ضرورت اندازه‌گیری فشار در علوم مختلف مانند: مهندسی، فیزیک، شیمی، پزشکی و صنایع مختلف بر کسی پوشیده نیست. تاریخچه اندازه‌گیری فشار قدمتی بسیار کهن دارد و با توسعه تکنولوژی، روش‌ها و تجهیزات مختلفی برای اندازه‌گیری فشار ابداع شده است. ابداع بارومتر توسط ابزارساز ایتالیایی توریچلی، به‌عنوان ابزار اندازه‌گیری فشار جوی مهمترین پیشرفت در این زمینه بود. که از آن برای پیش بینی تغییرات آب و هوا استفاده می‌کرد. توسعه دستگاه‌های الکترونیکی و مهندسی برق منجر به توسعه تکنولوژی‌های جدیدی برای اندازه‌گیری فشار شد. از جمله این تکنولوژی‌ها می‌توان به سنسورهای فشار، ترانسمیترهای فشار و ترانسدیوسرها اشاره کرد.
توسعه فناوری نانو و افزایش دقت در اندازه‌گیری فشار و استفاده از سنسورهای فشار پیزوالکتریک و ترانسدیوسرهای مبتنی بر میکروالکترونیک به نسبت رایج شده است. امروزه، اندازه‌گیری فشار در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد و تکنولوژی‌های پیشرفته‌تر و دقیق‌تری نسبت به گذشته برای اندازه‌گیری فشار وجود دارد. این تکنولوژی‌ها از اندازه‌گیری فشار خون تا کاربردهای صنعتی مختلف از جمله کنترل فشار در پمپ‌ها، کمپرسورها، و دستگاه‌های پرس و سایر تجهیزات بهره‌برداری می‌شوند.
مفهوم فشار چیست؟
به نیروی اعمال شده بر سطح یک جسم در واحد سطح را فشار می‌گویند. مقدار فشار وارده بر سطح را از فرمول P=F/A محاسبه می‌کنند.
به هر چیزی که باعث شود یک جسم به حرکت غیر طبیعی وادار شود را نیرو گویند.
واحد فشار چیست؟
واحد فشار پاسکال Pa است و یک پاسکال بیانگر نیروی یک نیوتنی اعمال شده بر مساحت یک متر مربع است. همچنین مقدار فشار را با واحد بار Bar و کیلو پاسکال KPa نیز بیان می‌کنند. هر یک بار برابر است با 100KPa.
چرا فشار را اندازه گیری می کنیم
اندازه گیری و کنترل فشار سیال در صنایع فرآیندی امری ضروری و مهم است. سنسور های فشار عموما میتوانند مقدار فشار گازها یا مایعات را بسنجند. سنسور فشار به عنوان یک مبدل عمل می کند و سیگنالی الکتریکی را به عنوان تابعی از فشار وارد شده تولید کند. از سنسورهای فشار می توان برای اندازه گیری غیر مستقیم متغیرهای دیگر مانند جریان سیال/گاز، سرعت، سطح آب و ارتفاع استفاده کرد.
انواع فشار چیست؟
فشار جوی (Atmospheric Pressure):
فشار جوی فشاری است که توسط هوا و گازهای موجود در جو زمین به اثر می‌آید. این فشار به علت گرانش زمین و تغییرات آب و هوا تغییر میکند. واحد اندازه‌گیری معمول فشار جوی بار (Bar) و یا پاسکال (Pascal) است.
فشار هیدرواستاتیک (Hydrostatic Pressure):
این نوع فشار به فشاری اشاره دارد که در اثر اعماق سیالات (معمولاً آب) ایجاد می‌شود. فشار هیدرواستاتیک از فرمول P = ρgh محاسبه می‌شود، که در آن P فشار، ρ چگالی ماده، g شتاب گرانش و h عمق سیال است.
فشار دینامیکی (Dynamic Pressure):
فشار دینامیکی به فشاری اشاره دارد که ناشی از سرعت جریان سیالات است. این نوع فشار در اندازه‌گیری و مهندسی سیالات مهم است و معمولاً با فرمول P = 0.5 * ρ * v^2 محاسبه می‌شود.
فشار استاتیک (Static Pressure):
فشار غیرفعال یا فشار استاتیکی فشاری است که تنها به اثر جرم مایع (مایع غیر جاری) نسبت داده می‌شود و در نقاطی که سیال در حالت ثابت قرار دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع فشار نقطه‌ای (Point Pressure) نیز نامیده می‌شود.
فشار اتمسفریک (Absolute Pressure):
فشار اتمسفریک به فشار جوی به اضافه فشار جوی از سطح زمین به خارج از جوی زمین اشاره دارد. این فشار معمولاً به واحداتی نظیر پاسکال یا بار اندازه‌گیری می‌شود.
فشار نسبی (Gauge Pressure):
فشار نسبی اختلافی بین فشار مورد نظر و فشار جوی است. این نوع فشار به عنوان فشار گیج (Gauge Pressure) نیز شناخته می‌شود و معمولاً در واحدات بار، پوند بر اینچ مربع (PSI) یا کیلوپاسکال (kPa) اندازه‌گیری می‌شود.
