فشارسنج ها چیست و چرا دارند؟

گیج فشار دستگاهی است که برای اندازه گیری نیرویی که یک گاز یا مایع در واحد سطح به ظرف یا محیط اطرافش وارد می کند استفاده می شود. اندازه گیری فشار برای اطمینان از ایمنی فرآیند، حفظ کارایی سیستم و مطابقت با استانداردهای نظارتی حیاتی است. اندازه نادرست یا استفاده نادرست گیج - یا گیج که بی صدا خراب می شود - می تواند منجر به آسیب به تجهیزات، از بین رفتن محصول یا حوادث ایمنی جدی شود.

گیج های فشار در آنها با یکدیگر تفاوت دارند اصل عملیات , نوع فشاری که اندازه می گیرند , مصالح ساختمانی آنها ، و مناسب بودن آنها برای رسانه ها و محیط های مختلف . انتخاب سنج مناسب مستلزم درک این چشم انداز کامل است.

بررسی اجمالی: دسته بندی های اصلی فشارسنج

1. فشار سنج لوله بوردون

گیج لوله بوردون متداول ترین نوع فشارسنج در جهان است که به افتخار مهندس فرانسوی Eugène Bourdon که این طرح را در سال 1849 ثبت اختراع کرد نامگذاری شده است. این گیج بیش از 175 سال بعد در کاربردهای صنعتی، تجاری و مسکونی غالب باقی مانده است - گواهی بر سادگی و قابلیت اطمینان اصل عملکرد آن.

چگونه کار می کند

عنصر حسگر یک لوله منحنی یا سیم پیچ با سطح مقطع بیضی یا مسطح است که در یک انتها مهر و موم شده و از طرف دیگر به منبع فشار متصل است. هنگامی که فشار وارد لوله می شود، سعی می کند صاف یا باز شود. این حرکت مکانیکی کوچک از طریق یک سیستم پیوند و چرخ دنده تقویت می شود که یک اشاره گر را در یک مقیاس مدرج روی صفحه شماره گیری هدایت می کند. هنگامی که فشار آزاد می شود، خاصیت ارتجاعی لوله آن را به شکل منحنی اولیه خود باز می گرداند.

انواع لوله بوردون

طراحی اصلی لوله بوردون به سه شکل هندسی ارائه می شود که هر کدام برای محدوده فشارهای مختلف بهینه شده اند:

• نوع C (تک کویل): رایج ترین شکل، به شکل حرف C، مناسب برای محدوده فشار متوسط تا حدود 700 بار (10000 PSI). در اکثر گیج های استاندارد صنعتی و تجاری یافت می شود.
• لوله مارپیچ بوردون: لوله به جای یک قوس منفرد در یک مارپیچ پیچیده می شود و جابجایی زاویه ای بیشتری را برای تغییر فشار یکسان فراهم می کند. در کاربردهای با دقت و فشار بالا، اغلب بالای 600 بار استفاده می شود.
• لوله مارپیچ بوردون: لوله به یک مارپیچ مسطح پیچیده می‌شود و امکان حرکت زاویه‌ای بزرگ با فشار نسبتاً کم را فراهم می‌کند و آن را برای محدوده‌های فشار کم تا متوسط و ابزارهای ضبط دقیق مناسب می‌سازد.

گیج های لوله بوردون در موادی از جمله برنج، فولاد ضد زنگ و آلیاژهای تخصصی موجود هستند که آنها را با طیف وسیعی از رسانه ها از جمله آب، بخار، نفت، گاز و بسیاری از سیالات شیمیایی سازگار می کند.

2. فشار سنج دیافراگم

یک گیج فشار دیافراگمی از یک غشای دایره ای نازک و انعطاف پذیر (دیافراگم) به عنوان عنصر حسگر خود استفاده می کند. هنگامی که فشار به یک طرف دیافراگم وارد می شود، به سمت طرف فشار پایین تر منحرف می شود. این انحراف - از طریق یک میله فشار یا پیوند مکانیکی - به حرکت چرخشی تبدیل می شود که نشانگر را به حرکت در می آورد.

