گیج فشار چیست ؟

گیج های فشار یکی از  پر کاربرد ترین تجهیزات اندازه گیری فشار می باشند که در صنایع مختلف برای اندازه گیری فشار مایع و گاز مورد استفاده قرار می گیرند. گیج های فشار بر اساس نوع سیال، نوع کاربری، محیط مورد استفاده و موارد دیگر، در انواع بسیار متفاوتی ساخته می شوند. برای مثال گیج های فشار بر اساس تکنیک اندازه گیری فشار در انواع زیر تولید می شوند:

• گیج فشار بوردون تیوب
• گیج فشار دیافراگمی
• گیج اختلاف فشار
• گیج فشار دیجیتال

گیج فشار:

همه‌‌ی ما  با مفهوم فشار آشناییم و در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم. برای مثال زمانی که با کفش معمولی روی برف راه می‌رویم کفش‌هایمان در آن فرو می‌رود. اما اگر چوب اسکی به پا داشته باشیم کمتر در آن فرو می‌رویم. وزن ما که تغییری نکرده است. پس دلیل این اتفاق چیست؟ فشار در واقع میزان نیرویی است که یک جسم به یک سطح مشخص وارد می‌کند. در مثالی که زدیم در واقع سطحی که به آن نیرو وارد شده است بزرگتر شده است. گیج فشار یا پرشر گیج به هر وسیله‌ای گفته می‌شود که با استفاده از آن بتوانیم مقدار فشاری را که یک جسم به یک سطح مشخصی وارد می‌کند، اندازه بگیریم.

کنترل کردن فشار در فرایندهای صنعتی اهمیت بالایی دارد. به همین دلیل تجهیزات متنوعی برای اندازه‌گیری فشار ساخته شده‌اند. گیج‌فشار یکی از ساده‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری فشار است که فشارسنج، مانومتر یا پرشر گیج هم نامیده می‌شود. 

اهمیت فشار و اندازه‌گیری آن:

فشار یک از پارامتر بسیار مهم و تأثیرگذار بر روی فرآیندهای صنعتی است. مقدار فشار بر چگونگی رخ دادن فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مؤثر است. از این رو برای انجام مطلوب فرآیندها، بالا بردن کیفیت، حفظ مداومت تولید، همچنین تأمین امنیت و افزایش طول عمر تجهیزات و بسیاری موارد دیگر، اندازه­‌گیری و کنترل فشار در صنایع مختلف ضروری است. به همین دلیل وجود تجهیزات اندازه­‌گیری فشار متناسب با هر شرایط فرآیندی به خصوص لازم است.

در همین راستا به خصوص بعد از انقلاب صنعتی و جهش علمی فشارسنج­­‌های بسیاری با ویژگی‌­ها و مکانیسم­‌های مختلف طراحی و ساخته شده‌­اند. گیج‌ فشار در صنعت جزء تجهیزات ابزار دقیق محسوب می‌شوند. یک پرشر گیج، اختلاف میان دو فشار را اندازه می­‌گیرد. معمولاً یکی از این فشارها مبنا و دیگری مجهول است.

تاریخچه ابداع گیج فشار:

ابتدا بحث فشار و فشارسنجی در عصر رنسانس و در مباحث علمی به میان آمد. اوانجلیستا توریچلی در سال ۱۶۴۳ اولین ابزار فشارسنجی یعنی بارومتر را ساخت. او به وسیله بارومتر نشان داد که یک نیرو از طرف هوا به ستون مایع درون بارومتر وارد می‌­شود. البته وی در آن زمان نمی­‌دانست که این نیرو ناشی از فشار اتمسفر است. پنج سال بعد فیزیکدان فرانسوی پاسکال با بارومتر نشان داد که فشار اتمسفر با افزایش ارتفاع از سطح زمین کاهش خواهد یافت. به این ترتیب، در حوزه علمی تجهیزات فشارسنجی متعددی از جمله بارومتر و مانومتر لوله U شکل ساخته شد.

این پرشر گیج‌ها بر اساس ارتفاع ستون مایعی درون یک مجرا کار می­‌کردند. مکانیسم کار آنها هم به این شکل بود که تغییرات فشار باعث تغییر ارتفاع ستون مایع درون فشارسنج می‌­شد. با اندازه­‌گیری تغییرات ارتفاع مایع، تغییرات فشار به دست می­‌آید.