فشار زاویه‌ای (Angle of Repose Pressure):
این نوع فشار به فشاری اشاره دارد که در نقاط تماس مواد جامد با یکدیگر در شیب‌ها و زوایا ایجاد می‌شود. این نوع فشار معمولاً در زمین‌شناسی و مهندسی مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد.
هر کدام از این انواع فشار ویژگی‌ها و کاربردهای مختلفی دارند و در علوم و مهندسی مختلف به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
عوامل موثر بر فشار کدامند؟
از آنجایی که فشار به ناحیه ای که نیرو بر روی آن وارد می شود بستگی دارد و فشار را می توان بدون تغییر در نیرو کم و زیاد کرد. بخاطر ثابت بودن نیروی اعمال شده، اگر سطح کوچکتر شود فشار افزایش می یابد و بالعکس. به عنوان مثال، آجری که روی سطحی نشسته است، نیرویی برابر با وزن خود به جسمی که روی آن قرار گرفته است، وارد می کند. اکنون می دانیم که یک آجر مستطیلی دارای سطحی وسیع در بالا و پایین و سطحی نازک در طرفین است. با تغییر جهت آجری که بر روی یک سطح قرار گرفته است، ما به طور موثر فشار وارد بر سطح را توسط همان آجر تغییر می دهیم.
به عبارت دیگر، اگر سطح کوچکتر شود، فشار بزرگتر می شود. به همین دلیل است که چاقوها و میخ ها بسیار تیز هستند. یک چاقو نیرو را در کل لبه برش خود توزیع میکند. لبه تیزتر، فشار بیشتر و در نتیجه برش با چاقوی تیز آسان است.
همچنین می دانیم که دمای گاز با میانگین انرژی جنبشی مولکول ها متناسب است. با افزایش انرژی جنبشی، برخورد بین مولکول ها افزایش می یابد و در نتیجه فشار در گاز افزایش می یابد.
انواع اندازه گیری فشار کدامند؟
اندازه‌گیری فشار با استفاده از روش‌های مختلف انجام می‌شود، هر یک از این روش‌ها مزایا و محدودیت‌های خود را دارند و بسته به موارد کاربردی خاص ممکن است یک روش بهتر از دیگری باشد.
بارومترها:
بارومترها از جمله پرکاربردترین و ساده‌ترین وسایل برای اندازه‌گیری فشار جوی هستند. بارومترها معمولاً برای اندازه‌گیری فشار جوی به کار می‌روند و دو نوع اصلی دارند: بارومتر زئولر و بارومتر آنر.
سنسورهای فشار:
سنسورهای فشار از تکنولوژی‌های متنوعی برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کنند. این سنسورها میتوانند مبتنی بر فناوری‌های مختلفی باشند از جمله پیزوالکتریک، استرین گیج (Strain Gauge)، کانیکال (Capacitive)، مغناطیسی و غیره. سنسورهای فشار به صورت الکتریکی، مکانیکی یا الکترونیکی عمل می‌کنند.
ترانسدیوسرها (Transducers):
ترانسدیوسرها دستگاه‌هایی هستند که فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سیگنال‌ها بعداً میتوانند توسط تجهیزات الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار گیرند. ترانسدیوسرها میتوانند مبتنی بر فناوری‌های متنوعی باشند.
پیزوالکتریک:
سنسور پیزوالکتریک از تغییرات ولتاژ الکتریکی ناشی از تغییر فشار بر یک ماده پیزوالکتریک بهره می‌برد. این نوع سنسورها برای اندازه‌گیری فشار دینامیکی و فشار نسبی مناسب هستند.
ترانسمیترهای فشار:
ترانسمیترهای فشار دستگاه‌هایی هستند که به تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی مشخص و ارسال این سیگنال به سیستم‌های مانیتورینگ و کنترل می‌پردازند. این دستگاه‌ها معمولاً برای کنترل فشار در سیستم‌های صنعتی استفاده می‌شوند.
اندازه گیری فشار توسط مایعات:
این روش شامل استفاده از مایعات نیمه‌رسانا می‌شود، زمانیکه فشار بر آنها اعمال می‌شود مقدار آن توسط تغییرات مقاومت الکتریکی یا خواص مکانیکی اندازه‌گیری می‌شود.
زوج فشار:
در این روش، دو منظور فشار برای مقایسه استفاده می‌شوند تا فشار نمونه به ازای فشار‌هایی که دقیقاً معلوم هستند اندازه‌گیری شود.
برای مشاهده همه محصولات برند وگا آلمان کلیک کنید
انتخاب روش مناسب برای اندازه‌گیری فشار
انتخاب روش مناسب برای اندازه‌گیری فشار به عوامل متعددی بستگی دارد و نیازمند در نظر گرفتن پارامترهای مختلف است. برخی از مهمترین پارامترهایی که در انتخاب روش اندازه‌گیری فشار تأثیر دارند، عبارتند از:
نوع فشار: همانطور که می‌دانید انواع مختلفی از فشار وجود دارند، از جمله فشار جوی (اتمسفریک)، فشار هیدرواستاتیک، فشار دینامیکی، و فشار غیرفعال (استاتیکی). نوع فشار مورد نظر باید با دقت تعیین شود.
