گیج فشار یکی از ابزارهای پر کاربرد در همه صنایع است که وظیفه نمایش فشار جاری در سیستم را بر عهده دارد. در ابتدای امر، لازم است نگاهی به مانومتر داشته باشیم.

مانومتر

یکی از دستگاههایی که جهت اندازه گیری فشار بکار می رود، مانومتر است، در واقع مانومتر فشار سنجی است که با آن فشار گاز محبوس در یک ظرف را اندازه گیری می کنند. مهمترین عامل اندازه گیری فشار لوله بروردون می باشد، لوله برودون یکی از قسمت های اصلی مانومتر است که با مقطع تقریبا بیضی به شکل C ساخته شده که یک طرف آن مسدود و ظرف دیگر آن به نقطه فشار وصل می شود. فشار سنجهای نوع بوردون قادرند از 30 تا 50000 پوند بر اینچ مربع را اندازه بگیرد. فشار وارده باعث می شود نوک آزاد لوله بوردون حرکت کند و این حرکت بوسیله سیستم اهرم به چرخ دنده و عقربه منتقل می شود و عقربه روی صفحه فشار را نشان می دهد.

از انواع دیگر مانومترها می توان به مانومتر U شکل اشاره کرد که یک لوله U شکل است که یک سر آن باز است و سر دیگر آن به ظرف دارای گاز متصل است. در این لوله جیوه یا مایع های دیگر را می توان ریخت. ارتفاع جیوه در دو شاخه لوله برابر است ولی با باز شدن شیر ظرف و ورود گاز به درون آن، ارتفاع جیوه در لوله تغییر می کند و با توجه به آن فشار گاز اندازه گیری می شود.

نکته: مانومتر ها  می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها نظیر دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع بکار روند.

واحد استاندارد فشار در دستگاه SI پاسکال می باشد که برابر 1Pa=1N/m2 می باشد یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد.
مانومترهای  لوله بوردون (Bourdon-manometer) برای اندازه گیری طیف وسیعی از اختلاف فشارها به کار می رود (حدود 700 مگا پاسکال). به دلیل بلند بودن طول لوله مانومتر و سایر ملاحظات عملی، برای اندازه گیری فشار های زیاد در تبرید به کار برده می شوند.مکانیسم این فشار سنج را در شکل زیر ملاحظه می کنید.

لوله بوردون از یک لوله فلزی خمیده بیضوی تشکیل شده است که با افزایش فشار سیال تمایل به باز شدن داشته و با کاهش فشار انحنای بیشتری می یابد. تغییرات انحنا از طریق یک سیستم چرخ دنده ای به عقربه منتقل می شود. جهت و مقدار حرکت عقربه به جهت و مقدار تغییر انحنای لوله بستگی دارد. فشار سنج های بوردون برای اندازه گیری فشارهای بیشتر و کمتر از اتمسفر به کار می روند.

از مانومتر U شکل می توان برای اندازه گیری فشار، خلاء یا اختلاف فشار بین دو نقطه استفاده کرد. این روش از جمله ساده‌ترین و در عین حال دقیق ترین روش های اندازه‌گیری فشار است. معمولا از این روش در مواردی که نیاز به مشاهده فشار توسط اپراتور به صورت محلی باشد استفاده می شود.

انواع فشارسنج ها با توجه به نوع فشار

سنسورهای فشار می‌توانند براساس بازه اندازه‌گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه‌گیری طبقه‌بندی شوند. با توجه به نوع فشار، فشارسنج‌ها، به ۵ دسته طبقه‌بندی می‌شوند:

سنسور فشار مطلق

این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلأ کامل (۰ psi) را اندازه می‌گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱٫۳۲۵ KPa (یا ۱۴٫۷psi) در سطح دریا نسبت به خلأ است.

سنسور فشار گیج Gauge

این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می‌تواند برای اندازه‌گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار 0 psi را می‌خواند فشار داخل تایر ۱۴٫۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

سنسور فشار خلأ

این سنسور برای اندازه‌گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه‌ای مشخص استفاده می‌شود. مرجع سنسور خلأ در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر (مانند اندازه‌گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلأ .

سنسور فشار تفاضلی

این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.

سنسور فشار مهرشده ( sealed )

این سنسور همانند سنسور گیج فشار است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.

کاربرد مانومترها

اندازه‌گیری فشار

این کاربرد، کاربرد اصلی سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن‌ها فشار کارایی دارد به کار می‌رود.

اندازه‌گیری ارتفاع از سطح دریا

کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن‌های هواشناسی و غیره می‌باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می‌شود.

