گیج فشار یکی از پرکاربردترین تجهیزات ابزار دقیق در صنایع است. با توجه به کاربرد بالای این تجهیز در سیستم های مختلف لازم است تا با ساختار و روش کاربرد آن آشنایی کامل داشته باشیم تا عمر تجهیز و یا سیستم کاهش نیابد. گیج فشار ابزاری است که جهت اندازه گیری فشار ) غالباً سیال ( به کار برده می شود و این مقدار براساس نیروی اعمال شده توسط سیال )مایع یا گاز( بر روی دیسک آن مشخص می شود. در واقع فشار بر حسب نیرو بر واحد سطح اندازه گیری می شود. تکنیک های بسیاری برای اندازه گیری فشار وجود دارند. ابزار هایی که برای انداز گیری و نمایش فشار در یک واحد انتگرال استفاده می شوند، گیج فشار نامیده می شود.
کلمه ی ”گیج“ یا ”خلا“ ممکن است به کلمه اندازه گیری اضافه شود تا فشار باال و پایین اتمسفر تشخیص داده شود. هر دو میلی متر جیوه و اینچ آب هد های فشاری رایج هستند. که می توانند با استفاده از تبدیل واحد فشار و فرمول های باال به واحد های فشار SI تبدیل شوند
ساختمان گیج :
ساختمان گیج فشار به 2 دسته ثابت و متحرک تقسیم شده است .
دسته ثابت ( stationary part )
A بلوک گیرنده : این قطعه به لوله ورودی انتهای ثابت لوله بوردن(1 ) متصل است و صفحه شاسی (B) را نگه می دارد و دو سوراخ پیچ ها را می گیرد و محفظه را ایمن نگه می دارد.
B: صفحه شاسی : کارت صفحه به این قسمت متصل است. این قطعه شامل سوراخ هایی تحمل کننده برای محور هاست.
C: صفحه شاسی ثانویه : این قطعه انتهای بیرونی محور ها را پشتیبانی می کند.
D: پست هایی برای اتصال و قرار دادن دو بشقاب شاسی.
قطعات متحرک (Moving parts)
انتهای ثابت لوله بوردون: این قطعه با لوله ورودی از طریق بلوک گیرنده ارتباط برقرار می کند.
انتهای متحرک لوله بوردون: این پایانه مهر و موم شده است
محور و پین محوری
لینک اتصال پین محوری به اهرم همراه با پین ها که اجازه چرخش به مفصل ها را می دهد.
اهرم: این قطعه گسترش دهنده چرخ دنده است.
پین محور چرخ دنده
چرخ دنده
محور سوزنی نشانگر : این قطعه دنده تیزی دارد که چرخ دنده را می گیرد و از طریق صفحه تا سوزن نشانگر گسترش می یابد. با توجه به فاصله کوتاه بین بازوی اهرمی و پین محوری و اختالف بین شعاع موثر دنده تیز و چرخ دنده، هر حرکتی در لوله بوردون به شدت تقویت می شود و حرکت کوچک لوله باعث حرکت بزرگ سوزن شاخص می گردد.
. فنر مویی به طور پیش فرض برای از بین بردن ضربه و هیسترسیس دنده قرار داده می شود.
ساختمان اصلی گیج فشار :
بدنه یا هوزینگ (Housing or Case):
بدنه ی گیج های فشار توسط مواد مختلفی می تواند طراحی و ساخته شود. به طور کلی جنس بدنه به کابرد (Application) وابسته است. هر چقدر محیط نصب سنسور صنعتی تر و خشن تر باشد جنس بدنه نیز باید محکم تر و مقاوم تر باشد. به طور مثال از پلی پروپین (polypropylene) و فولاد ضد زنگ برای مصارف صنعتی و از آلومینیوم یا استیل برای مصارف ساختمانی استفاده می شود.
