گیج فشار: از مبانی تا کاربردهای پیشرفته
در دنیای پیچیده و به هم پیوسته صنعت، مهندسی و حتی زندگی روزمره، اندازه‌گیری متغیرهای فیزیکی امری حیاتی است. دما، جریان، سطح و فشار، چهار رکن اصلی ابزار دقیق و کنترل فرآیند هستند. در این میان، فشار به عنوان یکی از بنیادی‌ترین و پرکاربردترین کمیت‌ها، نقشی بی‌بدیل ایفا می‌کند. ابزاری که این کمیت حیاتی را برای ما قابل درک و اندازه‌گیری می‌کند، گیج فشار یا فشارسنج نام دارد. این دستگاه به ظاهر ساده، در حقیقت چشم صنعت است که به ما امکان می‌دهد تا به قلب فرآیندهای مکانیکی و شیمیایی نفوذ کرده و از عملکرد صحیح، ایمن و بهینه آن‌ها اطمینان حاصل کنیم.
از کنترل فشار باد تایر خودرو که مستقیماً بر ایمنی سرنشینان تأثیر دارد، تا نظارت بر فشار دیگ‌های بخار در یک نیروگاه عظیم که از وقوع فجایع جلوگیری می‌کند، گیج فشار حضوری دائمی و ضروری دارد.
راهنمای مطالعه
بخش اول: مفاهیم بنیادین فشار
برای درک کامل عملکرد یک گیج فشار، ابتدا باید خودِ مفهوم «فشار» را بشناسیم. فشار (P) به صورت نیروی (F) وارد بر واحد سطح (A) تعریف می‌شود:
P=AF
واحد استاندارد فشار در سیستم SI، پاسکال (Pa) است که معادل یک نیوتن نیرو بر متر مربع می‌باشد. با این حال، در صنعت و کاربردهای مختلف از واحدهای دیگری نیز به طور گسترده استفاده می‌شود، از جمله:
- بار (Bar): تقریباً معادل فشار اتمسفر در سطح دریا (1 bar≈100,000 Pa).
- پوند بر اینچ مربع (PSI): واحد رایج در سیستم انگلیسی و در کشورهایی مانند ایالات متحده.
- اتمسفر (atm): فشار استاندارد اتمسفر در سطح دریا.
- میلی‌متر جیوه (mmHg) یا Torr: اغلب در کاربردهای خلاء و پزشکی (مانند اندازه‌گیری فشار خون) استفاده می‌شود.
خرید گیج فشار hach آلمان
انواع اندازه‌گیری فشار
فشاری که یک گیج نمایش می‌دهد، می‌تواند بر اساس یک نقطه مرجع متفاوت تعریف شود:
- فشار گیج (Gauge Pressure): این رایج‌ترین نوع اندازه‌گیری است. در این حالت، فشار نسبت به فشار اتمسفر محلی سنجیده می‌شود. به عبارت دیگر، فشار اتمسفر به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته می‌شود. فشار باد تایر خودرو نمونه‌ای از فشار گیج است.
- فشار مطلق (Absolute Pressure): در این نوع اندازه‌گیری، فشار نسبت به خلاء کامل (فشار صفر مطلق) سنجیده می‌شود. این مرجع ثابت و بدون تغییر است. فشار مطلق برابر است با مجموع فشار گیج و فشار اتمسفر محلی.
- فشار خلاء (Vacuum Pressure): این فشار، مقادیر کمتر از فشار اتمسفر را نشان می‌دهد. در واقع، این یک نوع فشار گیج منفی است.
- فشار تفاضلی (Differential Pressure): این نوع گیج، اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف را اندازه‌گیری می‌کند. این کاربرد در اندازه‌گیری جریان سیال از طریق محاسبه افت فشار در یک فیلتر یا اوریفیس پلیت بسیار رایج است.
بخش دوم: تاریخچه مختصر گیج فشار
داستان اندازه‌گیری فشار با کارهای اوانجلیستا توریچلی در قرن هفدهم آغاز شد. او با آزمایش معروف خود که در آن یک لوله پر از جیوه را در ظرفی از جیوه واژگون کرد، اولین بارومتر (فشارسنج جوی) را ساخت و وجود خلاء را به اثبات رساند. این کشف، سنگ بنای درک فشار اتمسفر بود. از گیج فشار در ساخت محصولات جیانگ دانگ استفاده می شود.