عکس اوانجلیستا توریچلی

گیج‌فشارهای صنعتی

با ظهور انقلاب صنعتی در قرن ۱۸ نیاز به ابداع یک گیج فشار با ویژگی­‌های متناسب با فرآیندهای صنعتی بیش از پیش احساس شد. از این رو در سال ۱۸۴۹ فردی به نام بوردن یک گیج‌فشار ابداع کرد که مکانیسم مکانیکی داشت. این پرشر گیج براساس کشش یک تیوب فلزی قابل ارتجاع کار می‌­کرد. این کشش بر اثر اختلاف فشار درون و بیرون تیوب به وجود می‌­آید. این مکانیسم برای اندازه‌­گیری فشار، آنقدر مطلوب بود که از این نوع گیج حتی تا به امروز نیز به وفور استفاده می‌­شود. این نوع گیج‌فشار را به احترام ابداع کننده­‌اش گیج فشار بوردن می‌­نامند.

در همان سال ۱۸۴۹ برنارد اشچیفر نیز گیج فشار دیافراگمی را ساخت و به ثبت رساند. گیج‌فشار دیافراگمی نیز مکانیسمی مکانیکی دارد و از میزان انحنای دیافراگم ارتجاعی مقدار فشار را اندازه می­گیرد. انواع فشارسنج­های مکانیکی دیگری همچون کپسولی و بیلوز نیز ساخته شده که هر کدام ویژگی­ها و مکانسیم مخصوص به خود را دارند.

بعدتر با پیشرفت­‌های تکنولوژیک، انواع گیج‌فشارهای الکتریکی ساخته و عرضه شد که برای اندازه­‌گیری فرآیندها با تغییرات فشار سریع بسیار بهتر بودند. پرشر‌گیج‌ الکتریکی دارای سنسور خاصی است که می­تواند فشار یا تغییرات فشار وارد شده را شناسایی کرده و به صورت تکرار پذیر و با دقت مطلوب بر اساس اصول فیزیکی به سیگنال الکتریکی تبدیل کند. در نتیجه این سیگنال الکتریکی می­تواند مقدار فشار یا تغییرات آن را به ما نشان دهد. از جمله مهم‌ترین گیج های فشار الکتریکی سیم مرتجع، خازنی و پیزوالکتریکی هستند.

گیج فشارچگونه کار می‌کند؟

گیج‌فشار این قابلیت را دارد که اندازه فشار سیال ورودی را تشخیص بدهد؛ و آن را بر حسب کمیت‌های فشار روی یک صفحه‌ی مندرج (Dial) به نمایش بگذارد. در طراحی پرشرگیج‌ها از یک سنسور استفاده می‌شود. سنسورها بخشی از پرشر گیج هستند که تحت تاثیر فشار قرار می‌گیرند؛ و وقتی که این سنسور تحت تاثیر فشار قرار گرفت، در آن یک تغییر حالت فیزیکی ایجاد می‌شود. این تغییر حالتی که در سنسور ایجاد شده است از طریق چرخ دنده‌هایی به یک نمایشگر منتقل می‌شود. و در نهایت میزان فشار بر روی یک صفحه‌ی مندرج نشان داده می‌شود. همان‌طور که در قسمت تاریچه معرفی کردیم سنسور می‌تواند از یک لوله بوردن تیوب، دیافراگم، کپسولی و یا بیلوز تشکیل شده باشد.

مبنای اندازه‌گیری فشار چیست؟

فشار را معمولاً نسبت به یک نقطه‌ی مرجع اندازه‌گیری میکنند. معمولاً برای اندازه‌گیری فشار، فشار هوا را به عنوان نقطه‌ی مرجع در نظر می‌گیرند، بر این اساس سه نوع فشارسنج در صنعت قابل تعریف هستند:

گیج فشار نسبی:

فشار جو در شرایط استاندارد (۱bar) را به عنوان مبداء اندازه‌گیری این پرشر گیج در نظر می‌گیریم. و فشار سیال را نسبت به فشار جو اندازه‌گیری می‌کنیم. در این صورت فشارهای بالاتر از فشار اتمسفر مثبت و فشارهای پایین‌تر از فشار اتمسفر منفی می‌شوند.

گیج فشار مطلق:

فشار خلاء را به عنوان مبداء اندازه‌گیری این پرشر گیج در نظر می‌گیریم. فشار مطلق از مجموع فشار هوا و فشار گیج به‌دست می‌آید. بنابراین این گیج‌فشار مجموع فشار سیال و فشار جو را نشان می‌دهد.

گیج فشار تفاضلی:

در این پرشر گیج اختلاف فشار بین دو سیال را اندازه‌گیری می‌گیریم. در واقع فشار یکی از سیال‌ها به عنوان نقطه مرجع در نظر می‌گیریم و اختلاف فشار آن با سیال دوم را می‌سنجیم. بر خلاف گیج فشار نسبی و مطلق که یک ورودی برای سیال دارند، گیج فشار تفاضلی دو ورودی برای سیال دارد. و اختلاف فشار بین این دو ورودی اندازه گرفته می‌شود. این دو ورودی با حروف H و L مشخص می‌شوند. سیال با فشار بالاتر باید به ورودی H و سیال با شار پایین‌تر به ورودی L متصل بشود.