گیج دیافراگم خشک در مقابل مایع پر شده

گیج های دیافراگمی در دو نوع خشک (غیر پر شده) و پر از مایع موجود هستند. مدل‌های پر از مایع - معمولاً با گلیسیرین یا روغن سیلیکون پر می‌شوند - لرزش و ضربان را کاهش می‌دهند، عمر قطعه را افزایش می‌دهند و در محیط‌های مکانیکی سخت مانند کمپرسورها، پمپ‌ها و تجهیزات متحرک ترجیح داده می‌شوند.

زمان انتخاب گیج دیافراگمی

• هنگامی که محیط فرآیند بسیار چسبناک، نیمه جامد یا مستعد کریستال شدن است (که باعث مسدود شدن لوله بوردون می شود).
• هنگامی که محیط فرآیند خورنده است و یک ماده دیافراگمی مقاوم در برابر شیمیایی (PTFE، Hastelloy، تانتالم) مورد نیاز است.
• هنگام اندازه‌گیری فشارهای بسیار کم - گیج‌های دیافراگمی می‌توانند محدوده‌های 0 تا 10 میلی‌بار را با دقت اندازه‌گیری کنند.
• هنگامی که الزامات بهداشتی یا بهداشتی اعمال می شود، مانند مواد غذایی، نوشیدنی، و تولید دارو.

3. فشار سنج کپسولی

یک کپسول گیج شامل دو دیافراگم دایره ای موجدار است که در اطراف لبه های آنها به هم جوش داده شده یا مهر و موم شده اند و یک دیسک توخالی (کپسول) را تشکیل می دهند. فشار وارد شده به کپسول باعث انبساط یا انقباض آن می شود و این حرکت به صورت مکانیکی به اشاره گر منتقل می شود.

گیج های کپسولی ابزارهای تخصصی هستند که برای اندازه گیری فشار کم گازهای تمیز، خشک و غیر تهاجمی . محدوده اندازه‌گیری معمولی آن‌ها از 0 تا 1 میلی‌بار تا تقریباً 0 تا 600 میلی‌بار است، که آنها را به ابزار انتخابی تبدیل می‌کند که در آن گیج‌های لوله بوردون به سادگی فاقد حساسیت برای تشخیص تغییرات فشار معنی‌دار هستند. کاربردهای رایج شامل کنترل مشعل گاز، تهویه و پایش فشار پیش نویس، تأیید فشار اتاق تمیز و اندازه گیری فشار هوا در ابزارهای هواشناسی است.

4. فشار سنج دم

دم سنج ها از مجموعه ای از محفظه های پیچیده و آکاردئونی مانند استفاده می کنند که از فلز نازک تشکیل شده اند. هنگامی که فشار به داخل (یا خارج) دمک اعمال می شود، کل مجموعه در امتداد محور خود امتداد یا فشرده می شود. این جابجایی محوری مکانیسم نشانگر را به حرکت در می آورد.

در مقایسه با گیج‌های کپسولی، دم‌ها جابه‌جایی بزرگ‌تری را برای تغییر فشار معین فراهم می‌کنند که به حساسیت مکانیکی بالاتر ترجمه می‌شود. آنها در کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری فشار کم تا متوسط دارند - معمولاً تا حدود 6 بار - استفاده می شوند و به ویژه برای اندازه گیری فشار مناسب هستند. اندازه گیری فشار تفاضلی ، که در آن دو فشار متضاد روی دو سر مجموعه دمنده اعمال می شود و گیج اختلاف خالص را می خواند.

5. فشارسنج های دیجیتال و الکترونیکی

گیج‌های فشار دیجیتال از یک سنسور فشار الکترونیکی استفاده می‌کنند - معمولاً یک گیج فشار پیزو مقاومتی یا یک سنسور خازنی - برای تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی، که سپس پردازش می‌شود و به عنوان قرائت عددی روی یک صفحه LCD یا LED نمایش داده می‌شود. بسیاری از گیج های دیجیتال سیگنال های خروجی آنالوگ (4-20 میلی آمپر یا 0-10 ولت) را برای ادغام با PLC ها، سیستم های SCADA و دیتا لاگر ارائه می دهند.

