بسیاری از صنعتگران و همچنین فعالین و محقیقن در این حوزه به دنبال شناخت و درک عمیق‌تر اصول کارکرد و مکانیسم ابزارهای دقیق هستند. چرا که داشتن این دانش به آنها در انتخاب درست و استفاده صحیح از این ابزار کمک می‌کند. در همین راستا شرکت آرکاکنترل در سایت خود در مجموعه مقالاتی به زبان ساده مکانیسم و اصول کارکرد این ابزار را خدمت مشتریان و علاقه‌مندان عزیز ارائه کرده است. در این مطلب می‌خواهیم به یکی از فشارسنج‌های پر اهمیت و کاربردی در حوزه ابزار دقیق بپردازیم. گیج‌های فشار دیافراگمی، مکانیسم مکانیکی دارند و در صنایع مختلف بسیار پر استفاده هستند. در ادامه به معرفی مکانیسم و انواع این نوع از فشارسنج‌ها خواهیم پرداخت.

گیج‌های فشار دیافراگمی

دیافراگم، دو محیط حاوی سیال با فشارهای متفاوت را از هم جدا می­‌کند. سیال با فشاری که دارد به سطح غشای مرتجع(دیافراگم) نیرو وارد کرده و در غشاء انحناء ایجاد خواهد کرد. در نتیجه وجهی از دیافراگم که در سمت محیط با فشار کمتر است به داخل آن محیط خم خواهد شد. فشار در این نوع فشارسنج، از میزان انحنای غشای منعطف اندازه­‌گیری می­‌شود. میزان انحنای غشاء برای یک فشار مشخص تکرارپذیر است. بنابراین می­‌توان با کالیبراسیون مناسب، فشار را از روی انحنای دیافراگم اندازه‌­ گرفت.

چگونگی تغییر شکل یک دیافراگم نازک به اختلاف فشار میان محیط های دو طرف آن بستگی دارد. ممکن است وجه مرجع دیافراگم در تماس با فشار جو باشد تا فشار گیج را برای سیال موجود در سمت دیگر اندازه بگیرد. یا ممکن است هر وجه در تماس با سیال معلوم و مجهولی باشد تا فشار اختلافی آنها تعیین شود. اگر در یک وجه دیافراگم، خلأ ایجاد کنیم فشار مطلق سیال در محیط رو به وجه دیگر سنجیده خواهد شد. تغییر شکل غشاء را می‌­توان با رو‌‌‌‎ش‌های مکانیکی، نوری یا خازنی سنجید. غشاء از یک ورقه‌­ی صاف یا چین خورده با جنس فلزی یا سرامیکی و با ضخامت خاص و دقیق ساخته می­‌شود.

تصویر یک گیج فشار دیافراگمی

تصویر یک گیج فشار دیافراگمی

چگونگی کارکردگیج‌های فشار دیافراگمی

دیافراگم به صورت مکانیکی به یک مبدل با مکانیسم خاص متصل است که کوچکترین انحنای غشای دیافراگم را تقویت کرده و به نمایشگر فشار منتقل می­‌کند. در انیمیشن روبه‌رو می­‌توان چگونگی کارکردن گیج‌های فشار دیافراگمی را مشاهده نمود. در این انیمیشن حرکات دیافراگم و مبدل مشخص است. معمولاً انحنای دیافراگم بسیار کوچک است(در حد میلی متر) و نیاز است مبدلی حرکات دیافراگم را تقویت کند تا انحنای به وجود آمده بتواند عقربه نمایشگر را به صورت ملموس جابه‌جا کند. البته هر چه سطح غشاء بزرگتر باشد، نیرویی که حرکت دیافراگم ایجاد می­‌کند نیز بزرگتر خواهد بود.

روش‌های متعددی برای اندازه‌­گیری فشار از میزان انحنای غشای دیافراگم وجود دارد. ساده­‌ترین روش استفاده از سوزن متصل به دیافراگم است که با تغییر در انحنای دیافراگم بالا و پایین می­‌رود.همچنین می­‌توان از یک مقاومت الکتریکی ارتجاعی برای این منظور استفاده کرد. با تغییر انحنای دیافراگم، طول سیم تغییر کرده و بنا به معادله R=rL/A مقاومت آن نیز تغییر می‌کند. در این معادله R مقاومت، r مقاومت ویژه، L طول سیم و A سطح مقطع سیم است. تغییر در مقاومت الکتریکی باعث تغییر در جریان الکتریکی می‌شود. می‌­توان تغییرات انحنای دیافراگم را با اندازه­‌گیری این تغییر جریان الکتریکی به دست آورد. و به این ترتیب فشار وارد شده به دیافراگم را اندازه­‌گیری کرد.