انواع گیج‌فشار بر اساس سنسور اندازه‌گیری:

• گیج‌فشار بوردن
• گیج‌فشار دیافراگمی
• گیج‌فشار کپسولی

گیج‌فشار بوردن:

در طراحی این نوع پرشر گیج که به آن (Bourdon pressure gauge) نیز می‌گویند، از یک لوله بوردن استفاده می‌کنیم. لوله بوردن یک  لوله خمیده (C شکل) است که خاصیت ارتجاعی هم دارد. یک سر لوله بوردن ثابت است و سیال مورد نظر ما با فشار وارد آن می‌شود. با افزایش فشار وارد شده بر تیوب، لوله کشیده می‌شود. این کشیدگی متناسب با میزان فشاری هست که سیال به آن وارد می‌کند. بنابراین اگر انتهای لوله بوردن را از طریق چرخ‌دنده‌ای به یک عقربه نمایشگر متصل کنیم. می‌توانیم میزان فشار سیال را اندازه‌گیری کنیم. با کاهش فشار لوله بوردن به حالت اولیه‌ی خودش برمی‌گردد و گیج‌فشار مقدار کمتری را نشان می‌دهد.

گیج فشار دیافراگمی:

در طراحی این نوع پرشر گیج که به آن (Diaphragm pressure gauge) نیز می‌گویند، از یک دیافراگم استفاده می‌شود. دیافراگم یک غشاء است که قابلیت انعطاف‌پذیری بالایی دارد. دیافراگم قسمت‌های داخلی گیج‌فشار را از سیال ورودی ما جدا می‌کند. وقتی که سیال با فشار به دیافراگم نیرو وارد می‌کند، باعث می‌شود غشاء انحناء پیدا بکند؛ و به سمت محیطی که فشار کمتری دارد خم شود. بنابراین میزان انحنائی که در دیافراگم ایجاد می‌شود متناسب با میزان  فشار سیال ورودی است. این انحناء از طریق یک عقربه‌ی نشان‌گر بر روی صفحه‌ی پرشرگیج نمایش داده می‌شود.

گیج‌فشار کپسولی:

در طراحی این نوع پرشرگیج از حداقل دو دیافراگم استفاده می‌شود. دیافراگم‌ ها به دو صورت برجسته (convex) و یا تودرتو (nested) به یکدیگر متصل می‌شوند. بنابراین میزان انحناء ایجاد شده در اثر اعمال فشار بیشتر خواهد بود. گیج‌فشار کپسولی دقت و حساسیت بالا‌تری نسبت به گیج‌فشار دیافراگمی دارد.

ویژگی‌های گیج فشار روغنی و خشک:

در گیج‌فشار خشک، صفحه مانیتورینگ که عقربه‌های نشان دهنده فشار در این قسمت قرار دارد، خالی است. اما در پرشر گیج روغنی صفحه‌ی مانیتورینگ به وسیله‌ی مایع روغنی مثل گلیسیرین یا سیلیکون پر شده است.

مزایا و معایب گیج‌فشار خشک:

• در پمپ‌ها، کمپرسورها و تجهیزات متحرک که میزان ارتعاش بالاست. ارتعاش بالا باعث می‌شود عقربه‌های گیج نتوانند میزان فشار را با دقت بالایی گزارش دهند.
• در شرایطی که رطوبت و غبار موجود در محیط بالاست. مشاهده دقیق فشار سیال ممکن نیست.
• در دماهای پایین ممکن است رطوبت داخل صفحه مانیتورینگ یخ زده و گیج را از کار بیاندازد.
• این نوع پرشر گیج قیمت پایین‌تری نسبت به گیج‌فشارهای روغنی دارد.

مزایا و معایب گیج‌فشار روغنی:

• این نوع گیج‌فشار میزان لرزش عقربه‌های پرشر گیج را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود پرشر گیج عدد دقیق‌تری را نشان دهد.
• در گیج‌فشار روغنی امکان عبور رطوبت و گرد و غبار به داخل صفحه مانیتورینگ وجود ندارد. بنابراین این نوع پرشر گیج می‌تواند فشار را دقت بالاتری نمایش دهد.
• مایع روغنی اصطحکاک عقربه‌ها را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود طول عمر گیج فشار روغنی افزایش یابد.
• گیج‌فشار روغنی قیمت بالاتری نسبت به گیج‌فشار خشک دارد.