گیج­‌های فشار از جمله تجهیزات ابزار دقیق پرکاربرد در صنایع هستند. این ابزار برای اندازه­‌گیری و کنترل فشار در فرآیندهای صنعتی استفاده می‌­شوند. داشتن شناخت و اطلاعات کافی درباره این تجهیزات برای فعالین در حوزه صنعت یک ضرورت محسوب می­‌شود. در همین راستا شرکت آرکا کنترل در مجموعه مقالاتی به معرفی و توضیح این تجهیزات پرداخته و به صورت رایگان خدمت شما عزیزان تقدیم کرده است. در این پست یک نوع گیج­ فشار خاص یعنی گیج فشار کپسولی بررسی خواهد شد. گیج فشار کپسولی در شرایط کاری خاص که نیاز به دقت و حساسیت فوق­‌العاده بالا در اندازه­‌گیری فشار باشد، استفاده می­‌شود. معمولاً این نوع گیج به دلیل طرح، ساخت، متریال و دقتی که دارند، گران قیمت هستند.

گیج فشار کپسولی

یک نوع از فشارسنج‌­های صنعتی، گیج فشار کپسولی است. سنسور گیج‌­های فشار کپسولی از حداقل دو دیافراگم (معمولاً چین خورده) تشکیل شده که به صورت برجسته(convex) یا تودرتو(nested) به هم متصل شده‌­اند. به مجموعه دو دیافراگم متصل به هم کپسول می­‌گویند. در اتصال برجسته، دو دیافراگم به صورت برعکس به هم متصل شده‌­اند. به گونه­‌ای که از وجه بیرونی کپسول، هر دو طرف برجسته هستند. در حالی که در اتصال تودرتو ،دو دیافراگم پشت سرهم به هم متصل می­‌شوند به شکلی که از بیرون یک سمت کپسول برجسته و سمت دیگر آن فرورفته است. اتصال کپسول‌­ها با جوش دادن لبه­‌های دو دیافراگم به صورت هم مرکز ایجاد می‌شود.

به دلیل آن که کپسول از اتصال دو یا چند دیافراگم تشکیل شده، مکانیسم فشارسنجی و اصول فیزیکی حاکم بر آن بسیار شبیه به دیافراگم است. در واقع کپسول اختلاف فشار میان محیط داخلی و بیرونی­‌اش را اندازه می­‌گیرد. سیالی که فشار آن باید اندازه­‌گیری شود از طریق یک ورودی به محیط داخلی یا خارجی کپسول وارد می­‌شود. اختلاف فشار سیال وارد شده با محیط دیگر کپسول(محیط در معرض فشار مبنا)، باعث انحنای دیافراگم­‌های آن خواهد شد. به این ترتیب می­‌توان با اندازه‌­گیری انحنای ایجاد شده، فشار سیال را نسبت به فشار مبنا بدست آورد. کپسول به صورت مکانیکی به یک مبدل با مکانیسم خاص متصل است که کوچک‌ترین انحنای غشای دیافراگم­‌ها را تقویت کرده و به عقربه نمایشگر فشار منتقل می­‌کند.(برای درک بهتر مکانیسم فشارسنجی با سنسور دیافراگمی به این لینک مراجه کنید.)

ویژگی‌های گیج فشار کپسولی

به دلیل استفاده از دو دیافراگم در سنسور کپسولی، انحنای به وجود آمده در اثر فشار سیال، دو برابر تک دیافراگم خواهد بود. بنابراین سنسورهای فشارسنج دیافراگمی از کپسولی حساستر هستند و با دقت بیشتری می‌­توانند فشار را بسنجند. اگر فشار فرآیند به جداره خارجی کپسول وارد شود، مدل تودرتو در مقابل فشار بیش از حد(over pressure) مقاوم‌­تر است. در برخی شرایط کاری خاص که نیاز به دقت بسیار بالایی باشد، حتی ممکن است حساسیت یک کپسول نیز در اندازه­‌گیری فشار کافی نباشد. در این مواقع می­‌توان از چند کپسول که بر روی هم قرار گرفته‌­اند برای ارتقاء حساسیت گیج استفاده کرد. در این حالت کپسول­‌ها می­‌توانند از نوع برجسته یا تودرتو بوده و به صورت یک مجموعه­، فشار را اندازه بگیرند.

