فشار عبارتست از نیروی وارد بر واحد سطح سیالات، چه مایعات و چه گازها.
این کمیت در گازها نقش بسزایی دارد چرا که یکی از کمیت های مشخصه گاز می باشد و می توان از قابلیت تراکم پذیری گازها و تاثیرات ویژه ی فشار بر رفتار گازها به جایگاه فشار در گازها پی برد.
هرچه سطح اثر نیرو وارد بر جسمی بیشتر باشد فشار کمتری وارد می شود و بالعکس، مقدار فشار از رابطه زیر محاسبه می شود:
P=F/A
P: فشار/ F: نیرو / A: مساحت سطحی که به آن نیرو وارد شده است
فشار با واحدهای مختلفی بیان می شود. واحد SI برای آن، نیوتن بر مترمربع (N/M^2) می باشد. سایر واحدها، پوند بر مربع اینچ (PSI) ، اتمسفر (atm )، بار (bar )، اینچ جیوه (in.Hg)، میلی متر جیوه (mm.Hg) و torr است.
در صنعت نفت و گاز بیشتر از واحد بار برای اندازه گیری فشار و از میلی بار و سانتی متر آب برای اختلاف فشار استفاده می گردد.
تبدیل ضرایب واحدهای مختلف فشار به یکدیگر بصورت زیر می باشد:
جدول تبدیل ضرایب فشار
فشار را می توان بر اساس شرایط سیال در زمان اندازه گیری در دو حالت استاتیک و دینامیک تعریف کرد. حالت استاتیکی (فشار ثابت) زمانی است که حرکتی وجود نداشته باشد مانند هوای داخل بالون یا آب داخل حوض یا اگر سیال حرکت می کند، حرکت آن ثابت و بدون تغییر است. در حالت دینامیکی (فشار پویا) اغلب حرکت سیالات، نیروی وارده به محیط اطراف خود را تغییر می دهند.
در انتخاب فشارسنج ها باید به شرایط زیر دقت کرد: خواص فیزیکی سیال، کمترین و بیشترین فشار مورد اندازه گیری، میزان چسبندگی سیال، کمینه و بیشینه دما، دمای محل نصب، ویژگی های سنسور و میزان خطای مورد قبول آن
انواع فشار
کمیت فشار بطور نسبی اندازه گیری می شود و بر حسب مرجع اندازه گیری، فشارهای زیر تعریف میشوند: فشار مطلق، فشار گیج و فشار تفاضلی.
- فشار گیج (نسبی) (Guage pressure )
فشار گیج نسبت به فشار اتمسفر اندازه گیری می شود. از این نوع فشار برای فشار تایر ماشین و فشار خون استفاده می شود. واحد فشار گیج (pag (pascal’s guage یا psia (pounds per square inch guage) است. فشار گیج از اختلاف بین فشار اتمسفر و فشار مطلق حاصل می شود.
- فشار مطلق (absolute pressure)
فشار مطلق نسبت به خلا کامل (0psi) اندازه گیری می شود فشار اتمسفر 101kps در سطح دریا نسبت به خلا می باشد و برابر با مجموع فشار اتمسفر و فشار نسبی سیال می باشد. در فشار مطلق، از واحد (paa (pascal’s absolute یا psia (pounds per square inch absolute) استفاده می شود.
- فشار دیفرانسیلی(تفاضلی) (differential pressure)
فشار دیفرانسیلی مشابه فشار گیج است با این تفاوت که مرجع، نقطه فشار دیگری نسبت به فشار اتمسفر می باشد. در واقع اگر سنسور فشار، اختلاف بین دو فشاری که هیچ یک از آنها فشار اتمسفر نباشند را اندازه گیری کند، فشار اندازه گیری شده، فشار دیفرانسیلی یا تفاضلی نامیده میشود. از این روش می توان برای حفظ فشار نسبی بین دو مخزن فشار استفاده کرد. در فشار دیفرانسیلی از واحد (pad (pascal’s differential یا (psid (pounds per square inch differential استفاده می شود.
فشار مطلق نسبت به خلا سنجیده می شود ولی فشار گیج و تفاضلی نسبت به فشار دیگری همچون فشار اتمسفر.
مرجع فشار و روش های متداول آن
تفاوت بین سنسور، ترنسدیوسر و ترنسمیتر فشار
- سنسور فشار
ابزار اندازه‌گیری فشار با سیگنال خروجی میلی ولت غیر تقویت شده (همچون 2mV، 10mV و یا mV 0-100 ) معمولا با عنوان سنسور فشار شناخته میشود
- ترانسدیوسر فشار
ابزار اندازه‌گیری فشار با سیگنال خروجی تقویت شده ولت (همچون 0-5 Vdc و 0-10 Vdc و یا 1-5 Vdc ) معمولاً با عنوان ترانسدیوسر فشار شناخته میشود.
- ترانسمیتر فشار
ابزار اندازه‌گیری فشار با سیگنال خروجی میلی آمپر (همچون 4-20 mA دو سیمه یا سه سیمه، و mA 0-20 سه سیمه) معمولاً با عنوان ترانسمیتر فشار شناخته میشود.
