پاورپوینت فشار و انواع فشارسنج

بلز پاسکال، فیلسوف فرانسوی در سال 1648 برای اولین بار در آزمایشات خود متوجه نیرویی شد و آن را فشار نامید. مطالعات پاسکال در مورد سیالات (هیدرودینامیک و هیدروستاتیک) بر اساس اصول سیالات هیدرولیک بود. اختراعات او در این زمینه شامل فشار هیدرولیک (استفاده از فشار هیدرولیک برای افزایش نیرو) و سرنگ مي­باشد. در سال 1646 پاسکال از آزمایش­هاي «اوانجلیستا توریسلی» در ارتباط با فشارسنج آگاهی یافت. وی این آزمايش­ها را با لوله‌ای پر از جیوه تکرار کرد و این لوله را به صورت وارونه درون کاسه­‌ای از جیوه قرار داد. پاسکال این سؤال را مطرح کرد که چه نیرویی، بخشی از جیوه را درون لوله نگه­داشته و چه چیزی فضای بالای جیوه را در لوله پر کرده است. در آن زمان، بيشتر دانشمندان بر این باور بودند که غیر از خلاء، ماده­ای نامرئی در آن فضا وجود دارد

پاسکال با انجام آزمایش­هاي دیگری در این زمینه، در سال 1647، «تجربه­هاي جدید از خلاء» را نوشت که در آن قوانین اصلی در مورد میزان تأثیر فشار هوا بر مایعات مختلف عنوان شده بود. در سال 1648، پاسکال مطالعات خود را ادامه داد و در همین راستا، شوهر خواهرش یک بارومتر را به ارتفاعات بالا برد و این نکته به اثبات رسید که سطح جیوه تغییر می­کند و پاسکال این آزمایش را با انتقال بارومتر به بالای برج یک کلیسا در پاریس و سپس به پایین آن تکرار کرد. این آزمایش­ها که سرانجام منجر به بنیاد نهادن اساس بارومتر شد، در سراسر اروپا با استقبال مردم روبرو گرديد. در پاسخ به این نقدها که باید چیزی نامرئی در فضای خالی‌ای که پاسکال عنوان کرده، وجود داشته باشد و در پاسخ به «استین نوئل»، یکی از مهمترین نظریه­هاي قرن هفده در ارتباط با روش علمی از سوي پاسكال مطرح گرديد:

«برای اثبات یک فرضیه، اینکه تمامی موارد مطابق با آن باشند، کافی نیست، اما اگر تنها یک مساله خلاف آن باشد، همان یک مورد برای نقض فرضیه مورد نظر کافی است».
تاکید و پافشاری وی در مورد وجود خلاء منجر به اختلاف او با برخی از دانشمندان مطرح زمان از جمله «دسکارتس[2]» شد (هاوارد، 1998؛ ویکی­پدیا).

وسايل اندازه­گيري فشار
تاکنون وسايل بسياري با مزايا و معايب خاص خود براي اندازه‌گيري فشار اختراع شده است كه با توجه به گستره اندازه‌گيري، حساسيت، پاسخ ديناميکي و هزينه طراحي و مشخصات فني، اين وسايل با هم فرق مي‌کند. قديمي­ترين وسيله اندازه‌گيري فشار مانومتر ستون مايع است (ویلانی، 1393) (يک لوله عمودي که با جيوه پر شده است) كه توسط توريچلي[3] در ۱۶۴۳ميلادي اختراع شد (سلطانی، 1388). همچنين مانومتر ستون مايع U شکل نيز توسط کريستان هويگنس[4] در سال ۱۶۶۱ ميلادي اختراع گرديد.

فشار سنج­هاي هيدرواستاتيکي
فشارسنج­هاي هيدرواستاتيکي (مانند مانومتر ستون مايع) فشار را با نيروي هيدرواستاتيکي که بر واحد سطح در پائين‌ترين موقعيت ستون سيالي که درون لوله (مانومتر ستون مايع) قرار دارد مقايسه مي‌کند (ویلانی ،1393). اندازه‌گيري فشار به روش هيدرواستاتيکي مستقل از نوع گازي است که اندازه‌گيري مي‌شود و بنابراين طراحي آن مي‌تواند بگونه­اي باشد كه بطور خطي عمل نمايد و منحني کاليبراسيون آن بسيار خطي باشد. عليرغم اين مزيت، اين قبيل وسايل پاسخ ديناميکي ضعيفي دارند (سلطانی، 1388).