در پوش منفذ ورودی (Vent plug, vent Valve ):
همه ی گیج های فشار دارای این منفذ نیستند اما در اکثر گیج های فشار، به خصوص گیج های فشار ویکا (WIKA)، این منفذ به همراه یک درپوش بر روی قسمت بالای بدنه در نظر گرفته شده است. هدف از قرارگیری این منفذ در گیج های فشار مختلف، متفاوت است اما یکی از مهمترین دلایل آن، اجازه ورود و پر کردن گیج با مایع پرکن (Filling Fluid or Damping Fluid) می باشد.
مایع پر کن (Filling fluid or Damping fluid ) :
معمولا در کاربردهایی که لرزش های شدید وجود دارد به منظور محافظت از قسمت های مکانیکی داخلی گیج و خوانش صحیح مقادیر اندازه گیری شده از مایع پرکن استفاده می شود. این مواد (مایعات پرکن) از لحاظ نوع ویسکوزیته و شرایط دمایی با یکدیگر متفاوت هستند. دو مورد از پر مصرف ترین آن ها عبارتند از گلیسیرین (Glycerin) و روغن سیلیکون (Silicon Oil) که خود دارای انواع مختلفی نیز می باشند. در محدوده فشارهای بسیار کم، از مایعات با ویسکوزیته بالا (Highly Viscous Fluids) استفاده نمی شود، زیرا آن ها می توانند مقدار اندازه گیری شده را تحت تاثیر قرار دهند.
دلایل استفاده از منفذ ورودی (Vent Plug, Vent Valve) و مایع پرکن (Fill Fluid or Damping Fluid) در گیج های فشار:
تغییر شرایط محیطی (به طور مثال افزایش دما در اثر تابش نور خورشید) می تواند منجر به تغییر فشار داخل گیج شود، این تغییر فشار می تواند بر روی اندازه گیری فشار تاثیر گذاشته و منجر به انحراف مقادیر اندازه گیری شده شود. بنابراین باز کردن منفذ ورودی امکان جبران تغییرات فشار و یکسان سازی فشار درون محفظه گیج را با فشار اتمسفر فراهم می کند. معمولا برای گیج های فشار بیشتر از ۱۶ بار چنین منفذی در نظر گرفته نمی شود زیرا خطای ناشی از تغییرات دمایی در مقایسه با رنج فشار بسیار کوچک و قابل چشم پوشی است و گیج می تواند همچنان متناسب با کلاس درستی ذکر شده برای آن، عملکرد قابل قبولی از خود ارائه دهد. همچنین در مواردی که نیاز به طراحی پرشر گیج آب بندی شده با IP بالا می باشد از این منافذ استفاده نمی شود.
استفاده از مایع پرکن باعث می شود که در مواردی که گیج تحت تاثیر لرزش و نوسان شدید قرار می گیرد، عقربه ثابت مانده و خوانش صحیح فشار امکان پذیر شود. به عبارت دیگر مایع پرکن منجر به کاهش شدید نوسانات عقربه می شود. همچنین لرزش های شدید منجر به به وجود آمدن آسیب های دائمی و کاهش طول عمر گیج های فشار می شود. بنابراین استفاده از مایع پرکن علاه بر این که از آسیب های مکانیکی در اثر لرزش جلوگیری نموده، همچنین باعث روغن کاری قطعات مکانیکی داخل گیج هم شده که این امر باعث افزایش طول عمر آن ها می شود.
هنگامی که یک گیج فشار خشک (بدون مایع پرکن) در محیط های با دمای بسیار پایین (یا محیط های بسیار مرطوب) به کار گرفته شود، به دلیل پدیده میعان، قطراتی از آب بر روی قسمت داخلی شیشه ی گیج فشار ایجاد می شوند. این قطرات ممکن است حتی یخ بزنند و خوانش راحت فشار را تحت تاثیر قرار دهند. استفاده از مایع پرکن از این امر جلوگیری نموده و خوانش صحیح فشار را تضمین می کند.