اما نقطه عطف در تاریخ گیج‌های فشار صنعتی، در سال ۱۸۴۹ توسط مهندس فرانسوی، اوژن بوردون (Eugène Bourdon) رقم خورد. او لوله بوردون را اختراع کرد؛ یک لوله فلزی خمیده با مقطع بیضوی که تحت تأثیر فشار، تمایل به صاف شدن دارد. این حرکت مکانیکی ساده و در عین حال هوشمندانه، به یک عقربه متصل می‌شد و فشار را بر روی یک صفحه مدرج نمایش می‌داد. طراحی بوردون به قدری کارآمد و قابل اعتماد بود که تا به امروز، گیج‌های مبتنی بر لوله بوردون همچنان رایج‌ترین نوع فشارسنج‌های مکانیکی در جهان هستند.
بخش سوم: انواع گیج‌های فشار
گیج‌های فشار را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: مکانیکی (آنالوگ) و الکترونیکی (دیجیتال).
۱. گیج‌های فشار مکانیکی
این گیج‌ها برای کار کردن به منبع تغذیه خارجی نیاز ندارند و فشار را از طریق تغییر شکل یک المان الاستیک اندازه‌گیری می‌کنند.
الف) گیج لوله بوردون (Bourdon Tube Gauge)
همانطور که ذکر شد، این گیج پرکاربردترین نوع فشارسنج مکانیکی است.
- ساختار: جزء اصلی آن یک لوله فلزی با مقطع بیضوی است که به شکل حرف “C” یا به صورت مارپیچ یا حلزونی خم شده است. یک سر این لوله به نقطه ورودی فشار متصل است و سر دیگر آن مسدود و آزاد است.
- نحوه عملکرد: هنگامی که سیال تحت فشار وارد لوله می‌شود، نیروی فشار سعی می‌کند مقطع بیضوی لوله را به دایره نزدیک کند. این تغییر شکل باعث می‌شود که لوله خمیده تمایل به صاف شدن پیدا کند. حرکت انتهای آزاد لوله از طریق یک سیستم اهرم‌بندی و چرخ‌دنده به یک عقربه منتقل می‌شود که روی یک صفحه مدرج حرکت کرده و میزان فشار را نشان می‌دهد.
- مزایا: طراحی ساده و مستحکم، هزینه پایین، طیف وسیع اندازه‌گیری فشار (از فشارهای پایین تا بسیار بالا)، عدم نیاز به برق.
- معایب: حساسیت به لرزش و ضربه، دقت متوسط، فرسودگی مکانیکی در طول زمان.
ب) گیج دیافراگمی (Diaphragm Gauge)
- ساختار: المان حسگر در این نوع گیج، یک دیافراگم یا غشای نازک و انعطاف‌پذیر است. این دیافراگم می‌تواند فلزی یا از مواد دیگر باشد و لبه‌های آن ثابت شده است.
- نحوه عملکرد: فشار سیال به یک سمت دیافراگم اعمال می‌شود و باعث تغییر شکل و جابجایی آن می‌گردد. این جابجایی، مشابه گیج بوردون، از طریق یک مکانیزم به عقربه منتقل می‌شود. گیج‌های دیافراگمی برای محافظت از مکانیزم داخلی در برابر سیالات خورنده یا با ویسکوزیته بالا ایده‌آل هستند، زیرا دیافراگم می‌تواند ابزار را از سیال فرآیند ایزوله کند.
- کاربردها: اندازه‌گیری فشارهای پایین، سیالات چسبناک یا دارای ذرات معلق، کاربردهای بهداشتی (Sanitary).
ج) گیج بیلوز (Bellows Gauge)
- ساختار: المان حسگر در این گیج، یک سیلندر انعطاف‌پذیر و آکاردئونی شکل به نام بیلوز (Bellows) است و در ساخت شارژر باتری انکو استفاده می شودو
- نحوه عملکرد: با اعمال فشار، بیلوز منبسط یا منقبض می‌شود. این حرکت خطی قابل توجه، آن را برای اندازه‌گیری فشارهای پایین و مطلق بسیار حساس و مناسب می‌سازد.
- کاربردها: اندازه‌گیری فشارهای پایین و بسیار دقیق، سیستم‌های کنترل پنوماتیک.
۲. گیج‌های فشار الکترونیکی (دیجیتال)
این گیج‌ها از یک ترانسدیوسر فشار برای تبدیل فشار به یک سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند. این سیگنال سپس پردازش شده و به صورت عددی بر روی یک نمایشگر دیجیتال (معمولاً LCD) نشان داده می‌شود.
الف) گیج استرین گیج (Strain Gauge)
این نوع، رایج‌ترین سنسور در گیج‌های دیجیتال است.
