روش های اندازه گیری فشار

از نظر فیزیکی، فشار در واقع مقدار نیرویی است که به طور عمود بر واحد سطح وارد می شود. اگر در نیروی وارد آمده بر جسم و یا سطح، مقدار نیرو ثابت باشد و یا ثابت بماند، هر چه مساحت سطحی که نیرو به آن وارد می شود کوچک تر و کمتر باشد، میزان فشار وارد بر سطح بیشتر است. واحد فشار در فیزیک، نیوتون بر مترمربع است و نام دیگر واحد فشار، پاسکال است که به افتخار فیزیکدان مشهور فرانسوی به نام او نامیده شده است و آنرا با علامت (Pa) نشان می دهند. یک نیوتون بر سانتیمتر مربع برابر با ۱۰۰۰۰ پاسکال است.

پاسکال

  •  تعریف فشار

   فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری P نشان داده می شود. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا می کند، زیرا یکی از کمیت های مشخصه گازها است. به همین دلیل بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و در بدست آوردن معادله حالت گاز استفاده می شود.

   اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد به این که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده میخ کفش هایش در زمین فرو می رود، در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمی رساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد می شود یکسان بوده و همان نیروی وزن فرد است. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد می کند. میخ کفش ها مقدار نیروی کل را تغییر نمی دهد، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش می دهد، که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار به صورت زیر بیان می شود:

P = F / A

که در آن P فشار، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو است.

  اسکی بازها موقع اسکی کفش اسکی می پوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش می دهد. چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلاً دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام می شود.

فشار

 


برای پشتیبانی فنی با شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرید: 

۰۳۱-۳۲۶۶۴۵۵۰

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۶

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۷


  • واحد فشار 

   فشار با واحدهای مختلفی بیان می شود. واحد استاندارد در دستگاه SI پاسکال است که برابر می شود با ( Pa= 1N / 1m2 ). یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیرو است که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد می گردد. بهترین واحدی که می تواند مرجعی برای سایر واحدها به کار برده شود، اتمسفر یا جو (Atmosphere) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف می شود. چون پاسکال واحد کوچکی برای فشار است، معمولاً از کیلو پاسکال (kPa) که برابر ۱۰۰۰ پاسکال است، استفاده می کنند. هر جو تقریباً برابر ۱۰۰kPa است. هواشناسان از واحد میلی بار استفاده می کنند که برابر یک دهم پاسکال است.

   از سایر واحدهای فشار می توان دین بر سانتیمتر مربع ( dyn/cm2 ) يا torr را نام برد. چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جيوه به فشارسنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.

یک پاسکال

 

  • فشار مایعات

   همان طور که معمولاً فشار هر جسم جامد بر سطح زیرین آن در اثر نیروی گرانش است، فشار مایعات نیز در اثر نیروی وزن آنها به وجود می آید. بسیاری از شهرها دارای شبکه ی آب لوله کشی هستند. در شبکه آب رسانی شهرها، معمولاً مخزن آب را در ارتفاعی بالاتر از بقیه ی نقاط می سازند. در نتیجه آب در اثر نیروی گرانش در شبکه ی آب شهرها جاری می شود. به این مثال توجه کنید:

  یک ظرف مکعبی شکل پر از آب به ابعاد ۱×۱×۱ متر را در نظر بگیرید، این ظرف محتوی حدود هزار کیلوگرم آب است. وزن این مقدار آب در حدود ۱۰۰۰۰ نیوتون می شود. آب در داخل آکواریوم بطور تعجب آوری سنگین است و حتی سنگین تر از مقداری که فکرش را می کنید. وزن آب آکواریوم به طرف پایین بوده و فشاری بر ته مخزن وارد می کند. شما می توانید با تقسیم کردن وزن آب بر مساحت ته مخزن، این فشار را حساب کنید. حال اگر ارتفاع آب در مخزن به جای ۱ متر، ۲ متر باشد، فشار آب بر کف آن دو برابر، یعنی ۲۰۰۰ پاسکال می شود. بنابراین می توان نتیجه گرفت که فشار مایعات به ارتفاع آنها بستگی دارد. یعنی هرچه ارتفاع ستون مایع بیشتر باشد، نیروی وزن مایع بر سطح زیرین خود بیشتر می شود و در نتیجه فشار مایع بیشتر خواهد بود.