مزایای کلیدی گیج دیجیتال

• دقت بالاتر: گیج های دیجیتال به طور معمول به دقت 0.1 ± تا 0.5 ± درصد از مقیاس کامل دست می یابند، در مقایسه با 1-2 ± درصد برای اکثر گیج های مکانیکی.
• بدون خطای اختلاف منظر: صفحه نمایش عددی خطاهای خواندن ناشی از زاویه دید را حذف می کند.
• ثبت اطلاعات و اتصال: بسیاری از مدل ها از پروتکل های ارتباطی USB، بلوتوث یا صنعتی برای نظارت از راه دور و تحلیل روند پشتیبانی می کنند.
• چند واحد: می تواند فشار را در PSI، bar، kPa، MPa و واحدهای دیگر با لمس یک دکمه نمایش دهد.
• حداقل/حداکثر حافظه: برای گرفتن پیک و فرورفتگی فشار در فرآیندهای دینامیکی مفید است.

6. فشار سنج پیزوالکتریک

گیج‌های پیزوالکتریک بر اساس یک اصل متفاوت عمل می‌کنند: مواد کریستالی خاصی (کوارتز رایج‌ترین آنها است) هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرند، بار الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کنند. یک سنسور فشار پیزوالکتریک، نیروی فشار را مستقیماً به سیگنال ولتاژ تبدیل می کند - بدون قطعات متحرک و زمان پاسخ بسیار سریع که در میکروثانیه اندازه گیری می شود.

این باعث می شود که سنج های پیزوالکتریک به طور منحصر به فردی برای آن مناسب باشند اندازه گیری فشار دینامیکی - شرایطی که فشار به سرعت تغییر می کند، مانند تجزیه و تحلیل احتراق موتور، اندازه گیری موج ضربه، آزمایش انفجار، و تشخیص گذرای هیدرولیک. آنها برای فشار ثابت یا آهسته در حال تغییر طراحی نشده اند. بار تولید شده توسط یک فشار ثابت به آرامی نشت می کند و آنها را به عنوان نشانگرهای مداوم حالت پایدار نامناسب می کند.

7. فشار سنج دیفرانسیل

گیج فشار دیفرانسیل (DP) به طور خاص برای اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه مجزا در یک سیستم طراحی شده است. به جای اندازه گیری فشار نسبت به اتمسفر یا خلاء، به دو پورت فرآیند متصل می شود و اختلاف فشار خالص را نمایش می دهد - مثبت، منفی یا صفر.

اندازه گیری فشار دیفرانسیل یکی از مهم ترین اندازه گیری های فشار صنعتی است زیرا زیربنای برخی از حیاتی ترین وظایف نظارت بر فرآیند است:

• اندازه گیری جریان: با قرار دادن یک محدودیت (ورفیس صفحه، ونتوری یا نازل جریان) در یک لوله، افت فشار در سراسر آن متناسب با سرعت جریان است. یک گیج DP این را به یک نشانگر جریان تبدیل می کند.
• نظارت بر فیلتر: افت فشار فزاینده در یک فیلتر نشان دهنده انسداد است و زمان تعویض را نشان می دهد - از آسیب سیستم و اتلاف انرژی جلوگیری می کند.
• اندازه گیری سطح: در یک مخزن مهر و موم شده، اختلاف فشار بین پایین و فضای گاز بالای مایع به طور مستقیم با سطح مایع مطابقت دارد.
• رسوب مبدل حرارتی: افزایش DP در یک مبدل حرارتی نشان دهنده رسوب روی بسته لوله است که امکان تعمیر و نگهداری پیش بینی را فراهم می کند.

