فشار و اندازهگیری فشار چیست؟
به منظور آشنایی با مفهوم فشار و روشهای اندازهگیری فشار ابتدا تعریف فشار را از منظر علم فیزیک بررسی میکنیم سپس به روشهای اندازهگیری آن میپردازیم. منظور از فشار، مقدار نیرویی است که بصورت عمودی بر یک سطح وارد میشود. دقت شود که این نیرو باید به شکل عمودی به سطح وارد شود زیرا نیرویی که با زاویه اعمال میشود بنابر روابط فیزیک کمتر از مقدار اصلی آن اعمال خواهد شد.
بنابراین با توجه به مطالب گفته شده و به بیان دقیقتر میتوان این مفهوم را با رابطه زیر نمایش داد:
F: اندازه نیروی اعمال شده
A: مساحت سطحی که نیرو بر آن وارد شده است.
P: فشار
بنابر رابطه بالا برای ایجاد فشار زیاد کافی است مقدار زیادی نیرو وارد کنید زیرا این کار باعث افزایش صورت کسر میشود. یا نیروی ثابت را روی یک سطح کوچک اعمال کنید چرا که این کار باعث کاهش مخرج کسر و در نتیجه افزایش فشار میشود. عکس این قضیه نیز صادق است، یعنی جهت کاهش فشار کافی است یا نیرو را کم کنیم یا سطح مقطعی که نیرو به آن وارد میشود را افزایش دهیم چرا که این دو کار باعث افزایش مقدار کسر رابطه فوق و در نتیجه افزایش فشار میشود. در ورزش اسکی از همین ویژگی استفاده میکنیم: اسکیباز از چوبهای اسکی که سطح مقطعی بیشتر از کف پای انسان دارد استفاده میکند و این باعث میشود که نه تنها او در برف فرو نرفته بلکه لیز بخورد و به حرکت در مسیر خود ادامه دهد. زیرا با توجه به ثابت بودن وزن اسکیباز و بیشتر بودن مساحت سطح چوب اسکی نسبت به کف پا، فشار وارد شده کمتر از حالت عادی است پس میتوان نتیجه گرفت که نیروی وارده و سطح مقطعی که نیرو به آن وارد میشود دو عامل تاثیرگذار در اندازهگیری فشار است.
برای بیان فشار و مقایسه آنها با یکدیگر باید با واحدهای آن آشنا باشیم که در ادامه به آن میپردازیم.
واحدهای اندازهگیری فشار
با در نظر گرفتن رابطه فشار، واحد اندازهگیری فشار از واحد صورت و مخرج کسر گرفته میشود، به همین دلیل در سیستمهای استاندارد برای اندازهگیری فشار، از واحدی به نام پاسکال (N/m2) استفاده میشود. یک پاسکال معادل نیرویی معادل یک نیوتن بر یک متر مربع است. علاوه بر پاسکال، جهت اندازهگیری فشار واحدهای دیگری همچون اتمسفر (at)، بار (Bar)، پوند بر اینچ مربع (psi)، میلیمتر جیوه و میلیمتر آب هم کاربرد دارد.
در سیستمهای بینالمللی (SI) واحد پاسکال به عنوان یکای اندازهگیری فشار در نظر گرفته میشود اما واحد بار هم از واحدهای پرکاربرد به حساب میآید. همانطور که پیشتر گفتیم یک پاسکال، نیروی معادل یک نیوتن (واحد اندازهگیری نیرو) بر سطحی به مساحت یک متر مربع است. لازم به ذکر است که سطح آبهای آزاد با 101،325 پاسکال فشار به عنوان مقیاس اولیه در نظر گرفته میشود و سایر فشارها نسبت به آن محاسبه میشود. پس از پاسکال واحد اتمسفر، که معادل وزن هوای بالای یک سطح است به میان میآید. هر اتمسفر معادل 101،325 پاسکال (فشاری که در سطح آبهای آزاد وجود دارد) است. بار (Bar) واحد اندازهگیری دیگری است که در صنعت بسیار پرکاربرد بوده و معادل 1/01 اتمسفر است. بیشتر گیجهایی که در بازار هستند براساس این واحد مدرج شدهاند، زیرا این واحد از پرکاربردترین واحدهای اندازهگیری فشار است. psi که مخفف Pound per Square inch بوده، دیگر واحد اندازهگیری فشار و واحدی انگلیسی است که معادل یک پوند نیرو بر یک اینچ مربع میباشد و بیشتر در سیستمها و تجهیزاتی که بر مبنای استانداردهای اروپای غربی و انگلستان ساخته شدهاند مورد استفاده قرار میگیرد.