دیافراگم‌­های کپسولی غالباً به شکل چین خورده هستند. چرا که دیافراگم­‌های مسطح کمتر ارتجاعی بوده و قابلیت انحنا در آنها  بسیار کوچک است. چین خوردگی­‌های ایجاد شده بر روی دیافراگم اجازه انحنای بیشتر آن را قبل از رسیدن به حد الاستیکی می­‌دهند. به بیان ساده‌­تر این چین خوردگی­‌ها باعث افزایش خاصیت ارتجاعی دیافراگم می‌­شوند. یک کپسول با قطر ۵ سانتی­‌متر که از دو دیافراگم چین خورده متصل به هم تشکیل شده باشد قابلیت خمیدگی تا ۱.۵ میلی­‌متر را دارد. البته میزان این انحنا به متغیرهای متعددی بستگی دارد که از جمله مهمترین آنها قطر هر دیافراگم است. انحنای دیافراگم با توان چهارم قطر آن متناسب است. از این رو با افزایش قطر دیافراگم میزان انحنای دیافراگم بر اثر فشار، به سرعت افزایش می­‌یابد. برای مثال دو برابر شدن قطر دیافراگم باعث افزایش ۱۶ برابری انحنای آن می­‌شود.

محاسبه انحنای کپسول

برای محاسبه میزان انحنای یک کپسول که از دو دیافراگم مسطح تشکیل شده باشد می­‌توان از فرمول ساده شده­ زیر استفاده کرد:

در این معادله δ مقدار انحنای دیافراگم، r مکان شعاعی، R قطر دیافراگم، D ضریب وابسته به جنس و شکل دیافراگم، P فشار وارد شده و δc مقدار انحنای مرکز هر کپسول هستند. این فرمول خطی است و در آن از عبارات غیر خطی صرف نظر شده است. به همین دلیل این معادله تنها برای انحنای کوچک دیافراگم معتبر خواهد بود، که طی آن نسبت انحنا و فشار وارده به دیافراگم خطی است.

ضریب D موجود در این معادله نیز از رابطه زیر محاسبه می­شود:

فرمول 2

در این رابطه E مدول یانگ، t ضخانت دیافراگم و v نسبت پواسونی است.

برای دایافراگم­های چین خورده رابطه محاسبه مقدار انحنا بسیار پیچیده خواهد شد. چرا که در محاسبات باید شکل و تعداد این چین خوردگی­‌ها نیز در نظر گرفته شود. از آنجا که وجود نواحی چین خورده باعث کاهش تنش شعاعی با ضریب ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ می­‌شود، در نتیجه تاثیرات نوسانات دما بر کارکرد دیافراگم نیز با فاکتوری بیشتر از ۱۲۰ کاهش می­‌یابد.