   یک نکته بسیار جالب در مورد فشار مایعات این است که مایعات، فشار را به خوبی و به طور یکسان در همه جهات منتقل می کنند. از این خاصیت، در موارد بسیاری استفاده می شود، از جمله در دستگاه ترمز اتومبیل ها از خاصیت انتقال فشار مایعات بهره گرفته می شود.

فشار مایعات

 


بیشتر بخوانید :

آشنایی با سیستم ها و تجهیزات ابزار دقیق

اندازه گیری دما با مقاومت حرارتی

بررسی تجهیزات و روش های اندازه گیری دما


 

  • روش های اندازه گیری فشار

  • اندازه گیری فشار با مانومتر

   مانومتر لوله U شکلی است که حاوی مایع است و برای اندازه گیری فشار گاز به کار می رود. مایع درون مانومتر و طول آن بستگی به مقدار فشاری دارد که می خواهید اندازه گیری کنید. اگر هدف اندازه گیری فشارهای پایین باشد، از مایعات سبک مثل آب و اگر هدف اندازه گیری فشارهای بالاتر باشد از مایعات سنگین مثل جیوه استفاده کنید. در سیستم های اندازه گیری فشار، معمولاً فشار به شکل های متفاوتی مد نظر است از جمله:

۱- فشار مطلق (Absolute): در این روش فشار نسبت به خلاء مطلق اندازه گیری می شود.

۲- فشار نسبی(Gage): در این روش فشار اتمسفر صفر در نظر گرفته می شود و کلیه فشارها نسبت به فشار محیط اندازه گیری می شود.

٣- فشار دیفرانسیلی تفاضلی (Differential): در این روش اختلاف فشار بین دو محیط P1 و P2 اندازه گیری می شود. مخزن گاز از طریق لوله رابط به لوله U شکل وصل است. فشار گاز در یک شاخه لوله U موجب پایین رفتن مایع و در شاخه دیگر موجب بالا رفتن آن می شود تا آنکه فشار مایع با فشار گاز به حالت تعادل برسد. فشار گاز را با اندازه گیری اختلاف ارتفاع مایع در دو ستون (بر حسب سانتیمتر یا متر) تعیین می کنند.

مانومتر

 

اندازه گیری فشار با بارومتر (جوسنج)

  بارومتر وسیله ای است که فشار جو را اندازه می گیرد. در یک جوسنج فلزی، از یک قوطی فلزی نازک و در بسته که هوای داخل آن خارج شده است، استفاده می شود. اگر فشار هوا بالا برود، قسمت بالا و پایین قوطی اندکی به طرف داخل فرو می رود و اهرمی که متصل به زنجیر است موجب حرکت عقربه می شود. هنگام کم شدن فشار هوا، قوطی توسط فنر محکمی به حالت اولیه خود بر می گردد.

اندازه گیری فشار با بارومتر

 

اندازه گیری فشار با خاصیت ارتجاعی

   از خاصیت تغییر شکل مواد در اثر فشار در ساخت فشارسنج های ارتجاعی استفاده می شود. اندازه گیرهای دیافراگمی، کپسول ها، لوله بوردن و دمپرها چهار نمونه اصلی اندازه گیرهای ارتجاعی فشار هستند و مزیت عمده آنها سادگی، استحکام و دوام آنها است. نکته مهم در این اندازه گیری ها، کیفیت آلیاژی است که در ساخت آن مورد استفاده قرار می گیرد. اندازه گیرهای فوق به طور گسترده در صنایع نفت و گاز، کشتی ها و هواپیماها و سایر صنایع مورد استفاده قرار می گیرند.

 

اندازه گیری-فشار-به-روش-دیافراگمی

 

 اندازه گیری 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.

اندازه گیری فشار دیافراگمی
                                            عملکرد اندازه گیر فشار دیافراگمی

 

اندازه گیر 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 گیر افزایش می یابد.

 

اندازه گیری-فشار-به-روش-کپسولی

 

اندازه گیری فشار با لوله بوردن

 با اعمال فشار به داخل یک لوله، طول و وضعیت آن تغییر پیدا می کند. بر این اساس سه نوع لوله بوردن به شکل C، حلزونی و مارپیچ وجود دارد. قطر و طول لوله متناسب با فشار انتخاب می شود. حوزه اندازه گیری لوله بوردن بیشتر از دیافراگم و کپسول است و معمولاً برای اندازه گیری فشارهای بالا مورد استفاده واقع می شود. در عمل ممکن است لوله بوردن بر حسب کاربرد به صورت های دیگر نیز ساخته شود. 

