گیج فشار یکی از تجهیزات ابزار دقیق پرکاربرد در صنایع مختلف بشمار می‌رود. از این ابزار برای اندازه‌گیری و کنترل فشار در فرآیندهای صنعتی استفاده میشود. داشتن شناخت و اطلاعات کافی درباره‌ی این تجهیزات برای فعالین در حوزه‌ی صنعت ضروری است. در همین راستا شرکت آرکا کنترل در مجموعه مقالاتی به معرفی 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 گیج‌فشار به دلیل طراحی، ساخت، متریال و دقتی که دارد، گران قیمت است.
گیج فشار کپسولی
گیج فشار کپسولی یک نوع گیج فشار صنعتی است. سنسور گیج فشار کپسولی از حداقل دو دیافراگم (معمولاً چین خورده) تشکیل شده که به صورت برجسته (convex) یا تودرتو (nested) به هم متصل شده‌اند. به مجموعه‌ی 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 می‌شوند.
به دلیل آن که کپسول از اتصال دو یا چند دیافراگم تشکیل شده، مکانیسم اندازه‌گیری فشار و اصول فیزیکی حاکم بر آن بسیار شبیه به گیج فشار دیافراگمی 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.
ویژگی گیج فشار کپسولی
به دلیل استفاده از دو دیافراگم در سنسور گیج‌فشار کپسولی، انحنای به وجود آمده در اثر فشار سیال، دو برابر تک دیافراگم خواهد بود. بنابراین سنسورهای گیج فشار دیافراگمی از کپسولی حساس‌تر هستند و با دقت بیشتری می‌توانند فشار را بسنجند. اگر فشار فرآیند به جداره‌ی 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 اجازه‌ی 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 صرف‌نظر 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 رابطه‌ی زیر محاسبه میشود:
در این رابطه E مدول یانگ، t ضخانت دیافراگم و v نسبت پواسونی است.
برای دیافراگم‌های چین خورده رابطه‌ی 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 تأثیرات نوسانات دما بر کارکرد دیافراگم نیز با فاکتوری بیشتر از ۱۲۰ کاهش می‌یابد.
تصویر یک گیج فشار کپسولی
استفاده از چند کپسول به عنوان یک مجموعه
برای بالا بردن حساسیت گیج فشار کپسولی
تصویر یک کپسول
انواع گیج فشار کپسولی
از آنجا که خشک شدن محیط داخلی یا خارجی کپسول نیاز به طراحی خاص و پیچیده‌ای دارد، گیج فشار کپسولی اکثراً برای اندازه‌گیری فشار گازهای خشک به کار می‌رود. گیج فشار کپسولی به دلیل ویژگی‌هایی که دارد برای استفاده به عنوان بارومتر (وسیله‌ای که برای اندازه‌گیری فشار جو و تغییرات آن استفاده میشود) ایده‌آل است. فشار جو در مکان‌ها و شرایط مختلف به سرعت تغییر می‌کند. این تغییرات در حد ۹۲۰ تا ۱۰۵۰ میلی‌بار است. بنابراین برای اندازه‌گیری فشار جو نیاز به بارومتری با حساسیت بالا داریم. در یک بارومتر کپسولی، سنسور اندازه‌گیری فشار بسته به دقت مورد نیاز معمولاً از ۲ تا ۵ کپسول ساخته میشود. گیج فشار کپسولی برای اندازه‌گیری فشارهای بسیار کوچک مثبت و منفی از ۰.۵-۰ میلی‌بار تا ۱ بار با کلاس دقت ۰.۱ تا ۲.۵ وجود دارد. این گیج فشار قابلیت اندازه‌گیری فشار مطلق، گیج و تفاضلی را دارد.
اندازه‌گیری فشار مطلق با گیج فشار کپسولی
اندازه‌گیری فشار گیج 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 جداره‌ی 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 فشار سیال بدست آمده از این طریق را به درستی فشار خلأ دانست. در این نوع گیج معمولاً کپسول‌ها از نوع تودرتو بوده و به دیواره‌ی 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 جداره‌ی 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 گیج 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 شماره تلفن ۸۸۳۰۲۴۱۳-۰۲۱ تماس بگیرید.