یک نمونه گیج فشار کپسولی

تصویر یک گیج فشار کپسولی

کپسول برجسته
کپسول تودرتو
مجموعه چند کپسول برای فشارسنجی

استفاده از چند کپسول به عنوان یک مجموعه

         برای بالا بردن حساسیت

تصویر یک کپسول

     تصویر یک کپسول

انواع گیج فشار کپسولی

از آنجا که خشک شدن محیط داخلی یا خارجی کپسول نیاز به طراحی خاص و پیچیده دارد، اکثر گیج­‌های فشار کپسولی برای اندازه­‌گیری فشار گازهای خشک به کار می­‌روند. گیج­‌های فشار کپسولی به دلیل ویژگی‌هایی که دارند برای استفاده به عنوان بارومتر(وسیله‌­ای که برای اندازه­‌گیری فشار جو و تغییرات آن استفاده می­‌شود) ایده­‌آل هستند. سنسور فشارسنجی یک بارومتر کپسولی، بسته به دقت مورد نیاز معمولا از ۲ تا ۵ کپسول تشکیل شده. دلیل این نیاز به حساسیت بالا در بارومتر تغییرات اندک فشار جو در مکان­‌ها و شرایط متفاوت است. معمولاً تغییرات فشار جوی در مکان­‌ها و شرایط مختلف در حد ۹۲۰ تا ۱۰۵۰ میلی­‌بار است. فشارسنج­‌های کپسولی برای اندازه­‌گیری فشارهای بسیار کوچک مثبت و منفی از ۰-۰.۵ میلی­‌بار تا ۱ بار با کلاس دقت ۰.۱ تا ۲.۵ وجود دارند. این گیج‌­های فشار قابلیت اندازه­‌گیری در هر سه چهارچوب فشارسنجی مطلق، گیج و تفاضلی را دارند.

اندازه گیری فشار مطلق با گیج فشار کپسولی

اندازه‌گیری فشار مطلق با گیج فشار کپسولی

اندازه گیری فشار گیج با گیج فشار کپسولی

             اندازه‌گیری فشار گیج با گیج فشار کپسولی

اندازه گیری فشار تفاضلی(اختلاف فشار) با گیج فشار کپسولی

اندازه‌گیری فشار تفاضلی با گیج فشار کپسولی

فشار مطلق

برای اندازه­‌گیری فشار در چهارچوب مطلق، در محفظه فشارسنجی خلأ ایجاد شده و این محفظه به دقت وکیوم می­‌شود. محفظه در واقع محیط بیرونی کپسول­‌ها بوده و کپسول­‌ها درون آن قرار دارند. سیال حاوی فشار فرآیندی از طریق یک ورودی به داخل محفظه وارد شده و به جداره بیرونی کپسول­‌ها فشار می­‌آ‌‌ورد. این فشار باعث ایجاد انحنا در کپسول­‌ها می­‌شود که با اندازه‌­گیری آن می­‌توان مقدار فشار مطلق سیال را بدست آورد. درون کپسول­‌ها تقریباً خلأ کامل است. به همین دلیل می­‌توان فشارسیال بدست آمده از این طریق را به درستی فشار خلأ دانست. در این نوع گیج معمولاً کپسول­‌ها از نوع تودرتو بوده و به دیواره انتهایی محفظه چسبیده می­‌شوند تا از آنها در مقابل فشارهای بیش از حد(over pressures) محافظت شود.

فشار گیج

برای اندازه­‌گیری فشار گیج، معمولاً سیال حاوی فشار فرآیندی را به محیط داخلی کپسول وارد می­‌کنند. در این صورت سیال فرآیندی از طریق یک ورودی در مرکز اولین دیافراگم وارد کپسول می­‌شود. فشار مرجع که همان فشار جو است در محفظه فشارسنج که در واقع همان محیط بیرونی کپسول­‌هاست، وجود دارد. اختلاف فشار میان جو و سیال فرآیندی باعث انحنای پوسته کپسول­‌ها شده و با اندازه‌­گیری آن می­‌توان فشار سیال را نسبت به فشار هوا بدست آورد.

فشار تفاضلی(اختلاف فشار)

برای اندازه‌­گیری اختلاف فشار میان دو سیال نیز یک سیال را به محیط بیرونی و سیال دیگر را به محیط درونی کپسول وارد می­‌کنند. در نتیجه در اینجا هم از چگونگی و میزان انحنای به وجود آمده بر روی جداره کپسول می­‌توان اختلاف فشار میان دو سیال را بدست آورد.

امیدواریم مطالب این پست مورد توجه شما واقع شده باشد. شرکت آرکا کنترل قابلیت تهیه و تأمین انواع گیج‌های فشار را خدمت متقاضیان داخل کشور دارد. در صورت تمایل برای استعلام محصولات از سایت ما دیدن فرمایید یا در صورت داشتن هر گونه سوال با کارشناسان ما تماس بگیرید.