 نوع حلزونی و مارپیچ لوله بوردن از حساسیت بیشتری نسبت به نوع C برخوردار هستند.

بوردن تیوب نوع C

نوع C شبیه یک دسته عصا با زاویه تقریبی ۲۵۰ درجه که یک طرف ثابت و طرف دیگر آن مسدود است. وقتی فشار به آن اعمال شود به دلیل تفاوت اندازه محیط بیرونی و درونی، تمایل به راست شدن پیدا می کند. در این حالت اندازه تغییر وضعیت لوله متناسب با فشار مورد اندازه گیری است.

در بوردن تیوب نوع C، با اعمال فشار به یک سر آن، سر دیگر به سمت بیرون خم می شود و این حرکت به یک فنر منتقل می شود. سنسور نوع C اغلب در داخل فشارسنج ها استفاده می شود. یک میله رابط به نوک متحرک لوله C و انتهای دیگر آن به یک چرخ دنده قطاعی متصل شده است و چرخ دنده با چرخ دنده کوچک دیگر تماس دارد که منجر به چرخاندن میله متصل به عقربه می شود و درنتیجه فشار به فشار سنج وارد می شود. بنابراین موقعیت عقربه روی صفحه مدرج میزان فشار را نشان می دهد.

 

اندازه گیری-فشار-با-بوردن-تیوب-نوع-C

 

 

فشار سنج لوله بوردون

 

بوردن تیوپ سنسور نوع حلزونی

در نوع حلزونی طول لوله بوردن زیاد است و زاویه آن ۳۶۰ درجه هم فراتر می رود یعنی لوله به صورت بیش از یک دایره در آمده. از این نوع سنسور برای حالت افزایش حساسیت و دقت اندازه گیری فشار های پایین استفاده می شود.

 

اندازه گیری-فشار-با-بوردن-تیوب-حلزونی

 

بوردن تیوپ نوع حلقوی

به منظور اندازه گیری فشار زیاد از لوله بوردن حلقوی استفاده می کنند. فشارسنج هایی که از لوله بوردن نوع حلقوی و حلزونی استفاده می کنند اصطکاک کمتر و حساسیت بالاتری دارند.

 

اندازه گیری-فشار-با-بوردن-تیوب-حلقوی

 

اندازه گیری فشار با دمپر

   دم یا بلوز، ساختمانی شبیه به آکاردئون یا دم آهنگری دارد. ساختار آکاردئونی دم، موجب انبساط آن در اثر اعمال فشار می شود و اندازه جابه جایی، متناسب با فشار مورد اندازه گیری است. رابطه فشار با باز و بسته شدن دمپر شبیه به رابطه هایی است که در یک فنر وجود دارد و می توان آنرا بصورت زیر نوشت:

 (X=Ks(PA

در رابطه بالا، P فشار مورد اندازه گیری و A سطح دم است و Ks ضریب فنری دم است. اغلب حوزه جابه جایی دم حدود ۵ الى ۱۰% کل طول آن است. برای بررسی اندازه گیری فشارهای زیاد از دیافراگم کوچک و برای اندازه گیری فشار کم از دیافراگم بزرگ استفاده می شود. جنس دیافراگم از فلز استیل است. از آنجایی که فشار محیط خارج دم، فشار اتمسفر خواهد بود، بنابراین دم، فشار نسبی را اندازه گیری می نماید. شکل زیر ساختمان کلی یک دم را نشان می دهد.

 


بیشتر بخوانید : 

روش های اندازه گیری سطح مایعات و رله کنترل سطح

معرفی ۵ روش برای اندازه گیری فلو

 


اندازه گیری پتانسیومتری فشار

   در این روش از بیلوز جهت تبدیل فشار پروسه به جابه جایی استفاده می شود. بیلوز وسیله ای شبیه آکاردئون است که در بوق دوچرخه یا دمنده های باد آهنگری استفاده می شود. با افزایش فشار، طول بیلوز تغییر کرده و باعث جابه جا شدن اهرم تنظیم مقاومت متغییر می گردد و در نتیجه می توان فشار را اندازه گیری کرد.

 

اندازه گیری-فشار-به-روش-دمنده-Bellows
                             اندازه گیری فشار به روش دمنده (Bellows)

 

اندازه گیری فشار با استرین گیج

   استرین گیج ها معروف ترین اندازه گیرهای الکتریکی فشار هستند و بیشتر برای اندازه گیری فشارهای بالا استفاده می شوند. شمای کلی این اندازه گیرها در شکل نشان داده شده است. هرگاه بر جسمی نیرو وارد شود(کشش یا فشار) جسم در جهت نیرو تغییر طول می دهد. نسبت این تغییر طول به طول اولیه جسم، تنش گفته می شود.