              انیمیشن چگونگی کارکرد گیج‌های فشار دیافراگمی

ویژگی‌ها

دیافراگم باید به گونه­‌ای ساخته شود که انحنای دیافراگم بر اثر فشار وارد شده به آن تا حد امکان خطی باشد.یعنی مقدار مشخصی تغییر در فشار باعث تغییر انحنای ثابتی شود. یک دیافراگم مسطح از جنس فلزی، تنها در صورتی که تغییر شکل در آن کوچک باشد خاصیت خطی خواهد داشت. وقتی تغییرات در یک دیافراگم مسطح، بزرگتر از این حد باشد به دلیل به وجود آمدن تنشهای متعدد بر روی آن خواص خطی از میان خواهد رفت. در نتیجه با فشار بیش از حد، دیافراگم سفت شده و با تغییر فشار انحنای کوچکتری از خود نشان خواهد داد.

ماده بسیار منعطفی همچون یک ورقه نازک نایلونی می­‌تواند به شکل دیافراگم صاف کار کند. این دیافراگم با یک فنر حمایت می­‌شود تا با انحنای نایلون مخالفت کرده و با کاسته شدن یا از بین رفتن فشار، ورقه نایلون به سمت مکان اولیه خود بازگردد. برای کاربردهای صنعتی معمولاً از دیافراگم­‌های فلزی چین خورده استفاده می‌­شود. این چین خوردگی­‌ها خاصیت ارتجاعی غشاء فلزی را ارتقاء می­‌دهند و همچنین به گونه­‌ای ایجاد می­‌شوند که خاصیت خطی آن را نیز بهبود بخشند. انواع مختلفی از طرح­های چین خوردگی وجود دارد که نمونه­‌هایی از آنها را می‌­توان در اشکال زیر دید.

تصاویری از دیافراگم‌های فشارسنجی‌

شکل یک گیج دیافراگمی و چند نمونه دیافراگم
تصویر چند نمونه گیج فشار دیافراگمی به همراه دیافراگم آنها

کاربردها

بازه کارکرد گیج‌­های فشار دیافراگمی در حدود بین ۱۰mbar تا ۴۰bar است. برای اندازه­‌گیری فشارهای کوچکتر باید از دیافراگم­‌هایی با سطح بزرگتر استفاده کرد. این موضوع باعث بالا رفتن حساسیت این نوع فشارسنج خواهد شد و نیروی حاصل از تغییرات کوچکتر فشار را تقویت خواهد کرد. با مواد موجود، در فشارهای پایینتر از ۱۰mbar به غشاهایی با ضخامت آنچنان نازک برای تغییرات انحنای محسوس نیاز است که ساخت آن ها را تقریباً غیر ممکن ساخته. در این شرایط باید از گیج‌های فشار مشابه کپسولی بهره گرفت. دقت فشارسنج­‌های دیافراگمی به جنس، ضخامت و شکل غشاء بستگی دارد. بخاطر ساختاری که دارند بسیار در مقابل فشارهای بالاتر از محدوده کارکردی مقاوم هستند.

برای اندازه­‌گیری فشار گازها و مایعات خورنده ممکن است لازم باشد از یک لایه محافظ برای غشای دیافراگم استفاده شود. محیط های فرسایشی و خورنده به سرعت می­‌توانند به غشای دیافراگم صدمه بزنند، لذا محافظت از دیافراگم الزامی است. برای محافظت دیافراگم مواد خاصی به صورت فویل از جنسهایی مانند PTFE، تانتالم، تیتانیم یا طلا بر روی دیافراگم چسبانده می­‌شود. به دلیل وجود دیافراگم، استفاده از فشارسنج‌­های دیافراگمی برای اندازه­‌گیری سیالات با ویسکوزیته بالا بسیار مناسب است. شکل پایین طرح‌های مختلف از فشارسنج‌های دیافراگمی مناسب برای استفاده در اندازه‌گیری فشار گیج و اختلافی را نشان می‌دهد.

طرح های مختلف فشارسنجی با گیج دیافراگمی

طرح­های مختلف گیج فشار دیافراگمی الف)مناسب برای فشارسنجی اختلافی

                 ب) مناسب برای فشارسنجی گیج و مطلق 

          شما می‌توانید در ویدئو بالا مقایسه بین دو گیج فشار

             مکانیکی بوردون و دیافراگم را مشاهده فرمایید.