اگر در صنعت فعالیت می­‌کنید و با ابزار دقیق سر و کار دارید یا به این حوزه علاقه­ مند هستید، مسلماً شناخت و درک کلی از چگونگی طراحی، ساخت، مکانیسم و اصول فیزیکی این ابزارها به شما در تسلط بیشتر، انتخاب و تحلیل بهتر محصولات این حوزه بسیار کمک خواهد کرد. در همین راستا شرکت آرکاکنترل به منظور آسان کردن جست و جو و صرفه‌جویی در وقت و هزینه شما عزیزان فعال و محقق در این حوزه به صورت رایگان در مجموعه پست­ها و مقالاتی در عین رعایت اصول و مبانی علمی به صورت ساده و روان این مطالب را در سایت خود خدمت شما ارائه کرده. در این مطلب به معرفی، مکانیسم و اصول فیزیکی یکی از پرکاربردترین ابزار دقیق­ها در حوزه فشارسنجی یعنی گیج فشار بوردن تیوب پرداخته‌ایم. همینطور، انواع مختلف آن را خدمت شما معرفی کرده‌­ایم.

گیج فشار بوردن

اگر بخواهیم به زبان ساده چگونگی کار کردن این نوع ابزار اندازه‌گیری فشار را توضیح دهیم؛ باید گفت بوردن تیوب بر اساس اصل فیزیکی که بیان می­‌کند در اجسام ارتجاعی(دارای خواص کشسان)، نیروی حاصل از تنش(Stress) با خم شدگی جسم متناسب است(قانون هوک)، ساخته شده. به بیان دیگر انحناء و خم شدگی جسم ارتجاعی با نیرویی که از فشار بر آن جسم حاصل می­‌شود، متناسب است. بر همین اساس اگر به یک تیوب که خواص ارتجاعی دارد فشار وارد شود، شکل آن متناسب با مقدار و جهت این فشار تغییر می­‌کند. با از میان رفتن فشار، جسم تمایل دارد به شکل اولیه خود بازگردد.

این نیرو به دلیل اختلاف فشار بین جداره درونی و بیرونی تیوب به وجود می­‌آید. برای مثال اگر به تیوبی با سطح مقطع دایره­‌ای فشار وارد شود، متناسب با مقدار و جهت این فشار، شکل سطح مقطع تغییر خواهد کرد. با از میان رفتن فشار، سطح مقطع تیوب تمایل دارد به شکل اولیه و دایره‌­ای خود بازگردد. البته ممکن است نیروی حاصل از فشارهای نه چندان بزرگ، تغییر محسوسی در سطح مقطع تیوب­های با جنس معمولی ایجاد نکنند. می­‌توان میزان انحنای ماده را با تیوبی به شکل منحنی C و یا مارپیچ، محسوس­ و قابل تشخیص کرد. به گونه‌ای که جسم Cشکل بر اثر تغییرات فشار تمایل به باز شدن یا جمع شدن ارتجاعی داشته باشد. این مورد دقیقاً شبیه بادکنکی است که وقتی در آن فوت می­‌کنیم فشار هوای حاصل از فوت ما، بادکنک را از حالت افتاده به حالت کشیده درمی­‌آورد.

نمونه گیج فشار بوردن

تصویر یک گیج فشار بوردون

تاریخچه گیج فشار بوردن

ایگن بوردن در سال ۱۸۴۹ در فرانسه بر اساس همین اصل فیزیکی، گیج فشارسنجی ساخت و به ثبت رساند. این ابزار فشارسنج به دلیل دقت، حساسیت و خواص خطی فوق‌العاده­‌ای که داشت به طور گسترده مورد توجه و بهره برداری قرار گرفت. این فشارسنج به بوردن گیج(Bourdon gauge) شهرت یافت. همزمان در سال ۱۸۴۹ برنارد اشچیفر نیز در آلمان فشارسنج دیافراگمی را طراحی کرد و به ثبت رساند. این دو ابزار، در زمان خود انقلابی در صنعت به وجود آوردند.

کلیپ تاریخچه و چگونگی ساخت گیج فشار بوردن

انواع بوردن تیوب به شرح زیر است:

الف) بوردن تیوب Cشکل:

تصویر این نوع بوردن تیوب را می­‌توانید در شکل‌های زیر ببینید. در این نوع فشارسنج، برای سنجش بهتر میزان جا‌به‌جایی و کشیدگی حاصل از نیروی فشار، یک تیوب ارتجاعی به شکل C طراحی شده. یک سر این تیوب به ناحیه ثابتی متصل است که سیال با فشار وارد آن می­‌شود. سر دیگر این تیوب نیز به اتصالات ارتباطی که به یک عقربه منتهی می­‌شود متصل است. در اثر نیرویی که از طرف فشار سیال به تیوب وارد می­‌شود، سر تیوب جابه‌جا شده و با افزایش نیروی فشار کشیده می­‌شود.

نیروی حاصل از این تغییر مکان کششی که در تیوب ارتجاعی پدیدار می­‌شود، توسط اتصالات و رابطهایی به یک چرخدنده منتقل می­‌شود. سپس این چرخدنده با گرفتن نیرویی که به آن وارد شده، به مقدار مشخصی می­‌چرخد. چرخدنده، عقربه متصل به خود را به میزان مشخص همراه خود می­‌چرخاند. در نتیجه با این مکانیسم، فشار سیال به میزان مشخصی عقربه فشارسنج را می­‌چرخاند. اگر از مقدار نیروی فشار وارد شده به تیوب کاسته شود، تیوب ارتجاعی تمایل دارد به حالت اولیه خود برگردد. رابطه میان تغییر مکان سر تیوب با نیروی حاصل از تغییر فشار وارد شده به آن با نسبت خوبی خطی است. در نتیجه، فشار سیال را می­‌توان با کالیبراسیون مناسب مقدار چرخش عقربه اندازه گرفت.

