گیج فشار: اصول، انواع و کاربردها

فشار به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می‌شود و در سیستم بین‌المللی یکاها (SI)، واحد اصلی آن پاسکال (Pa) است که معادل یک نیوتن بر متر مربع (N/m²) می‌باشد. البته در صنعت و کاربردهای مختلف، واحدهای دیگری نیز برای بیان فشار استفاده می‌شوند:

• بار (bar): معادل ۱۰۰,۰۰۰ پاسکال

• اتمسفر (atm): فشار متوسط هوا در سطح دریا، معادل ۱۰۱,۳۲۵ پاسکال

• پی‌اس‌آی (psi): پوند بر اینچ مربع، واحد رایج در سیستم آمریکایی

• میلی‌متر جیوه (mmHg): واحدی که بیشتر در پزشکی استفاده می‌شود

• تور (Torr): تقریباً معادل یک میلی‌متر جیوه

فشار در سه مفهوم اصلی بیان می‌شود:

1. فشار مطلق (Absolute Pressure): فشار واقعی یک سیال نسبت به خلأ کامل (صفر مطلق)

2. فشار گیج (Gauge Pressure): فشار اندازه‌گیری شده نسبت به فشار اتمسفر محیط

3. فشار تفاضلی (Differential Pressure): اختلاف فشار بین دو نقطه

رابطه بین فشار مطلق و فشار گیج به صورت زیر است: فشار مطلق = فشار گیج + فشار اتمسفر

قیمت پرشر گیج در سایت ابزار سنجش

تاریخچه مختصر گیج‌های فشار

تاریخچه اندازه‌گیری فشار به قرن ۱۷ میلادی برمی‌گردد:

• ۱۶۴۳: اوانجلیستا توریچلی، بارومتر جیوه‌ای را اختراع کرد که اولین ابزار اندازه‌گیری فشار اتمسفر بود.

• ۱۶۶۱: بلز پاسکال، اصول انتقال فشار در سیالات را کشف کرد که بعدها به قانون پاسکال معروف شد.

• قرن ۱۹: گیج‌های فشار مکانیکی با استفاده از لوله‌های بوردن توسعه یافتند.

• قرن ۲۰: گیج‌های الکترونیکی و دیجیتال ظهور کردند.

• قرن ۲۱: سنسورهای هوشمند و سیستم‌های اندازه‌گیری فشار متصل به شبکه (IoT) به بازار آمدند.

انواع گیج‌های فشار

گیج‌های فشار را می‌توان بر اساس مکانیسم عملکرد، دقت، محدوده کاربرد و فناوری ساخت طبقه‌بندی کرد. در ادامه مهمترین انواع گیج‌های فشار معرفی می‌شوند:

۱. گیج‌های فشار مکانیکی

الف) گیج‌های لوله بوردن (Bourdon Tube Gauges)

لوله بوردن یکی از رایج‌ترین و قدیمی‌ترین طراحی‌های گیج فشار است که در سال ۱۸۴۹ توسط یوجین بوردن اختراع شد. این گیج از یک لوله فلزی خمیده با مقطع بیضوی تشکیل شده که یک انتهای آن بسته است و انتهای دیگر به منبع فشار متصل می‌شود. با افزایش فشار، لوله تمایل به صاف شدن پیدا می‌کند و این حرکت توسط یک مکانیسم چرخ‌دنده و اهرم به عقربه منتقل می‌شود.

مزایا:

• ساده و مقاوم

• نیاز به انرژی الکتریکی ندارد

• قابل استفاده در محدوده وسیعی از فشارها

معایب:

• دقت کمتر نسبت به گیج‌های الکترونیکی

• حساس به ضربه و ارتعاش

• نیاز به کالیبراسیون منظم

ب) گیج‌های دیافراگمی (Diaphragm Gauges)

در این نوع گیج، یک صفحه انعطاف‌پذیر (دیافراگم) به عنوان المان حساس به فشار استفاده می‌شود. تغییر شکل دیافراگم متناسب با فشار است و به حرکت عقربه یا تولید سیگنال الکتریکی منجر می‌شود.

مزایا:

• مناسب برای فشارهای پایین

• حساسیت بالا

• مقاوم در برابر سیالات خورنده (با انتخاب مواد مناسب)

ج) گیج‌های بلوفی (Bellows Gauges)

این گیج‌ها از یک محفظه آکاردئونی شکل استفاده می‌کنند که با تغییر فشار منبسط یا منقبض می‌شود و در سولار پنل یینگلی کاربرد دارد.