فشار سنج­هاي پيستوني
فشارسنج­هاي نوع پيستوني، براساس ايجاد توازن بين فشار يک سيال با جرم يک جسم جامد (مثل وزنه) يا نيروي کشش فنر کار مي‌کند. نام ديگر اين نوع فشارسنج­ها آزمونگر بار راكد است (ویلانی، 1393). معمولاً آزمونگرهاي بار راكد از درستي بالايي برخوردار بوده و بعنوان وسيله استاندارد مرجع براي کاليبراسيون ساير وسايل اندازه‌گيري فشار بکار مي‌رود (مجیدی، ۱۳۹۲).

فشار سنج­هاي ستون مايع
فشارسنج­هاي ستون مايع از يک ستون عمودي مايع تشکيل شده که در درون يک لوله که دو انتهاي آن در معرض دو فشار مختلف هست قرار دارد. ستون مايع تا زماني­که وزنش در تعادل با اختلاف فشار بين دو انتهاي لوله بشود بالا يا پايين مي‌رود تا تثبيت شود(اینترنت). شکل ساده اين نوع مازومترها U شکل است (مجیدی، ۱۳۹۲). که نصف آن از مايع پرشده است و يک طرف آن به فشار تحت اندازه‌گيري و طرف ديگر آن به يک فشار مرجع (مثلاً فشار اتمسفر يا خلاء) وصل مي‌شود. اختلاف سطح مايع در دو طرف لوله U شکل، معياري براي بيان فشار اعمالي به وسيله مي­باشد. فشار اعمالي بوسيله ستون مايع به ارتفاع h و چگالي ρ از معادله فشار هيدرواستاتيکي P=ρgh بدست مي‌آيد (سلطانی، 1388). بنابراين اختلاف فشار بين فشار اعمالي Pa و فشار مربع P در لوله U شکل مانومتر، را مي‌توان از رابطه زير حساب کرد (هاوارد، 1998؛ ویلانی، 1393):

P-P0= ρgh (رابطه (2-1

با اينکه در اين مانومتر مي‌توان از هر نوع سيالي استفاده کرد ولي استفاده از جيوه بخاطر چگالي بالاي آن (213.534g/cm) و فشار بخار پايين ترجيح داده مي‌شود.

براي اختلاف فشارهاي کم و بيشتر از فشار بخار آب، معمولاً از آب معمولي بعنوان سيال درون مانومتر استفاده مي‌کنند و واحد اندازه‌گيري متداول آن اينچ آب است. عليرغم اينکه اين نوع مانومتر مستقل از نوع گازي هستند که فشار آنها مي‌خواهد اندازه‌گيري شود و همچنين بسيار خطي عمل مي‌کنند؛ ولي پاسخ ديناميكي ضعيفي دارند. در اندازه‌گيري خلاء، اگر سيال مايع مورد استفاده داراي فشار بخار خيلي بالا باشد ممکن است بخار شده و محيط خلاء را آلوده کند (مجیدی، ۱۳۹۲).

وقتي که از اين نوع وسايل براي اندازه‌گيري فشار مايعات استفاده مي‌شود، يک حلقه پر شده از گاز يا يک سيال سبک بايستي بعنوان ايزوله کننده سيال درون مانومتر و مايع تحت اندازه‌گيري استفاده شود تا از مخلوط شدن آنها جلوگيري كند.

فشارسنج­هاي هيدرواستاتيکي ساده مي‌توانند فشار کم از100 Paتا چند اتمسفر (تقريباً 1,000,000 Pa) را اندازه‌گيري کنند.

فشار سنج­هاي آنرويدي (مكانيكي)
فشارسنج­هاي آنرويدي براساس خاصيت الاستيكي جزء حسگر فشار که فلزي است کار مي­کند. در اين وسيله هيچگونه سيالي (مانند مايع در مانومترهاي هيدرواستاتيکي) استفاده نمي‌شود؛ لذا به آن آنرويد (يعني بدون سيال) مي‌گويند. فشارسنج­هاي آنرويدي را فشارسنج­هاي مکانيکي نيز مي‌نامند. فشار سنج­هاي بوردوني[5] و ديافراگمي از دسته فشار­سنج­هاي آنرويدي محسوب مي­شوند (هاوارد، 1998؛ مجیدی، ۱۳۹۲).