محدوده اندازه‌گیری: دامنه فشاری که باید اندازه‌گیری شود، بسیار مهم است. برخی از روش‌ها توانایی اندازه‌گیری فشار در دامنه محدودی دارند.
دقت مورد نیاز: دقت اندازه‌گیری یکی از عوامل مهم در انتخاب روش است. برای برخی از کاربردها نیاز به دقت بالا و برای برخی دیگر به دقت پایین نیاز است.
محیط کاری: نوع محیط (مایع، گاز، جامد)، دما، شرایط فشار و شیمیایی محیط کاری نیز تأثیرگذار هستند. برای مثال، در محیط‌های خورنده تاثیر شیمیایی باید در نظر گرفته شود.
زمان و سرعت پاسخ: در برخی از کاربردها، سرعت پاسخ سنسور به تغییرات فشار بسیار مهم است، در حالی که در دیگر موارد، این موضوع کمتر اهمیت دارد.
قابلیت محافظت و مقاومت در برابر شرایط مختلف: برخی از روش‌ها و سنسورها مقاومت به شرایط مختلفی نظیر آب، گرد و غبار، ارتعاشات و ضربات ندارند.
قابلیت نصب و تعمیر: نصب، تنظیم و تعمیر راحتی از دیگر عواملی است که در انتخاب روش اهمیت دارند.
هزینه: هزینه تجهیزات و نگهداری نیز باید در نظر گرفته شود.
قوانین و استانداردها: برخی از صنایع و کاربردها نیاز به رعایت استانداردهای خاص دارند که باید رعایت شود.
تکنولوژی و دانش فنی مورد نیاز: تکنولوژی مورد نیاز برای استفاده از روش‌های مختلف باید در دسترس باشد و دانش فنی مربوطه باید در دسترس باشد.
با توجه به این پارامترها، می‌توان روش مناسبی برای اندازه‌گیری فشار انتخاب کرد. برای کاربردهای خاص، ممکن است نیاز به ترکیب چند روش اندازه‌گیری باشد تا تمامی نیازها پوشش داده شوند.
مانومتر چیست؟
مانومتر یک دستگاه اندازه‌گیری فشار است که برای اندازه‌گیری فشار مایعات یا گازها به کار می‌رود. اصطلاح “مانومتر” از واژه‌های یونانی “manos” که به معنای “نادیده‌گرفتن” و “metron” به معنای “اندازه‌گیری” گرفته شده و به معنای “دستگاه اندازه‌گیری فشار” است. مانومترها برای اندازه‌گیری فشار به صورت نسبی یا مطلق (جیوه‌ای) به کار می‌روند.مانومترها از انواع مختلفی برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کنند، اما اساس کارکرد این دستگاه‌ها بر اصول مکانیکی یا فیزیکی معمولاً بر پایه اصول آرشیمدس و اصول بارومتریک بنا شده است.
انواع مانومتر و اساس کارکرد آنها
- مانومتر آرشیمدسی (U-Tube Manometer): این نوع مانومتر از یک لوله حرف U ساخته شده است که در یک طرف آن به مایع متصل می‌شود و در طرف دیگر به هوا یا فشار مورد اندازه‌گیری. تغییرات فشار در مایع به ارتفاع مایع در لوله U منجر می‌شود. با اندازه‌گیری اختلاف ارتفاع مایع در دو طرف لوله، می‌توان فشار را محاسبه کرد.
- مانومتر جیوه‌ای (Mercury Manometer): در این نوع مانومتر، جیوه به عنوان مایع به کار می‌رود. ارتفاع جیوه در لوله به عنوان نمایانگر فشار مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرمول آرشیمدس به عنوان اصل کارکرد اصلی این نوع مانومتر به کار می‌رود.
کاربردهای مانومتر:
مانومترها در موارد متعددی برای اندازه‌گیری فشار به کار می‌روند، از جمله:
- اندازه‌گیری فشار جوی: مانومترها برای اندازه‌گیری فشار جوی در برنامه‌های هواشناسی و محیط‌زیستی استفاده می‌شوند.
- کنترل فشار در صنایع: در صنایع مختلف مانند نفت و گاز، صنایع شیمیایی، و تولید برق، مانومترها برای کنترل فشار در سیستم‌ها و تجهیزات به کار می‌روند.
- استفاده در آزمایشگاه‌ها: در آزمایشگاه‌ها برای اندازه‌گیری فشار و تغییرات فشار در تجربیات و آزمایش‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- اندازه‌گیری فشار خون در پزشکی: مانومترها برای اندازه‌گیری فشار خون در پزشکی استفاده می‌شوند.
- استفاده در دستگاه‌های تنفس مصنوعی و تهویه مصنوعی: در دستگاه‌های پزشکی که برای تنفس مصنوعی و تهویه مصنوعی بیماران استفاده می‌شوند، مانومترها برای کنترل فشار هوا و اکسیژن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