8. فشار سنج مطلق

در حالی که بیشتر فشار سنج ها فشار را نسبت به فشار اتمسفر اطراف (فشار گیج) اندازه گیری می کنند، گیج های فشار مطلق فشار را نسبت به خلاء کامل - فشار صفر اندازه گیری می کنند. محفظه مرجع در داخل یک گیج فشار مطلق تخلیه و مهر و موم می شود و یک نقطه مرجع پایدار و مستقل از جو را فراهم می کند.

اندازه گیری فشار مطلق در هر جایی که تغییر فشار اتمسفر منجر به خطا شود یا مرجع فشار صفر واقعی مورد نیاز باشد ضروری است. کاربردهای کلیدی عبارتند از: اندازه گیری فشار هوا در هواشناسی و هوانوردی. نظارت بر سیستم خلاء در تولید نیمه هادی، پردازش دارویی و آزمایشگاه های تحقیقاتی؛ کنترل فرآیند حساس به ارتفاع؛ و محاسبات دقیق قانون گاز که در آن فشار مطلق توسط معادلات ترمودینامیکی مورد نیاز است.

9. فشار سنج مرکب

یک گیج مرکب هم فشار مثبت (بالاتر از اتمسفر) و هم فشار منفی - که معمولاً خلاء نامیده می شود - را در یک مقیاس و با یک ابزار اندازه گیری می کند. صفحه به طور معمول با نقطه صفر در وسط تقسیم می شود: فشار منفی (خلاء) در سمت چپ و فشار مثبت در سمت راست نمایش داده می شود.

گیج های مرکب انتخاب استانداردی هستند سیستم های تبرید و HVAC ، که در آن مدار مبرد به طور منظم بین شرایط زیر اتمسفر (خلاء) در طول فرآیندهای تخلیه و فشارهای مثبت در طول عملیات عادی تغییر می کند. آنها همچنین در فرآیندهای مربوط به پمپ های خلاء، کندانسورهای بخار و هر سیستمی که در آن فشار ممکن است در شرایط عادی یا خطا به زیر اتمسفر کاهش یابد، استفاده می شود.

خلاصه مقایسه ای: انواع فشارسنج در یک نگاه

انواع فشارسنج تخصصی اضافی

فشار سنج بهداشتی / بهداشتی

این گیج‌ها که برای کاربردهای غذایی، نوشیدنی، لبنیات و دارویی طراحی شده‌اند، دارای دیافراگم‌های هموار، سطوح بدون شکاف و موادی هستند که برای تماس با محصولات مصرفی تأیید شده‌اند (مانند فولاد ضد زنگ 316 لیتر، PTFE). آنها معمولاً با استانداردهای بهداشتی 3-A مطابقت دارند و برای مقاومت در برابر روش های تمیز در محل (CIP) و بخار در محل (SIP) طراحی شده اند.

سنج با خلوص بالا

این گیج ها که در تولید نیمه هادی ها و توزیع گاز فوق خالص استفاده می شوند، با سطوح داخلی برقی شده و قطعات خیس شده تمام فلز ساخته شده اند تا از آلودگی گازهای فرآیند فوق خالص جلوگیری کنند.

گیج های تست و مرجع

گیج های با دقت بالا (±0.1٪ یا بهتر) به طور خاص برای کالیبراسیون سایر ابزارهای فشار استفاده می شود. آنها معمولا دارای صفحه‌های با قطر بزرگ (150-250 میلی‌متر)، حرکات دقیق و لوله‌های بوردون هستند که با تلورانس‌های محکم ماشین‌کاری شده‌اند.

سوئیچ فشار دیفرانسیل

یک دستگاه ترکیبی ترکیبی از یک عنصر سنجش فشار تفاضلی با یک خروجی سوئیچینگ الکتریکی. هنگامی که ΔP اندازه گیری شده از آستانه از پیش تعیین شده فراتر رفت، یک سوئیچ باز یا بسته می شود و زنگ هشدار، پمپ، شیر یا کنترل کننده را راه اندازی می کند. رایج در نظارت بر فیلتر، حفاظت از پمپ و سیستم های HVAC.