اين فشارسنج­ها مي‌توانند فشار مايعات و گازها را اندازه‌گيري کنند؛ ولي به نوع گازي که فشار آن را اندازه مي‌گيرند وابستگي نداشته و برخلاف مانومترهاي هيدرواستاتيکي منجر به آلودگي سيستم تحت اندازه‌گيري نمي‌شوند (هاوارد، 1998).

جزء حسگر اين وسايل مي‌تواند لوله بوردون، يک ديافراگم، يک کپسول يا مجموعه‌اي از شش­ها باشد که در پاسخ به فشار تحت اندازه‌گيري شکل آن تغيير مي‌کند. مقدار تغيير شکل جزء حسگر براثر فشار را مي‌توان توسط يک عقربه که با مکانيزم متحرک به جزء حسگر وصل شده است يا توسط يک مبدل ثانويه مورد قرائت قرار دارد (عبدالکریم ماندگاری، 1393).

در سيستم‌هاي مدرن سنجش خلاء، معمولاً مبدل ثانويه يک خازن متغيير است که با تغيير شکل مکانيکي، ظرفيت آن تغيير مي‌کند. به فشارسنج­هاي که با تغيير خازن فشار را نشان مي‌دهند، فشارسنج­هاي باراتون مي‌گويند.

فشارسنج­هاي بوردون
فشارسنج­هاي بوردوني براساس اين اصل کار مي‌کنند که اگر يک لوله تخت تحت فشار تمايل دارد به سطح مقطعي دايره‌اي تغيير شکل پيدا کند. اگر لوله به صورت شکل C يا مارپيچ باشد، با اعمال فشار و افزايش كشش، کل لوله تمايل به راست شدن شکل خود يا باز شدن مارپيچ­ها پيدا مي‌کند و از اين تمايل در تغيير شکل مي‌توان براي اندازه‌گيري فشار استفاده کرد (هاوارد، 1998؛ ویلانی، 1393). در سال 1849 ميلادي اين اختراع به نام ايگنه بوردن در فرانسه ثبت و به دليل حساسيت عالي، عملکرد خطي و درستي آن بطور گسترده­اي در حاضر از آن در اندازه‌گيري فشار استفاده مي‌شود. در 1852 ميلادي اشکرافت حق ثبت اختراع بوردن را در آمريکا خريداري کرد و به بزرگترين سازنده فشارسنج تبديل شد (مجیدی، ۱۳۹۲). همچنين در 1849 ميلادي برنادر شائفر در ماگدبرگ آلمان فشارسنج ديافراگمي را با موفقيت بعنوان اختراع به ثبت رساند که همراه با فشارسنج­هاي بوردني انقلابي در اندازه­گيري فشار درصنعت بوجود آورد. اما در 1875ميلادي پس از اينکه ثبت اختراع بوردن به پايان رسيد، شرکت شائفر و بودنبرگ نيز فشارسنج­هاي بوردني را توليد کرد (هاوارد، 1998).

در عمل اندازه‌گيري فشار در فشار سنجهاي بوردوني، از طريق يک لوله ته بسته با ديواره نازک که در انتهاي باز آن به يک لوله حاوي سيال که فشار آن تحت اندازه‌گيري است بصورت ثابت شده وصل مي‌شود انجام مي‌گيرد. هر چه فشار بيشتر شود، قسمت ته بسته لوله بصورت يک قوس (کمان) حرکت مي‌کند و اين حرکت از طريق يک پيوند ارتباطي به چرخش چرخ دنده‌اي منجر مي‌شود و معمولاً اين مکانيزم متحرک قابل تنظيم است (سلطانی، 1388).

يک چرخ دنده با قطر کوچک نيز که بر روي محور عقربه قرار دارد، باعث مي‌شود حرکت مکانيزم متحرک به نسبت تعداد دنده‌هاي دو چرخ دنده درگير تقويت شود. براي اينکه اين مکانيزم بتواند از طريق تنظيم و کاليبراسيون، فشار را بدرستي نمايش دهد نياز به تنظيم درست صفحه مدرج که پشت عقربه قرار مي‌گيرد، تنظيم موقعيت قرارگيري محور عقربه و تنظيم طول پيوند ارتباطي مي­باشد. براي اندازه‌گيري اختلاف فشار نيز مي‌توان از فشار سنجي که داراي دو لوله بوردون مختلف که بطور مناسبي با هم ارتباط دارند استفاده کرد. فشارسنج­هاي بوردني فشارسنجش يعني فشار نسبت به فشار اتمسفر را اندازه مي‌گيرند که با فشار مطلق که نسبت به خلاء سنجيده مي‌شود متفاوت است.