عنصر حسگر اندازه گیری فشار(Pressure Sensing Element )
عناصر حسگر نیروی اعمال شده توسط سیال (مایع، گاز) را به یک جا به جایی مکانیکی تبدیل می کنند. از این جا به جایی می توان به منظور حرکت یک عقربه بر روی یک صفحه مدرج و یا به منظور تغییر در مقاومت یا ظرفیت یک خازن و سپس اندازه گیری تغییرات الکتریکی استفاده نمود. بنابراین گیج های فشار بر اساس عنصر حسگر و نحوه ی اندازه گیری فشار به ۳ دسته زیر تقسیم می شوند:
1. برون تیوب :
بوردن تیوب ها از آلیاژهای فلزی شبیه فنر ساخته می شوند که به شکل دایره ای خم شده اند. تحت تاثیر فشار داخلی، بوردن تیوب سعی می کند که به شکل اصلی خود (قبل از تولید و خم شدن) برگردد. به عبارت دیگر در گیج های فشار بوردون تیوب، عنصر حسگر به شکل یک لوله ی منحنی که به صورت دایره ای، مارپیچ یا … پیخ خورده است ساخته می شوند. هنگامی که فشار داخل لوله از فشار اطراف آن بیشتر شود عنصر حسگر به سمت خارج حرکت می کند (باز می شود) و هنگامی که فشار داخلی آن کمتر از فشار اطراف آن باشد، دوباره به سمت داخل حرکت کرده و جمع می شود. همین امر منجر به یک جا به جایی مکانیکی و حرکت عقربه به واسطه ی یک لینک یا رابط (Link) بر روی صفحه ی مدرج، متناسب با فشار ورودی می شود. . گیج های فشار بوردن تیوب، متداول ترین نوع گیج های فشار می باشند و در بسیاری از کاربردها برای اندازه گیری فشار از ۶۰۰ mbar تا bar ۴۰۰۰ مورد استفاده قرار می گیرند.
2. دیافراگمی:
گیج های فشار دیافراگمی از یک غشای دایره ای شکل که در ابعاد دقیق از یک ورق فلری ساخته شده، تشکیل شده اند. این غشا می تواند به صورت صاف یا موج دار (راه دار) باشد. دیافراگم به صورت مکانیکی به یک مکانیزم انتقال متصل است که انحرافات کوچک دیافراگم را تقویت کرده و آن ها را به عقربه منتقل می کند. گیج های فشار دیافراگمی نیز به دو دسته زیر تقسیم می شوند:
گیج های فشار دیافراگمی
اصول کار یک اندازه گیر فشار دیافراگمی، مطابق شکل زیر است. در اثر اعمال فشار بر صفحه A، سطح A تغییر شکل می دهد. سطح A را می توانید به اندازه ای بگیرید تا تغییرات دلخواهی در سطح داشته باشید. جنس دیافراگم را می توانید فلز یا غیر فلز انتخاب نمایید. لاستیک و چرم از انواع متداول دیافراگم های غیرفلزی هستند. دیافراگم های غیرفلزی معمولاً در ابعاد بزرگ ساخته می شوند و برای اندازه گیری فشارهای پایین تر مورد استفاده قرار می گیرند.
: گیج های فشار کپسولی
یک کپسول از دو دیافراگم فلزی تشکیل شده که به یکدیگر جوش شده اند. فضای بین دو دیافراگم با سیال تراکم ناپذیری که دارای ویژگی های مخصوصی هستند پر شده است. در بعضی طرح ها می توانید چندین کپسول را با یکدیگر سری کنید. در این حالت جابه جایی ناشی از فشار، برابر مجموع جابه جایی های کپسول ها خواهد بود و بدین ترتیب شیب اندازه گیری افزایش می یابد.
.
3.بیلوز:
یاز به یک عنصر سنجش فشار که نسبت به فشارهای کم، بسیار حساس بوده و بتواند نیروی لازم برای فعال سازی، ضبط و نشان دادن مکانیزم را ایجاد کند، منجر به توسعه ی عنصر سنجش فشار فلزی بیلوز شد. بیلوزهای فلزی در فشارهای ۰٫۵ … ۷۵ psig در دقیق ترین حالت عملکرد خود هستند. با این حال، هنگامی که همراه با فنر سنگین استفاده می شوند، می توان از آن ها برای اندازه گیری فشارهای بیش از ۱۰۰۰ psig استفاده کرد.
