فشارسنج چیست ؟

فشار سنج monometer چیست ؟
فشارسنج  Barometer را برای اندازه گیری فشارهوا به کار می‌برند. هرچند اصطلاح «به سبکی هوا» به معنای خیلی سبک است اما باید توجه داشت که وزن هوای روی هر متر مربع از سطح زمین معادل ۱۰۰۰۰ کیلوگرم است. نیروی وارد بر سطح را فشار می‌نامند. هر فشارسنج تشکیل شده اشت از یک قوطی فلزی تخت و درزبندی شده که درون آن از هوا خالی است. فشار هوا می‌خواهد قوطی را مچاله کند اما چون فلز خاصیت فنری دارد کاملاً مچاله نمی‌شود. با تغییر فشارهوا جدار فلزی قوطی بالا و پایین می‌رود. مجموعه‌ای از اهرم‌ها حرکت جدار قوطی را به حرکت عقربه‌ای بر روی صفحهٔ مدرج (شبیه صفحهٔ ساعت) تبدیل می‌کند. با بالا رفتن از سطح زمین (مثلاً با هواپیما) و همچنین با تغییر شرایط آب و هوا، فشار هوا کم می‌شود. فشارسنج را برای سنجش ارتفاع پرواز هواپیما از سطح زمین و نیز برای پیش بینی وضع هوا به کار می‌برند. در هواشناسی فشار هوا را بر حسب میلی بار (mb) بیان می‌کنند.میانگین فشار هوا در مجاورت سطح دریا در حدود ۱۰۰۰mb است.

سنسورفشار
عموما فشار گاز یا مایع را اندازه می گیرد. فشار به اصطلاح نیروی لازم برای جلوگیری از پخش شدن مایع است و معمولاً به صورت نیرو بر سطح تعریف می شود. سنسور فشار معمولاً به صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می کند. برای این منظور می توان سیگنال الکتریکی در نظر گرفت. سنسورهای فشار روزانه برای کنترل و مانیتورینگ هزاران کاربرد استفاده می شوند.

سنسورهای فشار می توانند به طور غیر مستقیم برای اندازه گیری سایر متغیرها استفاده شوند. برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع از این متغیرها هستند. به سنسورهای فشار، مبدلهای فشار، ترنسمیتر فشار، فرستنده فشار، نشاندهنده فشار، پیزومتر و مانومتر و … نیز گفته می شود. سنسورهای فشار از نظر تکنولوژی، طراحی، عملکرد، کاربرد و قیمت باهم متفاوت هستند. با یک تخمین محافظه کارانه می توان گفت بیش از ۵۰ تکنولوژی و حداقل ۳۰۰ شرکت در سراسر جهان سازنده سنسور فشار هستند. هم چنین طبقه ای از سنسورهای فشار وجود دارند که برای اندازه گیری حالت پویای تغییرات سریع در فشار طراحی شده اند. مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد. این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین‌های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار می کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.

فشار نیروی وارد بر سطح می باشد.فشارسنج (Barometer) / مانومتر (manometer)را برای اندازه گیری فشارهوا به کار می‌برند.فشارسنج / مانومتر به گونه ای ساخته شده که برای اندازه گیری فشار دارای ستون مایعی است که معمولا آب یا جیوه می باشد. ارتفاع این ستون مقدار فشار را نشان می دهد. مانومتر یا فشار سنج جیوه ای (مانومتری که از جیوه استفاده می کند.) فشار سنج آبی (مانومتری که از آب استفاده می کند). بارومتر فشار سنجی از نوع مانومتر می باشد. مانومتر نشان داده در شکل دارای لوله شیشه ای U شکل است که از هر دو طرف باز می باشد و با مقداری جیوه پر شده است. هنگامی که هر دو ساق لوله ی مانومتر به اتمسفر وصل شوداتمسفریک در هر دو لوله اثر می کند و ارتفاع جیوه در هر دو ستون مانومتر برابر خواهد شد.