- نحوه عملکرد: یک استرین گیج (کرنش‌سنج)، که معمولاً یک الگوی فویل فلزی نازک است، بر روی یک دیافراگم چسبانده می‌شود. با اعمال فشار، دیافراگم خم می‌شود و باعث کشیدگی یا فشردگی استرین گیج می‌گردد. این تغییر شکل فیزیکی، مقاومت الکتریکی استرین گیج را تغییر می‌دهد. این تغییر مقاومت، که متناسب با فشار اعمالی است، توسط یک مدار پل وتستون اندازه‌گیری شده و به سیگنال قابل فهم تبدیل می‌شود.
ب) گیج خازنی (Capacitive)
- نحوه عملکرد: سنسور این گیج‌ها از دو صفحه رسانا تشکیل شده که یک دی‌الکتریک بین آن‌ها قرار دارد و یک خازن را تشکیل می‌دهند. یکی از صفحات ثابت و دیگری یک دیافراگم انعطاف‌پذیر است. با اعمال فشار، دیافراگم جابجا شده و فاصله بین دو صفحه تغییر می‌کند. این تغییر فاصله، ظرفیت خازن را تغییر می‌دهد. مدار الکترونیکی این تغییر ظرفیت را اندازه‌گیری و به فشار معادل تبدیل می‌کند. این سنسورها برای فشارهای پایین بسیار دقیق هستند.
ج) گیج پیزوالکتریک (Piezoelectric)
- نحوه عملکرد: این سنسورها از موادی (مانند کریستال کوارتز) استفاده می‌کنند که دارای اثر پیزوالکتریک هستند. به این معنی که وقتی تحت تنش یا فشار مکانیکی قرار می‌گیرند، یک بار الکتریکی یا ولتاژ تولید می‌کنند. این ولتاژ تولیدی مستقیماً با میزان فشار اعمالی متناسب است. سنسورهای پیزوالکتریک برای اندازه‌گیری فشارهای دینامیک و سریع (مانند انفجار یا پالس‌های هیدرولیکی) بسیار مناسب هستند.
بخش چهارم: کاربردهای گیج فشار
گیج‌های فشار تقریباً در تمام صنایع و بخش‌های فناوری حضور دارند:
- صنایع نفت، گاز و پتروشیمی: نظارت بر فشار خطوط لوله، مخازن ذخیره‌سازی، راکتورها و برج‌های تقطیر.
- نیروگاه‌ها: کنترل فشار دیگ‌های بخار، توربین‌ها و سیستم‌های هیدرولیک.
- صنایع خودروسازی: اندازه‌گیری فشار روغن موتور، فشار سوخت، فشار سیستم ترمز و فشار باد تایر.
- پزشکی: دستگاه‌های فشارسنج خون (Sphygmomanometers)، ونتیلاتورها و سیستم‌های توزیع گازهای طبی.
- سیستم‌های HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع): نظارت بر فشار گاز مبرد در سیستم‌های سرمایشی و فشار آب در سیستم‌های گرمایشی.
- صنایع غذایی و دارویی: کاربردهای بهداشتی که نیازمند گیج‌هایی با دیافراگم ایزوله‌کننده برای جلوگیری از آلودگی هستند.
- هوافضا: اندازه‌گیری فشار کابین، فشار سیستم‌های هیدرولیک و فشار سوخت در هواپیما و فضاپیماها.
- کاربردهای روزمره: کمپرسورهای هوا، سیستم‌های تصفیه آب خانگی، کپسول‌های آتش‌نشانی و پمپ‌های آب.
سخن پایانی
گیج فشار، از لوله بوردون ساده و مکانیکی گرفته تا سنسورهای پیزوالکتریک دیجیتال و هوشمند، ابزاری بیش از یک نمایشگر ساده است. این دستگاه یک عنصر حیاتی برای تضمین ایمنی، کیفیت و کارایی در دنیای مدرن است. درک اصول عملکرد، شناخت انواع مختلف و انتخاب صحیح آن بر اساس نیازمندی‌های کاربردی، مهارتی کلیدی برای هر مهندس، تکنسین و اپراتور صنعتی است. در حالی که فناوری به سمت راه‌حل‌های هوشمندتر و متصل‌تر پیش می‌رود، نقش بنیادین این ابزار در اندازه‌گیری و کنترل یکی از مهم‌ترین متغیرهای فیزیکی جهان، همچنان بدون تغییر و حیاتی باقی خواهد ماند. گیج فشار، با تمام سادگی‌اش، قهرمان گمنام دنیای صنعت است.