صفحه مدرج ( Dial ):
صفحه نمایش (Dial) گیج های فشار حاوی اطلاعات بسیار مهم و ارزشمندی است
عقربه –نشانگر (pointer):
عقربه ها معمولا از جنس آلومینیوم ساخته می شوند. هنگام افزایش فشارهای مثبت، در جهت عقربه های ساعت و هنگام افزایش فشارهای وکیوم در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند. به این نوع عقربه ها Maximum/Minimum Indicating Pointers نیز گفته می شود زیرا فقط قادر به نشان دادن افزایش و کاهش فشار می باشند. آن ها معمولا توسط یک دکمه خارجی ریست می شوند.
صفحه محافظ شفاف(Window) :
درواقع window یک صفحه شفاف است که جلوی پرشر گیج قرار می گیرد و علاوه فراهم کردن امکان مشاهده فشار اندازه گیری شده وظیفه محافظت از Dial (صفحه نمایش) و عقربه را نیز به عهده دارد. معمولا توسط یک حلقه یا رینگ (Ring) در محل خود ثابت نگه داشته می شود، به عبارت دیگر توسط یک رینگ یا حلقه به بدنه گیج فشار پیچیده یا چسبانده می شود.
پلاستیک، پلی کربن (Polycarbonate-PC)، شیشه شفاف (Clear Glass) و شیشه لمینت (Laminated Glass) یا همان شیشه های چند لایه مطمئن (Multi-layer safety glass) از جمله مواد رایجی هستند که برای ساخت صفحه شفاف به کار می روند.
حلقه یا رینگ (Ring) :
وظیفه رینگ، محکم نگه داشتن صفحه شفاف به بدنه می باشد. انواع مختلفی از رینگ ها بر اساس نوع بدنه، طراحی و ظاهر وجود دارند که مهم ترین آن ها عبارتند از: Threaded Ring, Bayonet Ring, Crimped Ring, Friction Ring, Hinged Ring, Slip Ring, Snap Ring
پورت فشار –کانکشن مکانیکی (Process Connection):
پورت فشار، علاوه بر فراهم کردن یک درگاه ورودی به منظور ورود سیال، وظیفه اتصال مطمئن ابزار به پروسه (خط فشار، مخزن تحت فشار و غیره) را نیز به عهده دارد. بنابراین نحوه نصب (Mounting) در گیج های فشار از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از این رو به طور کلی گیج های فشار از لحاظ محل اتصال (Mounting Location) به سه دسته کلی Lower Mount (LM), Lower Back Mount (LBM), Center Back Mount (CBM) تقسیم می شوند.
نوع اتصال گیج فشار :
اتصال یا کانکشن در مانومترها یعنی محل اتصال بدنه گیج به فرایند است که انواع مختلفی دارند اما از پرکاربردین ترین آنها می توان به دو مدل زیر اشاره کرد: G و NPT
تفاوت بین NPT و G نیز در مدل رزوه های آنهاست که NPT تا حدودی مخروطی شکل هستند ولی مدل G معموال به شکل مستقیم هستند. وقتی این دو اتصال کنار هم قرار می گیرند ، تفاوت بین آنها کاملاً مشخص است. رزوه NPT کمی مخروطی است ، در حالی که اتصال G مستقیم است.نکته دیگر در تفاوت بین NPT و G در یک نگاه : اتصال G با یک برآمدگی کوچک در انتهای خود دارد که برای مرکز قرار دادن واشر استفاده می شود. روش سوم اندازه گیری زاویه بین رزوه ها است: رزوه های NPT 60 درجه هستند ، در حالی که رزوه های BSP 55 درجه هستند. تشخیص تفاوت بین NPT و G از آنجا که اتصال G پایین است ، هیچ رزوه ای قابل مشاهده نیست. در اتصال NPT ، چند رشته یا نوار PTFE در معرض دید هستند و به این ترتیب به راحتی می توانیم آن را تشخیص دهید.