ارتفاع ستون جیوه در این نقطه به عنوان مبنا تعیین شده و برای خواندن انحراف ستون جیوه از شرایط صفر، مانومتر در هر دو جهت بر حسب میلی متر کالیبره می شود. هنگامی که یکی از ساق های لوله U شکلِ فشارسنج که به مخزنی که می خواهیم فشار آن را اندازه بگیریم وصل می شود؛ فشار وارد بر یک ساق لوله با فشار اتمسفریک وارد بر ساق دیگر مانومتر مقابله می نماید؛ و در صورتی که فشار مخزن بیشتر از فشار اتمسفریک باشد موجب پایین رفتن سطح جیوه در ساق متصل به مخزن و اگر هم فشار مخزن کمتر از فشار اتمسفر باشد موجب بالا رفتن سطح جیوه در ساق متصل به مخزن می گردد.

فشارهای کمتر از اتمسفر معمولا خلا نامیده می شوند و بر حسب میلی متر جیوه قرائت می گردند. به دلیل اختلاف دانسیته  جیوه  و آب، فشارهایی که تاثیر ناچیزی در ارتفاع ستون جیوه می گذارند تغییرات قابل ملاحظه ای در ارتفاع ستون آب به وجود خواهند آورد لذا مانومترهای آبی برای اندازه گیری فشارهای بسیار کم مفید خواهند بود. فشار اتمسفریک نرمال معادل  ۷۶۰ mm HG و ۱۰٫۳۳ متر آب می باشد. مقدار h فشار بر حسب ستون جیوه می باشد.
چون تمام سیالات با تغییر دما منبسط و منقبض می شوند در صورت نیاز به دقت زیاد بایستی فشارهای به دست آمده توسط مانومترها برای انحراف درجه حرارت نیز تصحیح نمود.                                                                                                                                                                                                                  

سنسور های اندازه گیری فشار

روش های مختلفی برای اندازه گیری فشار وجود دارد، اما همه این روش ها به نوع استفاده از سنسور بستگی دارد.

نوع تکنولوژی اندازه گیری فشار با توجه به کاربرد و سیستم مورد نظر کاربر است.

به طور مثال برای رنج فشارهای میلی باری سنسور فشار لوله بوردون انتخاب مناسبی نیست.

در این حالت از سنسور فشار کپسولی باید استفاده شود، تا مقدار اندازه گیری شده دقت مورد نظر کاربر را داشته باشد.

۳ سنسور متداول اندازه گیری فشار عبارتند از:

سنسور فشار بیلوز Bellows

سنسور بیلوز از سیلندرهای نازک فلزی تشکیل شده است. سیلندرها به صورت حلفه ای در هم پیچیده شده اند. یک سمت سیلندرها باز و سمت دیگر بسته است.

سمتی که بسته است، امکان حرکت آزادانه دارد، اما سر باز سیلندر ثابت است. فشارسنج با سنسور بیلوز معمولا برای اندازه گیری رنج میلی باری فشار به کار می رود.

سنسور فشار کپسولی

سنسور فشارسنج کپسول شامل دو دیافراگم است که کنار هم قرار گرفته و تشکیل کپسول داده اند. فشار وارد شده به داخل کپسول به مرکز دیافراگم اول اعمال میشود و آن را باز می کند.

مرکز دیافراگم دوم به مکانیزم انتقالی متصل است، بنابراین انحراف دیافراگم دوم باعث حرکت عقربه فشارسنج می شود.

فشارسنج های کپسولی نیز معمولا برای اندازه گیری رنج فشار میلی باری به کار می روند.

سنسور فشار بوردون

فشارسنج لوله بوردون یک لوله دایره ای شکل است که با زاویه کلی ۲۷۰ درجه خم می شود.

                   انواع اندازه گیری فشار
سنسورهای فشار می توانند براساس بازه اندازه گیری، بازه دمای عملکرد و از همه مهمتر نوع فشار اندازه گیری طبقه بندی شوند

سنسور فشار مطلق
این سنسور فشار یک نقطه نسبت به خلا کامل (۰ psi) را اندازه می گیرد. فشار اتمسفریک ۱۰۱.۳۲۵ KPa (یا ۱۴.۷psi) در سطح دریا نسبت به خلا است.