اندازه‌گیری جریان

می‌توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریان را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه‌گیری می‌شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد. از آنجا که این اختلاف فشار نسبتاً کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می‌شود.

 
اندازه‌گیری ارتفاع / عمق

می‌توان از سنسور فشار برای اندازه گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد. معمولاً از این تکنیک برای اندازه‌گیری مکان جسم غوطه ور در آب (مانند غواص‌ها، زیر دریایی‌ها) و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می‌شود.

آزمایش نشتی

می‌توان با اندازه‌گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش‌های متداول برای این منظور، دو روش هستند:
1) مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار.
 2) اندازه‌گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان.

گیج فشار چیست؟

گیج فشار وسیله‌ای است که با آن میزان فشار سیال را اندازه‌گیری می‌کنند. از گیج فشار برای تنظیم فشار مایع در ماشین‌هایی که با قدرت مایع کار می‌کنند استفاده می‌شود. استفاده از گیج فشار جهت رفع مشکلات ماشین‌ها ضروری است. بدون وجود گیج فشار سیستم‌های قدرت مایع غیر قابل پیش‌بینی و نامطمئن خواهند بود. با استفاده از گیج‌ها مطمئن خواهید شد که هیچ نشتی و یا تغییرات فشاری وجود ندارد که بتواند بر روی عملیات سیستم هیدرولیک تاثیر بگذارد.

دامنه کاری گیج ها:

سیستم هیدرولیک طوری طراحی شده که در مجموعه‌ای از دامنه‌های فشار کار می‌کند بنابراین گیج هم باید بتواند در این محدوده کار کند. گیج‌های فشار هیدرولیک می‌توانند تا ۱۰٫۰۰۰ psi را اندازه‌گیری کنند، گرچه که حداکثر فشار هیدرولیک در محدوده ۳٫۰۰۰ psi الی ۵٫۰۰۰ psi است. گیج‌های هیدرولیک برای نشان دادن فشار سیستم اغلب در نزدیکی ورودی فشار پمپ نصب می‌شوند اما می‌توانید آن‌ها را در هر جای دیگر ماشین که می‌خواهید فشار را در آنجا اندازه‌گیری کنید نصب نمایید، مثلاً اگر زیر مدارها با نرخ فشاری متفاوت از فشار پمپ کار کنند می‌توانید گیج فشار را پس از شیر کاهش‌دهنده قرار دهید. شیرهای کاهش دهنده فشار اغلب دارای یک پورت گیج هستند که به وسیله آن می‌توانید بر تنظیمات کاهش فشار کاملاً نظارت داشته باشید.

 امروزه گیج‌های آنالوگ با مقیاس‌های مرسوم رایج‌تر هستند و گیج‌های فشار دیجیتال دارای سیستم عامل قابل تنظیمی می‌باشند که می‌توان از طریق آن فرایند نشتی‌ها ناشی از فشار و پارامترهای دیگری مانند گشتاور، بار، نیرو و سختی را اندازه‌گیری کرد.

استفاده از گیج‌ها در سیستم‌های پنوماتیک و هوای فشرده نیز رایج است زیرا فشار در مکان‌های بسیاری از سیستم اندازه‌گیری می‌شود. فشار در ریسیورها و هر FRL یا رگلاتور در سیستم اندازه‌گیری می‌شود. گاهی اوقات فشار در فعال‌کننده‌های پنوماتیک نیز اندازه‌گیری می‌شود. معمولاً گیج‌های فشار پنوماتیک نمی‌توانند فشار بیش از ۳۰۰ psi را اندازه‌گیری کنند، گرچه که فشار سیستم‌ها معمولاً در حدود ۱۰۰ psi است.

سه نوع فشار داریم:

فشار مطلق، فشار گیج و فشار خلاء. فشار مطلق اندازه‌گیری فشار واقعی در هوای محیط است، که در خلاء صفر است و در سطح دریا می‌تواند تا ۱۴٫۷ psi برسد. مطالعات فشار مطلق بیشتر مربوط به کاربردهای آن در هوای محیط می‌باشد، مثلاً محاسبات ضریب فشرده‌سازی برای جریان (cfm). فشار سنج گیج فشار در هوای محیط صفر است و در اکثر کاربری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد اما نه کاربری‌هایی که در هوای محیط باشند، بلکه کاربری‌هایی نظیر سیستم‌هایی که با فشار مایع کار می‌کنند. با جدا کردن گیج فشار از تجهیزات فشارسنج آن صفر می‌شود. در نهایت فشار خلاء در Torr بیان شده و یا با واحد in.-Hg (اینچ جیوه) در برابر فشار محیط نشان داده می‌شود که فشار را زیر فشار محیط اندازه‌گیری می‌کند.