انواع فشار
فارغ از نوع و تفاوت در واحد اندازهگیری فشار (دقت شود که مقدار نیروی وارد شده چه با psi چه با bar و هر یکای دیگری عنوان شود مقداری ثابت است) بطور کلی و براساس مرجع انتخاب شده به عنوان نقطه صفر، سه نوع فشار قابل بررسی است که عبارتند از:
- فشار مطلق یا Absolute Pressure: در اندازهگیری فشار به این روش، فشار خلا به عنوان مرجع در نظر گرفته شده و فشار نسبت به فشار خلا محاسبه میشود.
- فشار گیج یا Gauge Pressure: این فشار نسبت به فشار محیط یا اتمسفر در نظر گرفته میشود.
- اختلاف فشار یا Differential Pressure: اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف را محاسبه میکند.
اندازهگیری فشار
برای اندازهگیری فشار روشهای متفاوتی وجود دارد که هر کدام معایب و محاسن خود را دارند، بنابراین انتخاب روش مناسب در بهینهسازی هزینه، دقت و سرعت محاسبه نقش تعیینکنندهای دارد. ابتداییترین روش اندازهگیری فشار استفاده از بارومتر است. بارومتر یک لوله حاوی جیوه بوده که نمای آن در شکل زیر قابل رویت است. توریچلی دانشمند ایتالیایی اولین کسی بود که ثابت کرد با وارونه کردن یک لوله حاوی محلول جیوه میتوان فشار محیط را اندازه گرفت. ساز و کار آن به این شکل است که با کاهش فشار سطح جیوه داخل لوله پایین میآید و فشار کمتری را نشان میدهد. همینطور با افزایش فشار سطح جیوه بالا رفته و فشار بالاتری را نشان میدهد.
عمده ابزار و ادواتی که با فشار سر و کار دارند، به تجهیزات نمایش فشار (مانند گیجها)، اندازهگیری و ارسال مقدار فشار مانند ترانسمیترها، سوییچها و کنترلرها دستهبندی میشوند. همچنین در تمام این محصولات یک سنسور وظیفه اندازهگیری فشار را به عهده دارد که جهت مطالعه بیشتر درباره نحوه عملکرد و ساختار هر کدام میتوانید به بخش مربوطه مراجعه کنید.
اندازهگیری فشار با مانومترها
پس از بارومتر، دستگاهی ساخته شد که اختلاف فشار را اندازه میگرفت. این دستگاه از یک لوله شیشهای U شکل حاوی یک مایع درست شد که دو جریان با فشار متفاوت به دو طرف آن وارد میشد. پس از آن مایع به سمتی که فشار کمتری داشت متمایل میشد و به این شکل مقدار اختلاف فشار را نمایش میداد. (تصویر مانومتر در شکل زیر قابل مشاهده است) در تمام این ابزار و روشهای اندازهگیری فشار، از خاصیت ارتجاعی مواد و همچنین ثابت بودن حجم آنها استفاده میشود، زیرا ثابت بودن حجم مواد و ارتجاعی بودن آنهاباعث میشود اعمال فشار روی آنها شکل آنها را تغییر نداده و دقیقا فشار را به سمت دیگر انتقال دهند.
به عنوان مثال گیجهایی که از لوله بوردون جهت اندازهگیری فشار بهره میبرند، از خاصیت ارتجاعی لوله استفاده میکنند تا فشار تعیین شود. به عبارت دیگر به محض وارد شدن فشار به لوله بوردون، لوله که از استیل ساخته شده، سریعا تغییر شکل میدهد و براساس میزان تغییرات آن میتوان فشار را محاسبه کرد. همچنین در مورد اندازهگیری فشار به کمک دیافراگم یا کپسول نیز خاصیت یکسان مورد استفاده قرار میگیرد. به این مفهوم که با وارد شدن فشار به یک طرف کپوسل، کپسول فشار را طرف دیگر انتقال داده و به این شکل میتوان فشار را اندازه گرفت.
مانــومتر فشـار
ترانسمـیتر فشـار
ســوییـچ فشـار
مانومتر فشار
ترانسمتیر فشار
سوییچ فشار
حداکثر فشار ورودی
- بیشتر از 3000 psi
- 1000 تا 3000 psi
- کمتر از 1000 psi