روش های اندازه گیری فشار
- بر اساس فشار ستونی از مایع
- بر اساس میزان جابجایی مکانیکی
- بر اساس اندازه گیری نیرو
- روش اندازه گیری فشار بر اساس فشار ستونی از مایع، در مانومترها کاربرد دارد. طبق شکل زیر، اگر فشار وارد شده به دو طرف یکسان باشد ارتفاع لوله در دو طرف یکسان است. اما اگر از یک سمت، فشار وارد کنیم ارتفاع در یک سمت تغییر خواهد کرد، اختلاف ارتفاع برابر فشار نامعلوم منهای فشار جو است. در فشارهای پایین از آب و در فشارهای بالا از جیوه که چگالی بالاتری دارد استفاده می شود. این روش تحمل فشارهای بسیار بالا را ندارد.
ساختمان یک مانومتر
- در روش اندازه گیری فشار بر اساس میزان جابجایی مکانیکی، به یک قطعه قابل ارتجاع فشار وارد می شود و باعث حرکت آن ها میشود و این حرک از طریق چرخ دنده هایی به یک نمایشگر وارد می شود و فشار روی صفحه نمایش داده می شود. در شکل زیر سه نوع فشار سنج مکانیکی نشان داده شده است.
انواع فشار سنج ها بر اساس جابجایی مکانیکی
از معایب این روش، انبساط سنسور بر اثر گرما و تغییر نقطه صفر فشارسنج و فرسایش قطعات مکانیکی به مرور زمان است که این عوامل باعث کاهش دقت اندازه گیری در فشارسنج می شود.
- در روش اندازه گیری فشار بر اساس اندازه گیری نیرو، فشار بصورت غیرمستقیم و با اندازه گیری میزان نیروی وارده به یک حسگر اندازه گیری می شود. در ساختار سنسورهایی که با این روش عمل می کنند ورق های فلزی ای بر روی یک صفحه قرار می گیرند که وقتی فشار به آن اعمال می شود مقاومت آن تغییر می کند. این میزان تغییرات متناسب با نیروی اعمال شده می باشد در نتیجه از رابطه فشار و نیرو می توان میزان فشار را اندازه گیری کرد.
سنسورهای استفاده شده در فشارسنج ها
معمولا، سنسورها طبق نوع تبدیل فشار مکانیکی به سیگنال نسبی الکتریکی طبقه بندی می شوند. هدف تمامی روش ها تبدیل فشار اعمال شده بر روی سنسور به سیگنال الکتریکی نسبی می باشد. تعدادی از انواع سنسور فشار، شامل موارد زیر می باشد: خازنی، نوری، پیزوالکتریک، رزونانسی، پتانسیومتری، دما، یونیزاسیون و …
- خازنی
دستگاه های اندازه گيری خازني از يك سنسور فشار و يك مبدل خازني تشكيل شده است و بعلت قابلیت اطمینان بالای آن در موارد بسیار زیادی کاربرد دارد. این سنسورها بر اساس فشار تفاضلی اعمال شده به سنسورهای دیافراگم عمل می کند. با نزدیک شدن دیافراگم به یکی از صفحات خازن و دور شدن از دیگری، ظرفیت خازن تغییر می‌کند این تغییر خازن متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل به سیگنال الکتریکی میشود که در واحدهای فشار، کالیبره شده است. این تغییرات معمولا بمنظور تغییر فرکانس اسیلاتور و همچنین بعنوان یک المنت پل خازنی استفاده می شود. این فرکانس می تواند مستقیما با CPU اندازه گرفته شده و تبدیل به فشار شود.
علي رغم اينكه اين روش حساس و دقيق است ولي بسيار وابسته به تغيير ات دمايي می باشد. به همين دليل سيستمی برای تصحيح خطاي تغييرات دمايی در كنار اين مبدل ها وجود دارد. مبدلهای فشار خازنی ميتوانند در خلاءهاي بسيار زياد تا فشارهای بالا در حد ۱۰۰۰۰PSI استفاده شوند و به همين دليل كاربردگسترده ای دارند. این مبدل ها برای اندازه گیری فشار کم و معمولا برای آزمایشگاه ها استفاده می شوند.
مزایای سنسور خازنی:
- ایده آل برای کاربردهای فشار ضعیف و فشار قوی
- حداقل سازی کل خطای احتمالی، در نتیجه تغییرات فرایند
- مناسب برای کاربردهای جریان
سنسور خازنی- Variable Capacitance -Capacitive
- نوری
سنسور فیبر نوری، دستگاهی مبتنی بر فیبر می باشد که برای تشخیص برخی از مقادیر مانند دما، فشار، ارتعاشات و .. استفاده می شود. از فیبر نوری برای مکان‌های غیر قابل دسترس، دماهای بالا، در تکنولوژی‌های ذاتا مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه گیری‌های راه دور استفاده می شود.