اندازه گیری فشار با استرین گیج
                                                                 اندازه گیری فشار با استرین گیج

 

   فاکتور گیج در استرین گیج های صنعتی حدود ۲ است، به این معنی که اگر طول جسم به اندازه ۱% تغییر کند، مقاومت آن به اندازه ۲% تغییر خواهد کرد. برای تبدیل تغییرات مقاومت الکتریکی به سینگال الکتریکی (ولتاژ یا جریان) معمولاً از مدار پل وتسون استفاده می شود.

 

اندازه گیرهای ظرفیتی فشار

در اندازه گیرهای خازنی، اغلب فشار مورد اندازه گیری، به جابه جایی و تغییر فاصله جوشن ها تبدیل می شود و تغییر فاصله جوشن ها نیز منجر به تغییر ظرفیت خازن می گردد.  تغییر ظرفیت نیز معمولاً توسط یک پل AC و یا یک مدار اسیلاتور، تبدیل به ولتاژ یا فرکانسی متناسب با فشار می گردد.

شکل زیر یک اندازه گیر فشار خازنی را نشان می دهد. در این اندازه گیری فشار موجب جابه جایی دیافراگم می شود و جابه جایی دیافراگم نیز فاصله بین دو جوشن و نهایتاً ظرفیت خازن را تغییر می دهد.

 

 

 

                                                                                                                   

اندازه گیری فشار با فشارسنج پیرانی

امروزه در کاربردهای صنعتی اندازه گیری فشارهای خیلی بالا توسط استرین گیج ها و مدارهای مربوطه امکان پذیر گردیده است و از این نظر مشکلی وجود ندارد. مشکل اصلی، اندازه گیری فشارهای خیلی پایین با فرکانس نسبتاً زیاد است.

یکی از ترانسدیوسرهای فشار پایین فشارسنج پیرانی است. این فشارسنج برای اندازه گیری فشار بسیار پایین در گازها استفاده می شود.

در این ترانسدیوسر از این اصل که جریان گاز در اطراف یک جسم گرم موجب خنک شدن آن می شود و هر چه فشار و در نتیجه جریان گاز بیشتر باشد خنک کنندگی جسم گرم بهتر انجام می گیرد استفاده شده است.

برای اجتناب از کالیبراسیون های مکرر، کمپانی سازنده معمولاً یک نمودار تصحیح کالیبراسیون ارائه می دهد. محدوده کار فشارسنج های پیرانی، به کمتر از ۱ میلیمتر جیوه محدود می گردد. از ترمیستورها و ترموکوپل ها نیز برای ساخت فشارسنج هایی با استفاده از اثر خنک کنندگی استفاده می شود.

 

اندازه گیری فشار با روش نوری

در این روش یک دیود نورانی و یک فتو دیود برای اندازه گیری فشار مورد استفاده قرار می گیرند. در حالتی که فشار صفر است پره کدر در پایین قرار داشته و کل نور به فتو دیود برخورد می کند.

با وارد شدن فشار، صفحه کدر به سمت بالا حرکت کرده و مانع رسیدن نور به فتو دیود می شود و اگر فشار از حد معینی بیشتر شود پره کدر به طور کامل جلوی دیود مبنا قرار گرفته و مشخص می کند که فشار به حداکثر مقدار رسیده است.

                                                                                                                       

  • کالیبراتور فشار چیست ؟ 

کالیبراتور فشار دستگاهی شامل یک پیستون با قطر مشخص است و داخل آن با روغن هیدرولیک پر می شود. توسط یک پیچ فشار داخل پیستون تنظیم می شود. وزنه ای در قسمت بالای پیستون قرار دارد و تا زمانیکه نیروی حاصل از فشار داخل با نیروی وزنه برابر شود، وزنه به سمت بالا حرکت می کند.

با توجه به رابطه ای که پیستون دارد، هوزنه فشار خاص متناظر است که اگر فشار داخل پیستون با آن برسد وزنه به سمت بالا حرکت خواهد کرد. گیج تحت تست نیز اگر فشار وارده را درست نشان دهد کالیبره است و در غیر اینصورت از تنظیم خارج است.