گیج هیدرولیک می‌تواند دامنه‌های فشار متفاوتی را تحمل کند که این بسته به نوع استایل گیج و نوع متریالی که از آن ساخته شده بستگی دارد. به همین دلیل استایل گیج و متریال آن دو عامل بسیار مهم هستند.

انواع مختلفی از استایل گیج وجود دارد که متداول‌ترین آن‌ها گیج‌ لوله بوردون و گیج‌ تفاضلی هستند. لوله‌های بوردون فشار را دریافت کرده و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. این انرژی صفحه‌ای را در گیج حرکت داده و میزان فشار حال حاضر سیستم را نشان می‌دهد. گیج‌های لوله بوردون در حال حاضر متداول‌ترین گیج‌ها هستند و تنظیمات متفاوتی مانند منحنی، دورانی و مارپیچ دارند.

استایل لوله گذاری گیج ها:

استایل لوله‌گذاری، سایز لوله و متریالی که لوله از آن ساخته شده بر اساس دامنه فشار متفاوت است. یکی از ویژگی‌های مهمی که باید یادآور شویم تغییراتی است که با افزایش فشار در بخش تقاطعی لوله‌ها اتفاق می‌افتد. به طور کلی هنگامی که فشار گیج افزایش می‌یابد شکل بخش تقاطعی لوله‌ها از حالت بیضی به حالت دایره‌ای تغییر می‌یابد.
عملکرد لوله بوردون ساده است. لوله بوردون از یک لوله نیم دایره‌ای مسطح و فلزی تشکیل شده که از یک طرف ثابت است و از طرف دیگر دارای یک مکانیزم اهرمی حساس است. با افزایش فشار در لوله نیروی مایع سعی می‌کند که در منحنی لوله را صاف کند، سپس لوله از اهرم دور می‌شود و چون بر روی عقربه صفحه نمایش متصل است فشار ورودی مایع را نشان می‌دهد.

با اینکه عملکرد گیج‌های تفاضلی شبیه عملکرد لوله‌های بوردون است اما تفاوتشان این است که گیج تفاضلی از انرژی حالت ارتجاعی خود برای حرکت دادن عقربه استفاده می‌کند. حالت فنری گیج تفاضلی با فشار موجود در لوله‌ها منبسط و منقبض می‌شود و انرژی حاصله از این حرکت به چرخ دنده‌هایی منتقل می‌شود که عقربه فشار را به حرکت در می‌آورند. دامنه فشار گیج اولین عامل موثر برای انتخاب نوع متریال گیج است. گیج‌هایی که در فشارهای بالا کار می‌کنند از متریال‌هایی مانند فولاد ساخته می‌شوند و گیج‌هایی که در فشارهای پایین‌ کار می‌کنند از متریال‌هایی مانند برنز ساخته می‌شوند.
بیشتر گیج‌های فشار در آمریکای شمالی دارای نرینگی ۱/۴-in. NPT هستند اما رشته‌های SAE محبوبیت بیشتری دارند.

استفاده از آداپتور:

استفاده از آداپتورهای تست نقطه‌ای در مکان‌های مختلف در سیستم هیدرولیک به ما اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به خرید ده‌ها گیج فشار بتوانیم هنگام عیب‌یابی هم فشار را اندازه‌گیری کنیم. با وجود فیتینگ تست نقطه‌ای متصل به گیج می‌توان آن را به نقاط تست در سر تا سر جریان وصل کرد، با این کار می‌توانید نقاط مختلف در سیستم را تحت فشار اندازه‌گیری کنید. قطر بیشتر گیج‌ها ۲۱/۲in است، و استایل آن‌ها می‌تواند top-mount یا پنلی (panel-mount) باشد. گیج‌ها می‌توانند دارای هرگونه سایز، متریال‌ و ساختاری باشند.

نکته مهم:

چه بخواهید از گیج فشار برای تست کردن تجهیزات استفاده کنید و چه در ماشین‌آلات آن را به کار ببرید، استفاده از گیج فشار مناسب مدت زمان خرابی‌ها که هزینه‌بر هم هست، کاهش می‌دهد. رایج‌ترین تهدید برای اعتبار گیج‌های مکانیکی که در سیستم‌های هیدرولیک استفاده می‌شود، لرزش، نوسان و فشارهای ضربه‌ای است. بنابراین بهتر است از گیج‌هایی استفاده کنید که مختص کاربری‌های هیدرولیک طراحی شده‌اند.