از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. از مزایای این سنسور: حساسیت بالا، سایز کوچک، انعطاف پذیر و مقاوم، وزن کم، طول عمر طولانی، مسافت انتقال طولانی، خاصیت کم راکتیویته مواد شیمیایی، ایده آل برای عملکرد ایمن، ولتاژ بالا، ایزوله الکتریکی، ایمنی از تداخل الکترومغناطیسی ، چند سیگنالی، بدین معنی که یک تک فیبر می تواند ده ها سنسور برای اندازه گیری لرزش، فشار، درجه حرارت، جریان چندفازی، تغییر شکل و غیره داشته باشد.
روش مورد استفاده در ساختار سنسور نوری، Fabry-Perot Interferometer می باشد که دستگاهی است که برای اندازه گیری دقت طول موج های بلند استفاده می شود و از دو اینه منعکس کننده (شیشه یا کوارتز) تشکیل شده است که در مرکز قرار گرفته و حداکثر دقت را فراهم می کند و فاصله بین انها از طریق تغییرات مکانیکی تعیین می شود. تغییرات فاصله می تواند توسط فشار ایجاد شود و بعنوان سنسور فشار عمل کند.
سنسور های فشار مبتنی بر فیبر نوری تداخل سنج فابری پروت به طور گسترده در زمینه های مختلف صنعتی و زیست پزشکی استفاده می شوند.
سنسور فشار با با روش Fabry-Perot
- پیزوالکتریک
در پیزوالکتریک تغییرات فشار باعث ایجاد بار الكتريكي در سطح آن و تولید ولتاژ می شود. جنس پیزوالکتریک، کریستال هایی هستند که متناسب با فشار اعمال شده به آن ها، تنش ایجاد می کنند. و باعث تبدیل نیروهای مکانیکی به سیگنال های الکتریکی می شود. کوارتز جز رایج ترین پیزوالکتریک ها می باشد.
از سنسور پیزوالکتریک برای اندازه گیری فشارهای دینامیکی، نیرو، سرعت و شتاب استفاده می شود.
مزایای سنسور پیزوالکتریک:
- پاسخ دهی سریع آن
- کاربردهای فراوان بخاطر دقت بالا
- سایز کوچک، سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه
- پایداری مواد مورد استفاده در ان در دماهای بالا تا 1000 درجه سانتی گراد
- عدم حساسیت به میدان مغناطیسی و تابش
معایب:
- نیاز به مدار امپدانس بالا
- نیاز به یک تقویت کننده با بهره بالا
- ایجاد سروصدا
- عدم اندازه گیری فشار حالت جامد بعلت ذات دینامیکی آن
سنسور پیزوالکتریک
- رزونانس
در این سنسور از اصل شناخته شده ای به نام سیم ارتعاشی استفاده می شود. یک سیم پیچ مغناطیسی به دیافراگمی وصل می شود که وقتی دارای میدان مغناطیسی می شود، نوسان می کند و به جریان الکتریکی تبدیل می شود. نوسان فرکانس متناسب با ریشه دوم ولتاژ سیم است. سنسور رزونانس سیلیکونی از سیم برای تشدید استفاده نمیکند و به جای آن از سیلیکون با فرکانسهای رزونانسی متفاوت استفاده میکنند. این سنسور متشکل از مجموعه کپسول های سیلیکونی بر روی یک دیافراگم است که وقتی فشار دیفرانسیلی اعمال شود نوسان می کند و فرکانس نوسان بستگی به فشار اعمال شده دارد. برخی سنسورهای رزونانسی نیازمند جبرانسازی دما با تکنیکهای پیچیده نرم افزاری و سخت افزاری هستند. که این امر تعداد المانها را افزایش داده و در برخی تجهیزات نیز تعداد بردهای الکتریکی بیشتر خواهد شد.
سنسور رزونانس- resonant sensor
تجهیزات صنعتی برای اندازه گیری فشار
در صنعت، تجهیزات ابزار دقیق بسیار زیادی برای اندازه گیری فشار وجود دارد که دو تای آن ها بیشتر از همه مورد استفاده قرار می گیرد: مانومتر و ترنسمیتر فشار
مانومتر-manometer
ترنسمیتر فشار- pressure transmitter
از مانومتر برای خواندن فشار داخلی استفاده می شود که دارای یک صفحه نمایشگر (در حالت الکتریکی) و یا اشاره گر (در حالت مکانیکی) می باشد. معمولا این تجهیزات، ارزان قیمت بوده و زمانی استفاده می شود که نیازی به جابه جایی فشار برای کنترل سیستم نیست، مانند: فشار استاتیک، فشار پمپ و غیره.
فشارسنج های کمتر از فشار اتمسفر، لزوما نیاز به ترنسمیتر فشار مطلق ندارند. ترنسمیتر فشار مطلق تنها برای جلوگیری از نوسانات ناشی از تغییرات فشار اتمسفر توصیه می شود. این نوسانات زمانی مشکل ساز خواهند شد که فشار بسیار نزدیک به فشار اتمسفر باشد در موارد دیگر می توان از مانومتر بدون هیچ مشکلی استفاده کرد.
از دلایل اندازه گیری فشار: نظارت یا کنترل فرایند، ایمنی و کنترل با کیفیت، معاملات تجاری سیال، مطالعات و تحقیقات، اندازه گیری جرمی و حجمی