مانومتر

در حالی که همیشه به عنوان سنج به معنای سنتی طبقه بندی نمی شوند، مانومترهای لوله U و نوع چاه فشار را با مقایسه ارتفاع ستون مایع (معمولاً آب یا جیوه) در برابر یک مرجع اندازه گیری می کنند. آنها در فشارهای بسیار کم دقت بالایی دارند و به عنوان استانداردهای مرجع در محیط های آزمایشگاهی و کالیبراسیون استفاده می شوند.

نحوه انتخاب گیج فشار مناسب: یک چارچوب انتخاب

با تعداد زیادی از انواع سنج موجود، انتخاب باید یک فرآیند سیستماتیک باشد. کار بر روی این ملاحظات به منظور به مناسب ترین انتخاب منجر می شود:

1. نوع فشار را تعریف کنید: آیا به اندازه گیری فشار گیج، مطلق یا دیفرانسیل نیاز دارید؟ این بلافاصله گزینه های شما را به دسته ابزار مناسب فیلتر می کند.
2. محدوده فشار را تعیین کنید: حداقل، حداکثر و فشار کاری معمولی را مشخص کنید. به عنوان یک قاعده کلی، محدوده گیج باید به گونه ای انتخاب شود که فشار عملیاتی معمولی در حدود 50 تا 75 درصد از مقیاس کامل کاهش یابد تا از عنصر حسگر محافظت شود و عمر مفید آن افزایش یابد.
3. مشخص کردن محیط فرآیند: آیا مایع تمیز است یا دارای ذرات است؟ خورنده؟ چسبناک؟ دمای بالا؟ مواد خیس سازگار برای قابلیت اطمینان و ایمنی غیر قابل مذاکره هستند.
4. ارزیابی محیط: آیا گیج در معرض لرزش، ضربان، شوک مکانیکی یا دمای شدید قرار می گیرد؟ این عوامل باعث انتخاب بین تنظیمات خشک، پر از مایع و مهر و موم از راه دور می شود.
5. الزامات دقت را تعیین کنید: گیج های مکانیکی استاندارد دقت 1-2% را ارائه می دهند. در صورت نیاز به تلرانس های شدیدتر، باید سنج های تست دیجیتال یا با دقت بالا در نظر گرفته شود.
6. الزامات خروجی را در نظر بگیرید: آیا خواندن بصری محلی کافی است یا به خروجی آنالوگ، ارتباط دیجیتال یا قابلیت ثبت داده نیاز دارید؟ این تعیین می کند که آیا یک سنج مکانیکی یا الکترونیکی مناسب است.
7. الزامات نظارتی و گواهینامه را تأیید کنید: صنایعی مانند مواد غذایی، دارویی، دریایی و برنامه های کاربردی مناطق خطرناک، الزامات گواهینامه خاصی را اعمال می کنند (ATEX، FDA، 3-A، CE، ASME) که باید توسط سنج انتخاب شده رعایت شود.

