اندازه‌گیری فشار و انواع آن

فشار چیست؟

به نیروی اعمال شده بر سطح یک جسم را در واحد سطح 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 جو: فشار اتمسفر یا فشار جو، فشاری است که یک ناحیه یا سطح بر اثر نیروی وارد شده به اتمسفر تجربه می کند. مرجع فشار اتمسفرر بصورت استاندارد برابر است با 1Bar.
فشار خلاء: فشار خلا فشار زیر فشار اتمسفر است که با استفاده از دستگاههای اندازه گیری خلا اندازه گیری می شود که تفاوت فشار اتمسفر و فشار مطلق را نشان می دهد.
فشار مطلق:اندازه گیری بیش از خلاء کامل یا صفر مطلق. صفر مطلق نشان دهنده فقدان کامل فشار است
فشارتفاضلی: می توان آن را به عنوان تفاوت اندازه بین مقداری از فشار و مقداری فشار مرجع تعریف کرد. فشار مطلق را می توان به عنوان فشار دیفرانسیل با خلاء کامل یا صفر مطلق به عنوان مرجع، فشار سنج را می توان به عنوان فشار افتراقی با فشار اتمسفر به عنوان مرجع در نظر گرفت.
فشار استاتیک و پویا: فشار استاتیک در همه جهات یکنواخت است، بنابراین اندازه گیری فشار در جهت جریان سیال غیر قابل حرکت مستقل است. اگر فشار بر سطح عمود بر جهت جریان وارد شود در حالی که تأثیر کمی بر سطح موازی جهت جریان دارد و این جزء جهت دار که در سیال متحرک وجود دارد را می توان فشار دینامیکی نامید.

عوامل موثر بر فشار

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 های ما بسیار تیز هستند. یک چاقو نیرو را در کل لبه برش خود توزیع می کند. 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؟

روش ستون مایع

این نوع دستگاهها دستگاههایی هستند که در آنها فشار اندازه گیری شده در برابر فشار وارد شده از ستون مایع متعادل می شود و اگر چگالی مایع مشخص باشد ارتفاع ستون مایع اندازه گیری فشار است.

مانومتر

یک فشارسنج بر اساس ستون مایع است که می توان از آن برای اندازه گیری فشار سیالات استفاده کرد و این دستگاه بر اساس اصل تعادل ستون مایع توسط ستون های مایع یکسان یا دیگر است که دو نوع مانومتر ساده و دیفرانسیل هستند. به مانومترهای ساده آنهایی هستند که فشار را در نقطه ای از سیال موجود در لوله یا ظرف اندازه گیری می کنند، مانومتر دیفرانسیل اختلاف فشار بین هر دو نقطه در سیال موجود در لوله یا ظرف را اندازه گیری می کند. از ویژگی های مانومترها می توان به پایداری شیمیایی بالا، ویسکوزیته کم، ثابت مویرگی پایین، فرار کم و فشار بخار کم اشاره کرد.

روش عنصر الاستیک

دستگاه های اندازه گیری فشار عنصر الاستیک آنهایی هستند که در آنها فشار اندازه گیری شده در محدوده الاستیک خود باعث تغییر شکل برخی مواد الاستیک می شود و مقدار تغییر شکل تقریباً متناسب با فشار اعمال شده است.

انوع دیافراگم

عناصر دیافراگم را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد: یکی آنهایی که از ویژگی های کشسانی دیافراگم استفاده می کنند و دیگری عناصری هستند که با فنر یا سایر عناصر الاستیک جداگانه مخالف هستند. اولین مورد شامل یک یا چند کپسول است که هر یک از دو دیافراگم متصل به یکدیگر به وسیله لحیم کاری، لحیم کاری یا جوشکاری تشکیل شده است، فلزهایی که معمولاً در عناصر دیافراگم استفاده می شوند عبارتند از برنج، برنز فسفر و فولاد ضد زنگ. نوع دوم دیافراگم برای مهار فشار و اعمال نیرو بر عناصر کشسان مخالف استفاده می شود و دیافراگم انعطاف پذیر خواهد بود. حرکت دیافراگم با یک فنر مخالف است که انحراف را برای فشار معین تعیین می کند.