ویژگی‌های این نوع گیج‌ها از این قرار است: یک محفظه برنجی جهت جلوگیری از فرکانس‌های شدیدی که ناشی از اجزاء داخلی خراب شده هستند، یک محفظه پر شده با مایع جهت حفاظت گیج در برابر لرزش و جریان‌های فشار شدید، و یک محدود کننده (restrictor) جهت جلوگیری از آسیب‌های ناشی از فشار ضربه‌ای. گرچه که مایع استفاده شده در گیج نسبت به کاربری‌های مختلف فرق می‌کند اما معمولاً از گلیسیرین استفاده می‌شود که در بسیاری از شرایط نیز به خوبی عمل می‌کند. هرچه ویسکوزیته مایع بالاتر باشد بیشتر می‌تواند لرزش‌ها را تعدیل کند. هنگام انتخاب گیج خشک، پر شده با آب و یا گلیسیرین باید این نکات را هم مد نظر قرار دهید: محدوده دما، مدت زمان پاسخ‌گویی عقربه، تغییرات فشار و میزان لرزشی که در کاربری مورد نظر انتظار می‌رود.

در نهایت بسته به نوع کاربری ممکن است نیاز به لوازم جانبی گیج نظیر محدود کننده‌های ویژه (restrictorها)، کمک فنر پیستون، یا درزگیرهای دیافراگم باشد تا از خراب شدن نابهنگام گیج جلوگیری شود.

انواع گیج فشار

گیج فشار دستگاهی برای اندازه‌گیری فشار است، هر نوع گیج فشاری المان سنجش مختص به خود را دارد که مقدار کمیت اندازه‌گیری شده را می‌سنجد. گیج فشار انواع مختلفی دارد که متداول‌ترین آن‌ها از این قرارند:

• گیج فشار دیافراگمی
• گیج فشار سیلندری Bellow
• گیج فشار لوله بوردون

المان سنجش گیج فشار دیافراگمی (Diaphragm)

دیافراگم یک پوسته ارتجاعی است که هنگام وارد شدن فشار کشیده می‌شود. دیافراگم یک ورق است که کشیده شده و به دو دیافراگم دیگر می‌پیوندد تا یک کپسول را تشکیل دهد.

اضافه کردن کپسول‌های بیشتر به دیافراگم میزان حساسیت گیج را افرایش می‌دهد. هنگامی که به دیافراگم فشار وارد می‌شود خم می‌شود. این حرکت از طریق پیوندی که با عقربه وجود دارد به آن می‌رسد. سپس عقربه حرکت کرده و میزان فشار وارد شده به دیافراگم را نمایش می‌دهد. تا زمانی که این فشار وجود دارد دیافراگم در موقعیت اصلی خود باقی می‌ماند.

المان سنجش گیج فشار سیلندری ( Bellow)

در زیر نوع دیگری از دیافراگم انباشته آمده است. دیافراگم انباشته از چندین صفحه تشکیل شده است در حالیکه bellow از یک صفحه تشکیل شده است.

فشار وارده موجب منبسط شدن و کش آمدن سیلندر می‌شود. هنگامی که فشار قطع شد سیلندر هم کوتاه می‌شود. حرکت سیلندر توسط پیوندی که به عقربه وجود دارد انتقال می‌یابد و عقربه میزان فشار وارده به سیلندر را نشان می‌دهد.

گیج فشار لوله بوردون (Bourdon Tube)

لوله بوردون قسمت “C” شکلی است که در تصویر بالا نشان داده شده است. زمانی که به لوله فشار وارد می‌شود لوله به طرف بیرون کشیده می‌شود. انتهای لوله توسط یک پیوند به عقربه متصل شده است. سیستم پیوند و چرخ‌دنده عقربه را بر روی صفحه مدرج (مقیاس) حرکت می‌دهد. حرک دورانی چرخ‌دنده موقعیت عقربه را تغییر داده و میزان فشار وارده به لوله بوردون را نشان می‌دهد.

اصول اندازه گیری گیج فشار

اصول اندازه‌گیری مختلفی در گیج فشار وجود دارد، که در واقع با نوع المان سنجش در ارتباط است. اینکه باید از کدام گیج فشار استفاده کنید بسته به نوع کاربری شماست. ۴ نوع المان سنجش وجود دارد:

سیلندر (Bellows)

Bellows سیلندرهایی با دیواره نازک و فلزی هستند که حلقه‌هایی عمیق دارند و یک طرف آن‌ها بسته است و طرف دیگر باز می‌باشد. با وجود اینکه انتهای باز ثابت است اما انتهای بسته می‌تواند آزادانه حرکت کند.