 

                                      

اندازه گیری فشار با پیزو الکتریک

   عناصر پیزو الکتریک عناصری با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و برعکس هستند. هرگاه یک عنصر پیزو الکتریک مانند کوارتز تحت فشار قرار گیرد، میلی ولت متر، ولتاژی متناسب با فشار را نشان خواهد داد. از این خاصیت می توانید برای اندازه گیری فشار استفاده نمایید. 

   سنسورهای پیزو الکتریک بخاطر دقت و حساسیت، کاربردهای فراوانی دارند. هنگامی که فشار به کریستال کوارتز اعمال می شود، در صفحات هادی ایجاد شارژ می کند و زمانی که به صفحات هادی ولتاژ متغییر اعمال می شود، کریستال کوارتز وادار به نوسان شده و تولید سیگنال مکانیکی می نماید.

 

 

                                                                                                                     

 

   میزان شارژ و نیروی مکانیکی متناسب با یکدیگر هستند. تفاوت سنسورهای پیزو الکتریک با استرین گیج در این است که سیگنال تولید شده توسط پیزو الکتریک سریع تر است. سنسورهای پیزو برای اندازه گیری فشارهای دینامیک و استرین گیج ها برای اندازه گیری فشارهای استاتیک مناسب هستند. سنسورهای پیزو الکتریک برای اندازه گیری فشار داخل سیلندر مورد استفاده قرار می گیرند، به این ترتیب که به جای شمع قرار می گیرند. ویژگی های عمده این نوع سنسورها سختی، سایز کوچک، سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه است. با استفاده از خاصیت پیزو الکتریک می توان سرعت و در نتیجه تغییرات شتاب را اندازه گیری کرد.

 

 

  • نیروسنج  (Load Cells)

   هنگام استفاده از کرنش سنج زمانی می توانید بهترین نتیجه را دریافت نمایید که آنها را به نحو صحیح و مناسبی مورد استفاده قرار داده باشید. کرنش سنج ها بایستی دقیقاً در راستای نیروی اعمالی نصب شوند. چسب بکار رفته بایستی بتواند به طور کامل نیروی وارد بر میله یا قسمت فلزی را به کرنش سنج منتقل کند. بدنه فلزی بایستی بتواند بطور کامل نیروی وارد بر میله یا قسمت فلزی را به کرنش سنج منتقل کند. بدنه فلزی باید به گونه ای باشد تا نیروی فشاری و کرنشی در دو طرف آن ایجاد کند. اتصال لحيم به دو سر کرنش سنج هم لازم است مقاومت یکسانی دارا باشد تا بتوان از آن صرف نظر کرد.

   در نتیجه راحت ترین روش استفاده از کرنش سنجها جهت نیرو سنجی استفاده از لودسل پیشنهاد می شود. یک لودسل مبدلی با طراحی خاص و ویژه جهت اندازه گیری نیرو است. لودسل شامل بدنه فلزی همراه با تعدادی کرنش سنج (معمولاً چهار عدد) متصل به آن است. جهت استفاده از لودسل تنها کاری که نیاز است انجام شود، باید منبع تغذیه مناسب آن را تهیه و خروجی آن را با استفاده از تقویت کننده های ابزار دقیق تفاضلی تقویت کرد تا جهت ذخیره در حافظه کامپیوتر و یا نمایش بر روی نمایشگر آماده گردد.

   مهم ترین مشخصه برای لودسل، میزان ولتاژ خروجی به ازاء بار قابل تحمل لودسل است. به این مشخصه به اختصار “حساسیت” هم گفته می شود که با واحد میلی ولت بر ولت mV/V نمایش داده می شود. این ولتاژ خروجی تفاضلی بوده که توسط پل و با اعمال بار کامل برای هر ولت ولتاژ تغذیه ایجاد می گردد. حساسیت لودسل ( GF : Gage Factor) عبارت است از نسبت تغییرات مقاومت به تغییرات طول، یعنی ولتاژ خروجی پل وابسته به ولتاژ تغذیه پل باشد. پس می توان نتیجه گیری کرد که برای اندازه گیری دقیق نیاز به ولتاژ ثابت و دقیق داریم. لودسل معمولاً با ولتاژ ۱۰ ولت تغذیه می شود و خروجی لودسل ها بیش تر ۰ تا ۲۰ میلی ولت است. حداکثر ولتاژ خروجی لودسل زمانی به دست می آید که حداکثر نیرو به لودسل اعمال شود. گفتنی است تغییرات خروجی لودسل به صورت خطی است.


بیشتر بخوانید :

هفت سنسور پرکاربرد در صنعت 

معرفی انواع دستگاه های اندازه گیری الکتریکی

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

نظرات