مزایا و کاربردهای نوع دیافراگم

برای اندازه گیری فشار بسیار کم، خلاء یا فشار دیفرانسیل استفاده می شود. آنها معمولاً در محیط های بسیار خورنده استفاده می شوند. مزایای آنها این است که بسیار حساس است و می توانند اختلاف فشار کسری را در یک محدوده بسیار دقیق اندازه گیری کنند و فقط به فضای کمتری نیاز دارند.

فشارسنج بوردون

ایده پشت دستگاه این است که لوله های مقطعی هنگامی که به هر نحوی تغییر شکل می دهند، تحت تأثیر فشار، حالت دایره ای خود را بازیابی می کنند. لوله به طور کلی به شکل C یا طول قوس در حدود 27 درجه خم می شود. از لوله های بوردون می توان برای اندازه گیری فشار دیفرانسیل بسیار بالا استفاده کرد. سنج های بوردون را می توان به شکل مارپیچ یا مارپیچ برای خطی بودن بهتر و مواد لوله بوردون با حساسیت زیاد باید دارای ویژگی های ارتجاعی یا فنری خوب باشد.

مزایای فشارسنج بوردون

هزینه کم و ساخت ساده
طیف وسیعی از محدوده ها در دسترس هستند
دقت بالا

معایب فشار سنج بوردون

شیب کم فنر
حساسیت به هیسترزیس ، شوک و ارتعاشات

مبدل فشار سنج

یک نوع مبدل فشار مقاومتی غیرفعال است و هنگامی که کشیده یا فشرده می شود، مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. فشار سنج سیمی است که در اثر فشار مکانیکی، به دلیل اثرات فیزیکی، مقاومت خود را تغییر می دهد. فشار سنج به دیافراگم متصل است و هنگامی که دیافراگم در اثر فشار وارد شده خم می شود، کرنش سنج کشیده یا فشرده می شود و به دلیل این تنوع در سطح مقطع آن و مقاومت آن به دلیل این تغییر می کند و این تغییر به ولتاژ را با اتصال دو یا چهار سنج مشابه به پل Wheatstone وصل کنید تا بتوان خروجی را به حداکثر رساند و حساسیت به خطاها را کاهش داد.

مزایای استفاده از مبدل فشار سنج

نگهداری آسان و نصب آسان
دقت و ثبات خوب
سرعت پاسخگویی سریع
طیف وسیعی از اندازه گیری ها
عدم وجود قطعات متحرک و قدرت سیگنال خروجی بالا در ظرفیت برد

معایب مبدل فشار فشار سنج

جبران دما و منبع ولتاژ ثابت مورد نیاز است
بازخوانی الکتریکی لازم است

مبدل فشار پیزو الکتریک

پیزو الکتریک توانایی برخی از مواد بیشتر بلورها برای ایجاد پتانسیل الکتریکی در پاسخ به تنش مکانیکی اعمال شده است. در این مبدل، از اثر پیزوالکتریک در مواد خاصی مانند کوارتز برای تولید سیگنال های الکتریکی سریع و اندازه گیری فشار بر روی مکانیسم حس در اثر فشار استفاده می شود. انواع متداول مبدلهای فشار پیزوالکتریک عبارتند از: نوع حالت شارژ و نوع ولتاژ امپدانس کم.

مزایای مبدل فشار پیزوالکتریک

پاسخگویی فرکانسی خوبی دارد و نیازی به تغذیه بیرونی ندارد

معایب مبدل فشار پیزوالکتریک

تغییرات دما بر خروجی تأثیر می گذارد و نمی تواند فشار استاتیک را اندازه گیری کند

مبدلهای پیزو رزیستیو

پیزو ریزیستور مقاوم در برابر مقاومت است و از خواص تغییر مقاومت مواد به دلیل تغییر تنش در مواد استفاده می‌کند. با افزایش دما، فاکتور اندازه گیری مقاومت در برابر فشار کاهش می یابد، مبدلی که از این اثر استفاده می کند یک سنسور فشار MEMS مبتنی بر سیلیکون است و کاربردهای مختلفی مانند سنجش فشار خون و سنجش فشار تایرها دارد.

اگر میخواهید بیشتر میخواهید بدانید بر روی مقاله هر آنچه که باید در مورد اندازه گیری فشار بدانیم کلیک کنید.