انتخاب بین هر کدام از آنها به شرایط فرآیند و دیگر اتصاالت مربوط خواهد شد. وقتی این دو اتصال کنار هم قرار می گیرند ، تفاوت بین آنها کامالً مشخص است .رزوه NPT کمی مخروطی است ، در حالی که اتصال G مستقیم است.
کلاس دقت یا کلاس درستی (Accuracy Class):
یکی از مهم ترین پارامترهایی که هنگام خرید یک گیج فشار باید به آن توجه کنید، درستی (Accuracy) است. گرچه درستی یک مفهوم پیچیده نیست (درستی فقط بیان کننده درجه ی مطابقت مقدار اندازه گیری شده با مقدار صحیح واقعی می باشد) اما روش هایی که میزان درستی یک گیج فشار را بیان می کنند ممکن است کمی گیج کننده باشند. برای اطمینان از این که آیا گیج فشار از درستی و دقت مورد نیاز متناسب با کاربرد شما برخوردار است یا خیر، لازم است بدانید که درستی، چگونه توسط تولیدکنندگان گیج فشار درجه بندی می شود زیرا معمولا از این درجه بندی ها بیشتر از درستی واقعی استفاده می شوند. به طور کلی میزان کلاس درستی در گیج های فشار یا به صورت درجه (Grade) مانند B, 2A, … و یا به صورت درصدی از محدوده ی اندازه گیری مانند ۳-۲-۳% of span ± نمایش داده می شود. در جداول زیر جزییات مربوط به درستی، مطابق با استانداردهای EN 837 ,ASME B40.1, ASME B40.7 بیان شده است.
استاندارد ASME B40.1، که به معرفی درجه درستی گیج های فشار آنالوگ (Dial Pressure Gauge) می پردازد.
درستی گیج فشار
درستی گیج های فشار تحت شرایط خاص محیطی – دمای ۲۳ C° (۷۳٫۴° F) و فشار بارومتریک ۲۹٫۹۲ inHg (1013 mbar) – تعریف می شود. سایر شرایط محیطی نیز می تواند بر روی درستی تاثیر گذار باشد.
درستی می تواند بر حسب درصدی از محدوده اندازه گیری (% of span) و یا به صورت درصدی از مقادیر خوانده شده (% of reading) بیان شود. روش % of span نسبت به روش % of reading بسیار متداول تر است. در واقع روش % of reading اکثرا برای گیج های تست دقیق و یا گیج های دیجیتال با رزولوشن بالا استفاده می شود.
استانداردی که گیج فشار مطابق با آن طراحی شده است.:
Wetted Parts Material :
این بخش بیانگر جنس ماده ای است که برای ساخت قسمت های در ارتباط با سیال (Wetted Prats Material) استفاده شده است مانند استیل ۳۱۶L (SS316L) و استیل ۳۰۴ (SS304) و غیره. در قسمت پورت فشار به بررسی دقیق تر این موضوع خواهیم پرداخت.
سریال نامبر (Serial Number)
طراحی ایمن (Safety Designed) : حرف “S” داخل دایره در قسمت Dial در برخی از گیج های فشار بیانگر این است که این گیج به صورت ایمن (Safety Designed) طراحی شده تا از پرسنل عملیاتی، هنگام خراب شدن گیج (به طور مثال خراب شدن در اثر Overpressure) محافظت کند.