مزایا:

• حساسیت بالا نسبت به تغییرات فشار

• مناسب برای اندازه‌گیری فشارهای بسیار کم

۲. گیج‌های فشار الکترونیکی

الف) ترانسدیوسرهای فشار پیزورزیستیو (Piezoresistive Pressure Transducers)

این سنسورها از تغییر مقاومت الکتریکی مواد نیمه‌هادی در اثر فشار مکانیکی استفاده می‌کنند. معمولاً از پل وتستون برای اندازه‌گیری این تغییرات بهره می‌برند.

مزایا:

• دقت بالا

• پاسخ سریع

• مناسب برای اندازه‌گیری‌های دینامیک

ب) سنسورهای فشار خازنی (Capacitive Pressure Sensors)

در این سنسورها، دیافراگم به عنوان یکی از صفحات خازن عمل می‌کند و با تغییر فشار، فاصله بین صفحات خازن تغییر می‌کند که منجر به تغییر ظرفیت خازنی می‌شود.

مزایا:

• حساسیت بالا

• پایداری دمایی خوب

• مصرف انرژی کم

ج) سنسورهای فشار پیزوالکتریک (Piezoelectric Pressure Sensors)

این سنسورها از خاصیت پیزوالکتریک برخی مواد استفاده می‌کنند که در اثر فشار مکانیکی، ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند.

مزایا:

• پاسخ بسیار سریع

• مناسب برای اندازه‌گیری فشارهای دینامیک و ضربه‌ای

• مقاومت بالا در دماهای زیاد

۳. گیج‌های فشار دیجیتال

گیج‌های فشار دیجیتال ترکیبی از سنسورهای الکترونیکی با نمایشگرهای دیجیتال و مدارات پردازش سیگنال هستند و در کارخانه mornsun استفاده می شوند. این گیج‌ها علاوه بر نمایش مقدار فشار، قابلیت‌های دیگری نیز دارند:

• ذخیره‌سازی داده‌ها

• ارتباط با کامپیوتر یا شبکه

• هشدار در صورت خارج شدن فشار از محدوده مجاز

• تصحیح خطاهای ناشی از تغییرات دما

مزایا:

• دقت بالا

• خوانایی بهتر

• قابلیت ثبت و تحلیل داده‌ها

• امکان ادغام با سیستم‌های کنترل

اصول کالیبراسیون گیج‌های فشار

کالیبراسیون گیج‌های فشار برای اطمینان از صحت و دقت اندازه‌گیری‌ها ضروری است. این فرآیند شامل مقایسه نتایج اندازه‌گیری گیج مورد نظر با یک استاندارد مرجع دقیق‌تر است. روش‌های کالیبراسیون شامل:

1. کالیبراسیون با وزنه مرده (Dead Weight Tester): در این روش از وزنه‌های دقیق برای ایجاد فشار استاندارد استفاده می‌شود.

2. کالیبراسیون با مانومتر مرجع: مقایسه نتایج گیج با یک مانومتر استاندارد با دقت بالاتر

3. کالیبراسیون با پمپ فشار دستی: برای گیج‌های با محدوده فشار پایین

عوامل موثر بر دقت گیج‌های فشار:

• هیسترزیس (پسماند)

• غیرخطی بودن

• اثرات دمایی

• اثرات ارتعاش و ضربه

• فرسودگی مکانیکی

کاربردهای گیج‌های فشار

گیج‌های فشار در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها استفاده می‌شوند:

۱. صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

• کنترل فشار خطوط لوله

• نظارت بر مخازن تحت فشار

• اندازه‌گیری فشار چاه‌های نفت و گاز

• کنترل فرآیندهای پالایشگاهی

۲. صنایع تولیدی و کارخانه‌ای

• سیستم‌های پنوماتیک و هیدرولیک

• ماشین‌آلات تزریق پلاستیک

• کنترل فشار بخار در دیگ‌های بخار

• سیستم‌های خلأ صنعتی

۳. تاسیسات ساختمانی و خدمات شهری

• سیستم‌های آب‌رسانی

• شبکه‌های گازرسانی

• سیستم‌های تهویه مطبوع و خنک‌کننده

• آتش‌نشانی و اطفاء حریق

۴. پزشکی و بهداشت

• دستگاه‌های فشارسنج خون

• ونتیلاتورها و دستگاه‌های تنفسی

• تجهیزات بیهوشی

• سیستم‌های گازهای طبی

۵. صنایع هوافضا

• سیستم‌های هیدرولیک هواپیما

• اندازه‌گیری فشار کابین

• سیستم‌های سوخت‌رسانی

• تجهیزات آزمایش موتور

۶. صنایع غذایی

• کنترل فرآیندهای پاستوریزاسیون

• سیستم‌های بسته‌بندی تحت خلأ

• اتوکلاوها و تجهیزات استریلیزاسیون

انتخاب گیج فشار مناسب

انتخاب گیج فشار مناسب به عوامل متعددی بستگی دارد:

1. محدوده فشار کاری: گیج انتخابی باید قادر به اندازه‌گیری تمام محدوده فشار مورد نیاز باشد.

2. دقت مورد نیاز: با توجه به حساسیت فرآیند، دقت مناسب انتخاب شود.

3. شرایط محیطی: دما، رطوبت، ارتعاش و وجود مواد خورنده

4. نوع سیال: مایع، گاز، بخار یا سیالات خورنده

5. شرایط نصب: فضای در دسترس، جهت نصب و محدودیت‌های فیزیکی

6. الزامات خروجی: آنالوگ، دیجیتال، نمایش محلی یا انتقال به راه دور

7. استانداردهای ایمنی: مطابقت با استانداردهای صنعتی و الزامات محیط‌های خاص

روند توسعه و فناوری‌های نوین در گیج‌های فشار

روند توسعه گیج‌های فشار در سال‌های اخیر به سمت هوشمندسازی، مینیاتوری‌سازی و ادغام با سیستم‌های اینترنت اشیاء (IoT) بوده است. برخی از فناوری‌های نوین در این زمینه عبارتند از:

۱. گیج‌های فشار هوشمند

این گیج‌ها قابلیت پردازش داده‌ها، تشخیص خطا و ارتباط با شبکه را دارند. آنها می‌توانند:

• خود را تنظیم و کالیبره کنند

• اطلاعات را به صورت بی‌سیم منتقل کنند

• هشدارهای پیش‌بینانه برای نگهداری صادر کنند

• با سیستم‌های مدیریت دارایی ادغام شوند

۲. سنسورهای MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی)

فناوری MEMS امکان ساخت سنسورهای فشار بسیار کوچک را فراهم کرده است که:

• اندازه و وزن کمتری دارند

• مصرف انرژی پایینی دارند

• قابلیت تولید انبوه با هزینه کمتر را دارند

• برای کاربردهای پزشکی و پوشیدنی مناسب هستند

۳. سنسورهای فشار نوری

این سنسورها از تغییر خواص نوری مواد یا فیبرهای نوری در اثر فشار استفاده می‌کنند:

• مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی

• مناسب برای محیط‌های خطرناک و انفجاری

• قابلیت اندازه‌گیری از راه دور و در مسافت‌های طولانی

۴. سنسورهای فشار بی‌سیم و خودتغذیه

این سنسورها انرژی مورد نیاز خود را از محیط (ارتعاش، حرارت، تابش) تأمین می‌کنند:

• نیاز به سیم‌کشی و منبع تغذیه خارجی ندارند

• برای نقاط غیرقابل دسترس مناسب هستند

• هزینه نصب و نگهداری کمتری دارند

سخن پایانی

گیج‌های فشار از ابزارهای ضروری در بسیاری از صنایع و فناوری‌های مدرن هستند. تنوع طراحی و اصول عملکرد آنها امکان استفاده در شرایط مختلف را فراهم می‌کند. پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک، فناوری‌های میکرو و نانو، و اینترنت اشیاء، افق‌های جدیدی را در دقت، کارایی و هوشمندی این ابزارها گشوده است.

با ادغام گیج‌های هوشمند در سیستم‌های صنعتی، امکان نظارت بلادرنگ، تحلیل پیش‌بینانه و بهینه‌سازی فرآیندها بیش از پیش فراهم شده است. این روند به افزایش ایمنی، کاهش هزینه‌ها و بهبود بهره‌وری در صنایع مختلف کمک شایانی کرده است. با توجه به اهمیت روزافزون مدیریت انرژی و منابع، نقش گیج‌های فشار در آینده پررنگ‌تر خواهد شد و توسعه فناوری‌های مرتبط با آن همچنان ادامه خواهد داشت.