معمولاً هنگامي­که فشار تحت اندازه­گيري بصورت پالس­هاي سريع تغيير مي‌کند، از يک قطعه مکانيکي با يک سوراخ محدود­کننده که درون لوله ارتباطي بين فشار تحت اندازه‌گيري و فشارسنج بوردني قرار مي‌دهند استفاده مي‌کنند تا از صدمه ديدن و استهلاک چرخ دنده‌هاي فشارسنج جلوگيري کنند و همزمان قرائتي از ميانگين فشار را در اختيار بگذارند.

همچنين هنگامي­که کل فشارسنج در معرض ارتعاشات مکانيکي باشد، تمامي اجزاء دروني فشارسنج شامل عقربه و مکانيزم متحرک را با روغن يا گليسيرين پر مي‌کنند. بطور نوعي فشارسنج­هاي با کيفيت بالا درستي تا 2 درصد دامنه اندازه‌گيري
و فشارسنج­هاي مخصوص درستي تا 0.1 درصد حداکثر مقدار اندازه‌گيري را مي‌توانند برقرار کنند (سلطانی، 1388).

فشارسنج­هاي ديافراگمي
نوع دوم از فشارسنج­هاي آنرويدي (مکانيکي) به فشارسنج­هاي ديافراگمي معروف است که از خاصيت انحراف و جابجايي يک غشاي انعطاف‌پذيري که دو منطقه با فشارهاي مختلف را از هم جدا مي‌کند براي اندازه‌گيري فشار استفاده مي‌کند (سلطانی، 1388).

تغيير شکل يک ديافراگم نازک بستگي به اختلاف فشار بين دو طرف آن دارد. يکي از اين طرفها طرف مرجع و طرف ديگر طرفي است که با فشار تحت اندازه‌گيري در ارتباط است. طرف مرجع مي‌تواند به فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه‌گيري شود، يا به فشار نقطه‌اي ديگر از فرآيند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه‌گيري کند يا مي‌تواند پس از خلاء بسته شود يا به فشار مرجعي ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگيرد (سلطانی، 1388). ميزان تغيير شکل ديافراگم را مي‌توان به روش­هاي مکانيکي، نوري يا خازني اندازه‌گيري کرد. معمولاً ديافراگم بصورت فلزي يا سراميکي ساخته مي‌شوند و گستره مفيد اندازه‌گيري آنها از 1Pa يا 0.01torr به بالاست (هاوارد، 1998).

فشار سنج الكترونيكي
برخي انواع فشار سنج­ها ي الكترونيكي كه در كاربردهاي صنعتي بكار گرفته مي­شوند (مجیدی، ۱۳۹۲) عبارتند از: فشار سنج پيزو مقاومتي فشار مكانيكي (ویلانی، 1393) اعمال شده منجر به تغيير مقاومت يك نيمه هادي شده و فشار اعمال شده اندازه­گيري مي­شود.

فشار سنج خازني
با استفاده از ديافراگم و ايجاد يك خازن متغير فشار اعمالي را اندازه مي­گيرد.

فشار سنج مغناطيسي
ميزان جابجايي ديافراگم منجر به تغيير در اندوكتانس[6] (خاصيت سلفي) ،LVDT[7] ، اثر هال[8] يا جريان ادي شده و فشار اندازه­گيري شود. LVDT نوعي مبدل الكتريكي (حاوي چندين سيم پيچ سلونوئيدي) است كه براي اندازه­گيري جابجايي­هاي خطي بكار گرفته مي­شود (ویلانی، 1393).

فشار سنج پيزو الكتريك
از اثر پيزو الكتريك (تغيير ولتاژ خروجي يك ساختار كريستالي در اثر اعمال فشار مكانيكي) در برخي مواد خاص مانند كريستال كوارتز براي اندازه­گيري فشار استفاده مي­شود (ویلانی، 1393).

فشار سنج نوري
از تغييرات فيزيكي بعمل آمده برروي فيبر نوري براثر اعمال فشار براي اندازه­گيري فشار استفاده مي­شود (سلطانی، 1388).

فشارسنج پتانسيومتري
از حركت يك لغزنده برروي يك مكانيزم مقاومتي كه بطور متناسب با فشار اعمالي به لغزنده