شرایط استفاده 

معمولاً برای آن که این نوع فشارسنج به درستی کار کند بایداز آن به صورت عمودی استفاده کنیم. از مزایای فشار سنج بوردن مدل C می­‌توان به بزرگی بازه اندازه­‌گیری آن اشاره کرد. البته این موضوع به جنس تیوب هم بستگی دارد.در گزینش فشارسنج بوردن برای اندازه‌گیری، باید به انتظاراتمان از سرعت اندازه‌گیری حین تغییرات فشار و شرایط اندازه­‌گیری دقت کنیم. فشار سنج بوردن برای اندازه­‌گیری فشار سیستم­هایی که دوره­‌های تناوبی و تغییرات فشار سریع دارند چندان مناسب نیست. از مزایای این نوع فشارسنج می­ توان ارزانی، بازه کاری وسیع، پاسخ دهی سریع، حساسیت خوب و اندازه‌گیری مستقیم فشار را نام برد. معایب آن حساسیت به دما، عمر محدود در شرایط کاری که به آن شوک یا لرزش وارد شود، خارج شدن از کالیبراسیون و پسماند(hystersis) در سیستم­های دوره­‌ای است.

جنس تیوب­های بوردن باید از موادی باشد که خاصیت ارتجاعی(الاستیکی) پایداری داشته باشند.همچنین باید با سیالی که فشار آن را اندازه می­گیرند از لحاظ شیمیایی سازگاری داشته باشند. از فشارسنج­های بوردن در فشارهای خیلی بالا نمی­‌توان استفاده کرد. چرا که در فشارهای بیش از حد تحمل بوردن تیوب(over pressure)، خاصیت تغییرات خطی آن نسبت به تغییرات فشار از بین خواهد رفت.

نمونه عکس از داخل و اجزای گیج فشار بوردن مدل C

ب)بوردن تیوب حلزونی(Spiral Type):

در واقع این نوع بوردن تیوب، شکل تکامل یافته بوردن تیوب C است. این مدل با چند دور چرخاندن تیوب ارتجاعی مشابه شکل‌های زیر ساخته می­‌شود. مکانیسم و اصول فیزیکی این نوع تیوب نیز دقیقاً مشابه مورد قبل است. با این تفاوت که چند دور چرخاندن تیوب ارتجاعی باعث می­ شود خم شدگی و کشیدگی حاصل از نیروی فشار وارد شده به آن بارزتر باشد؛ چون کشیدگی به وجود آمده در آن، حاصل از مجموع کشیدگی­ های سر هر دور حلزونی است. به بیان دیگر، شکل هندسی این طراحی به گونه­‌ای است که گویا چند تیوب ارتجاعی C شکل به صورت سری به هم بسته شده­‌اند. پس کشیدگی کلی برابر است با مجموع کشیدگی­ های هر تک تیوب C شکل. به همین دلیل در مقایسه با تیوب Cشکل، این مدل حساسیت بالاتری دارد و برای اندازه­ گیری فشارهای کوچکتر که مستلزم حساسیت بالاتر باشد مناسبتر است.

تیوب بوردن مدل حلزونی

نمونه عکس‌هایی از داخل و اجزای گیج فشار بوردن مدل حلزونی

بوردن تیوب مدل مارپیچی با چرخش محوری

شماتیک یک بوردن تیوب نوع مارپیچی با انتقال نیرو چرخشی به میله محوری

ج) بوردن تیوب مارپیچی(Helical Bourdon Tube):

این بوردن تیوب به شکل مارپیچی(فنری) طراحی شده. شکل مارپیچی این تیوب علاوه بر تقویت حساسیت و ارتقاء کشیدگی(مشابه نوع حلزونی)، به خاطر هندسه‌ای که دارد، اجازه حرکت دورانی را نیز می‌­دهد. در واقع با این شکل هندسی، حرکت سر تیوب می‌­تواند به حرکت چرخشی تبدیل شود. می­‌توان با نصب یک میله محوری در مرکز مارپیچ کشیدگی حاصل از فشار را مستقیماً به حرکت چرخشی در میله محوری تبدیل کرد. همچنین می‌توان به واسطه اتصالات و رابطها(اهرمها،چرخدنده­ها و …) نیز نیروی حاصل از فشار را به عقربه نشانگر منتقل کرد.

مقایسه انواع مختلف گیج فشار بوردن

تعداد دورهای مناسب برای نوع حلزونی و مارپیچی به بازه فشاری که می­‌خواهیم اندازه­ ‌گیری کنیم بستگی دارد. برای اندازه­‌گیری بازه‌­های فشار کوچکتر تعداد دور کمتر و برای اندازه­‌گیری بازه­‌های فشار بزرگتر تعداد دور بیشتر مناسب است. از جمله مزایای بوردن تیوب­‌های حلزونی و مارپیچی نسبت به مدل C شکل، حساسیت بالاتر، قابلیت ساخت در ابعاد کوچکتر در عین حفظ کارایی و مقاومت بیشتر در برابر فشارهای بالاتر از محدوده کارکرد(over pressure) است. البته باید در نظر داشت که نسبت به مدل C گرانتر هستند.