اشتباهات رایج انتخاب و نصب فشارسنج

• بزرگ کردن محدوده: سنج با اندازه گیری 5 PSI در مقیاس 0-300 PSI وضوح و دقت ضعیفی در فشار کاری معمولی دارد. همیشه محدوده را اندازه بگیرید تا عملکرد عادی در یک سوم وسط مقیاس قرار گیرد.
• نادیده گرفتن ضربان: ضربان پمپ یا کمپرسور به سرعت لوله های بوردون را خسته می کند و باعث خرابی زودرس می شود. پر کردن مایع گیج، نصب یک دمپر ضربان یا استفاده از گیج دیافراگمی این مشکل را حل می کند.
• مواد خیس شده اشتباه: گیج‌های برنجی در سیستم‌هایی که آب کلردار یا مواد شیمیایی خاص را حمل می‌کنند به سرعت خراب می‌شوند. همیشه قبل از مشخص کردن مواد، سازگاری شیمیایی را بررسی کنید.
• نادیده گرفتن اثرات دما: دماهای بسیار بالا و بسیار پایین فرآیند بر دقت و طول عمر گیج تأثیر می گذارد. سیل از راه دور یا مجموعه های مویرگی گیج را از دمای شدید فرآیند جدا می کند.
• رد شدن از کالیبراسیون: حتی سنج های با کیفیت بالا نیز در طول زمان جابجا می شوند. کالیبراسیون برنامه ریزی شده - در فواصل زمانی مناسب با بحرانی بودن برنامه - تضمین می کند که خوانش ها قابل اعتماد و قابل ردیابی هستند.
• جهت گیری نامناسب: اکثر گیج ها برای یک جهت نصب خاص طراحی شده اند. برای مثال، نصب یک گیج در قسمت پایین به طرفین، یک خطای افست گرانشی در موقعیت اشاره گر ایجاد می کند.

استانداردها و طبقه بندی های مربوطه

گیج های فشار توسط طیف وسیعی از استانداردهای بین المللی و ملی کنترل می شوند که کلاس های دقت، الزامات ساخت و ساز، روش های آزمایش و الزامات ایمنی را تعریف می کنند. آشنایی با این استانداردها برای تعیین ابزارهای منطبق مهم است:

• EN 837 (استاندارد اروپایی): استاندارد اروپایی اولیه برای گیج های لوله بوردون (EN 837-1)، گیج های دیافراگمی (EN 837-3) و گیج های کپسولی (EN 837-2). کلاس های دقت 0.1، 0.25، 0.6، 1.0، 1.6، 2.5 و 4 را تعریف می کند.
• ASME B40.100: استاندارد ایالات متحده برای گیج‌های فشار، دماسنج‌های شماره‌گیر و ابزارهای مرتبط، کلاس‌های دقت درجه A و درجه B را تعریف می‌کند.
• ATEX / IECEx: چارچوب های گواهی برای سنج های در نظر گرفته شده برای استفاده در جوهای بالقوه انفجاری. نیاز به ساخت و ساز و علامت گذاری خاص برای اجازه استفاده ایمن در مناطق خطرناک.
• رتبه بندی IP (IEC 60529): درجه حفاظت ارائه شده توسط محفظه سنج در برابر نفوذ ذرات جامد و مایعات را تعریف می کند - برای محیط های بیرونی و شستشوی مهم است.
• 3- استانداردهای بهداشتی: مواد حاکم بر استاندارد ایالات متحده، طراحی و ساخت برای ابزارهای فشار لبنی و تماس با مواد غذایی.

چشم انداز فشارسنج ها بسیار گسترده تر از آن چیزی است که در ابتدا به نظر می رسد. از لوله ساده و زیبای بوردون - که هنوز هم پس از نزدیک به دو قرن یک اسب کار جهانی است - تا ابزارهای دیجیتال پیچیده با دقت زیر 0.1٪ و اتصال بی سیم، یک فشارسنج مهندسی شده برای تقریباً هر کاربرد، محیط، محیط و نیازهای دقت وجود دارد.

درک انواع مختلف گیج‌های فشار، فیزیک زیربنای هر طراحی، و عواملی که بر انتخاب آن‌ها حاکم است، صرفاً دانش فنی نیست - مستقیماً بر ایمنی فرآیند، قابلیت اطمینان تجهیزات، کارایی انرژی و انطباق با مقررات تأثیر می‌گذارد. گیج مناسب، به درستی مشخص شده و به درستی نگهداری می شود، یک جزء با عمر طولانی و بسیار ارزشمند از هر سیستم سیال یا گاز است.

در صورت شک، با تیم مهندسی برنامه سازنده گیج با شرح کامل شرایط فرآیند مشورت کنید. سرمایه گذاری در مشخصات صحیح، سودی در طول عمر سنج، قابلیت اطمینان اندازه گیری و ایمنی سیستم دارد.