانال ورودی وارد شده و باعث حرکت یک پره مات (Opaque vane) می‌ شود. این پره به عنوان یک مسدود کننده متغیر عمل می‌ کند و در مسیر نوری قرار می‌ گیرد که از یک دیود ساطع‌ کننده نور (LED) به سمت دو دیود گیرنده(دیود مرجع (Reference Diode) و دیود اندازه‌ گیری (Measuring Diode)) تابیده می‌ شود.

با افزایش فشار، پره حرکت کرده و میزان نوری که به دیود اندازه‌ گیری می‌ رسد را کاهش می‌ دهد، در حالی که نوری که به دیود مرجع می‌ رسد، معمولا ثابت می‌ ماند یا به روش دیگری تغییر می‌ کند. سنسور با مقایسه تغییرات سیگنال الکتریکی دیود اندازه‌ گیری نسبت به دیود مرجع، یک ولتاژ خروجی متناسب و دقیق با فشار اعمال شده تولید می‌ کند. مزیت اصلی این سنسورها، ایمنی ذاتی آن‌ ها در محیط‌ های خطرناک و مستعد انفجار، ایمنی کامل در برابر تداخلات الکترومغناطیسی (EMI)، و قابلیت کار در دماهای بسیار بالا است. به همین دلیل، در صنایع نفت و گاز، و در محیط‌هایی که دقت و ایمنی بالا در کنار هم مهم هستند، استفاده از آن‌ ها رو به افزایش است.

🔹اندازه گیری فشار با فشارسنج پیرانی 

فشارسنج پیرانی بر اساس انتقال حرارت از یک سیم داغ به گاز اطراف عمل می کند که به طور خاص برای سنجش فشارهای بسیار پایین (خلاء) استفاده می‌ شود. در این روش، یک سیم حسگر (Sensor wire) در داخل لوله حسگر (Sensor tube) قرار داده شده و توسط یک مدار پل وتستون داغ نگه داشته می‌ شود. سیم حسگر با اعمال جریان الکتریکی داغ شده و حرارت آن به مولکول‌ های گاز داخل لوله منتقل می‌ شود. هرچه فشار گاز در سیستم خلاء بالاتر باشد، تراکم مولکول‌ ها بیشتر است، در نتیجه سرعت انتقال حرارت از سیم به گاز افزایش یافته و دمای سیم پایین می‌ آید. کاهش دما باعث کاهش مقاومت سیم حسگر می‌ شود، که این تغییر مقاومت توسط پل وتستون اندازه‌گیری شده و به صورت یک ولتاژ خروجی (V) متناسب با فشار نمایش داده می‌ شود.

🔹کنترل نقطه ای فشار

کنترل نقطه‌ ای فشار، که به آن سوییچ فشار (Pressure Switch) نیز گفته می‌ شود، یک روش ساده اما موثر برای کنترل سیستم‌ ها بر اساس رسیدن فشار به یک مقدار از پیش تعیین شده است. در این روش، یک سنسور فشار (مانند دیافراگم، بیلوز، یا لوله بوردون) به گونه‌ ای طراحی شده که وقتی فشار از یک نقطه تنظیم (Set Point) خاص عبور می‌ کند (بالاتر یا پایین‌ تر از آن می‌ رود)، یک کنتاکت الکتریکی را فعال یا غیرفعال کند. این کنتاکت سپس برای روشن یا خاموش کردن یک پمپ، شیر، فن یا هر دستگاه دیگری که نیاز به کنترل بر اساس فشار دارد، مورد استفاده قرار می‌ گیرد.

جدول مقایسه روش های اندازه گیری فشار

پرشر سوئیچ چیست؟

نتیجه گیری 

 تنوع در روش‌ های اندازه‌ گیری، از اصول مکانیکی کلاسیک مانند لوله بوردون و مانومترهای دقیق ستون مایع گرفته تا فناوری‌ های پیشرفته الکترونیکی مانند پیزومقاومتی و خازنی، به مهندسان این امکان را می‌ دهد که ابزار مناسب را برای هر شرایط خاص انتخاب کنند. درک تفاوت‌ های اساسی بین فشار گیج، مطلق و تفاضلی، تعیین‌ کننده دقت و صحت داده‌ های جمع‌ آوری شده است. 

برای اطمینان از صحت و عملکرد دقیق سیستم‌ های اندازه‌ گیری خود، انتخاب و خرید ابزار دقیق با کیفیت بالا و مطابق با استانداردهای جهانی حیاتی است. فروشگاه پیکاتک با تخصص در تامین انواع تجهیزات ابزار دقیق مانند ترانسمیترهای فشار، سوئیچ‌ های دقیق و گیج‌ های صنعتی، آماده ارائه مشاوره و تامین تجهیزات معتبر برای نیازهای تخصصی شماست.