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 معرفی گیج‌های فشار دیافراگمی بپردازیم که از گیج‌های فشار پر اهمیت و کاربردی در حوزه‌ی ابزار دقیق هستند. گیج‌ فشار دیافراگمی، مکانیسم مکانیکی دارد و در صنایع مختلف بسیار کاربردی است. در ادامه به معرفی مکانیسم و انواع گیج فشار دیافراگمی 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 گیج فشار، 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 اندازه گرفت. 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 کارکرد گیج‌ 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 رو به رو می‌توان چگونگی کارکرد گیج فشار دیافراگمی را مشاهده نمود. در این انیمیشن حرکات دیافراگم و مبدل مشخص شده است. معمولاً انحنای دیافراگم بسیار کوچک است (در حد میلی‌متر) و نیاز است مبدلی حرکات دیافراگم را تقویت کند تا انحنای به وجود آمده بتواند عقربه‌ی نمایشگر را به صورت ملموس جابه‌جا کند. البته هر چه غشاء بزرگ‌تر باشد، نیرویی که حرکت دیافراگم ایجاد می‌کند نیز بزرگ‌تر خواهد بود.

روش‌های متعددی برای اندازه‌­گیری فشار از طریق 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=ρL/A مقاومت آن نیز تغییر می‌کند. در این معادله R مقاومت، ρ 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 گیج‌ فشار دیافراگمی

ویژگی‌ها

در گیج‌های فشار دیافراگمی، 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.

ماده‌ی 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 می‌بخشند. 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

بازه‌ی کارکرد گیج‌های فشار دیافراگمی 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 گیج‌های فشار خواهد شد و نیروی حاصل از تغییرات کوچک‌تر فشار را تقویت خواهد کرد. با مواد موجود، در فشارهای پایین‌تر از ۱۰mbar به غشاء‌هایی با ضخامت آن‌چنان نازک برای تغییرات انحنای محسوس نیاز است که ساخت آن‌ها را تقریباً غیر ممکن ساخته است. در این شرایط باید از گیج‌ فشار کپسولی بهره گرفت. دقت گیج فشار دیافراگمی به جنس، ضخامت و شکل غشاء آن بستگی دارد. این گیج‌های فشار به‌دلیل ساختاری که دارند در مقابل فشارهای بالاتر از محدوده کارکردی بسیار مقاوم‌تر هستند.

برای اندازه­‌گیری فشار گازها و مایعات خورنده ممکن است لازم باشد از یک لایه محافظ برای غشای دیافراگم استفاده شود. محیط‌های 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 گیج فشار دیافراگمی برای اندازه­‌گیری سیالات با ویسکوزیته بالا بسیار مناسب است. شکل پایین طرح‌های مختلف از گیج فشار 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 فشار اختلافی

   ب) مناسب برای فشار گیج و مطلق 

شما می‌توانید در ویدئو بالا مقایسه بین گیج فشار

بوردن و گیج فشار دیافراگمی را مشاهده فرمایید.