طراحی ایمن گیج های فشار، اول از همه بر روی گیج های فشار بوردون تیوب تمرکز دارد. زیرا این دسته از گیج ها برای اندازه گیری محدوده فشارهای بیشتری مورد استفاده قرار می گیرند. الزامات و جزییات مربوط به طراحی این دسته از گیج ها در استاندارد EN 837-1 قابل مشاهده است. این استاندارد سه نوع طراحی ایمن (Safety Design) را برای محافظت از اپراتور در برابر خرابی بوردون تیوب و آزاد شدن گاز فشار بالا درون محفظه بیان می کند. گاز آزاد شده باید به دور از اپراتور در یک منطقه امن تخلیه شود. قبل از بررسی این سه مورد ابتدا باید با یک سری از مفاهیم زیر آشنا شویم:
Blow out :
نکته مهم Blow out مرتبط با Safety design این است که هنگامی که به دلیل خرابی بوردون تیوب، فشار در داخل محفظه افزایش می یابد، Blow out (معمولا یک پلاگ پلاستیکی مشکی رنگ در قسمت پشت یا بالای گیج فشار) به بیرون پرتاب می شود زیرا فشار داخل محفظه نباید بیشتر از نیمی از فشار انفجار (Burst Pressure) صفحه محافظ شفاف (Window) شود. Blow out نباید توسط گرد و خاک و یا چیزهای دیگری مسدود شود. بنابراین هنگام نصب باید مراقب باشید که حداقل ۲۰ میلی متر فاصله بین آن و سایر اشیایی که در مجاورت گیج فشار قرار دارند وجود داشته باشد.
دیوار بافل محافظ و مهارکننده داخلی (Solid internal baffle wall):
دیوار بافل یک صفحه جامد است که بین بوردون تیوب و شیشه (Window)، دقیقا پشت Dial قرار می گیرد و به بدنه جوش داده می شود. در صورت خرابی بوردون تیوب دیوار بافل از شیشه در برابر افزایش فشار محافظت می کند و سپس فشار ایجاد شده از طریق Blow out به در یک فضای مطمئن تخیله می شود. تعداد و اندازه ی حفره های روی دیوار بافل باید به حداقل ممکن برسد. تنها حفره هایی برای عقربه، پیچ های باز و بست و حفره مربوط به پرکن مایع به منظور پرکردن فضای بین شیشه و دیوار بافل با مایع پرکن باید وجود داشته باشد. به طور کلی دو نوع گیج فشار Safety pattern وجود دارد: بدون Baffle wall و دارای Baffle wall.
مزایا: اندازه گیری با فشار سنج یا گیج آنالوگ ارزان و استفاده از آن آسان است ، و از آنجا که آنها از قطعات مکانیکی ساخته شده اند ، به منبع انرژی یا تغذیه احتیاج ندارند.
معایب : فشار سنج یا پرشر گیج آنالوگ کاملاً مکانیکی هستند. آنها از چرخ دنده های کوچک و قطعات متحرک ساخته شده اند ، بنابراین به احتمال زیاد درشرایط معمولی در صنایع یا آزمایشگاه می توانند به مروز زمان آسیب ببینند. در نتیجه ، فشارسنجهای آنالوگ به ویژه مواردی که در معرض لرزش مکانیکی قرار دارند و در کاربردهایی که دارای پالس فشار ثابت هستند ، قطعات متحرک فشارسنجهای آنالوگ می توانند سریع از بین بروند و منجر به قرائت نادرست و شرایط کاری بالقوه ناامن شود. پرشر گیج های آنالوگ مستعد خرابی در فشار بیش از حد ، درجه حرارت شدید ، خوردگی ، گرفتگی ، لرزش و بخار هستند ، بنابراین نیاز به کالیبراسیون مجدد و مداوم دارند. در عین حال کالیبراسیون گیج فشار آنالوگ نیاز به باز کردن و دستکاری پیچ های تنظیم دارد که می تواند باز از خطای کاربرآسیب ببیند .
کاربردهای گیج فشار :
صنایع شیمیایی و پتروشیمی
صنعت ماشین سازی
استخرج نفت و گاز
صنعت حفاری
صنایع الستیک سازی
کارخانه های تولیدی
صنعت پزشکی و دارو سازی
کارخانه های غذا و نوشیدنی
تهویه مطبوع
اندازه گیری سطح
اندازه گیری جریان سیال
شناسایی نشتی
تجهیزات هیدرولیک و پنوماتیک
تولید برق و نیروگاه ها
تجهیزات آزمایشگاهی