سنسور فشار گیج Gauge
این سنسور در کاربردهای متفاوتی استفاده می‌شود زیرا می تواند برای اندازه گیری فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر کالیبره شود. گیج فشار تایر مثالی از نشانگر فشار گیج است. هنگامی که گیج فشار تایر مقدار ۰ psi را می خواند فشار داخل تایر ۱۴.۷ psi است. یعنی برابر با فشار اتمسفر.

سنسور فشار خلا
این سنسور برای اندازه گیری فشار کمتر از فشار اتمسفر در نقطه ای مشخص استفاده می شود. مرجع سنسور خلا در صنعت متفاوت است که ممکن است موجب اشتباه شود؛ فشار نسبت به فشار اتمسفر ( مانند اندازه گیری فشار گیج منفی) و نیز فشار نسبت به فشار خلا

سنسور فشار تفاضلی
این سنسور تفاضل بین فشار ۲ یا چند نقطه را که به عنوان ورودی معرفی می شوند اندازه می گیرد. برای مثال اندازه گیری افت فشار در فیلتر روغن. فشار تفاضلی هم چنین برای اندازه گیری دبی یا سطح در مخازن به کار می رود.

   سنسور فشار مهرشده(sealed)
این سنسور همانند سنسور فشار گیج است با این تفاوت که از قبل توسط سازنده برای اندازه گیری فشار نسبت به فشار سطح دریا کالیبره شده است.

 فشارسنج خازنی
از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می‌شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند. تکنولوژی‌های معمولی از فلز، سرامیک و دیافراگم‌های سیلیکنی استفاده می کنند. این تکنولوژی‌ها برای فشارهای کم کاربرد دارند. ( مطلق، تفاضلی و گیج) در سنسور فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می‌شود که باعث می‌شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود. بنابراین ظرفیت خازن تغییر می‌کند که این تغییر متناسب با فشار اعمال شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و ترنسمیتر تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود که در واحدهای فشار کالیبره شده است.

  الکترومغناطیسی
جابجایی دیافراگم از طریق تغییر در اندوکتانس (رلوکتانس)، LVDT، اثر هال و یا قانون جریان ادی اندازه گیری می شود. سنسور فشار القایی نشان داده شده در شکل ۱۲-۵ دارای دو سیم پیچی می‌باشد که با یک هسته مغناطیسی کوپل شده اند. هنگامی که فشار اعمال شده دیافراگم را حرکت دهد، این هسته جابجا می شود. خاصیت القایی توسط مدارهای الکترونیکی مانند مدارهای رزونانس اندازه گیری میشود.

فشارسنج پیزو الکتریک
از اثر پیزو الکتریک در مواد معین همانند کوارتز استفاده می‌کند تا کشش ناشی از فشار را اندازه بگیرد. این تکنولوژی برای اندازه گیری فشارهای پویا استفاده می شود. انواعی از کریستال‌ها به نام پیزوالکتریک در اثر تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کنند که سطح ولتاژ این سیگنال متناسب با میزان تغییر شکل است. کریستال به یک دیافراگم فلزی متصل است . یک سمت دیافراگم برای اندازه گیری فشار، در تماس با سیال فرایند می‌باشد و سمت دیگر دیافراگم به طور مکانیکی به کریستال متصل است. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد( در محدوده میکرو ولت ) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود . به منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت کننده باید در نزدیکی سنسور نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می کند. تغییرات دما کریستال را تحت تاثیر قرار می دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد.

 فشارسنج نوری
از تغییر فیزیکی فیبر نوری برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند. به عنوان مثال درFiber Bragg Grating از این تکنولوژی استفاده می شود. این تکنولوژی در کاربردهایی که با چالش همراه هستند استفاده می شود. برای مثال در مکان‌های غیر قابل دسترس، دماهای بالا و یا در تکنولوژی‌های ذاتا مصون از تداخلات الکترومغناطیس و اندازه گیری‌های راه دور.

  فشارسنج پتانسیومتری
از حرکت جاروبک در طی مکانیزم مقاومتی برای تعیین کشش ناشی از فشار اعمالی استفاده می کند.
انواع دیگر این انواع سنسورهای فشار الکترونیکی از خواص دیگر ( مانند چگالی) برای تعیین فشار گاز یا مایع استفاده می کنند.

فشارسنج های دیافراگمی:

نوع دوم از فشارسنجهای آنرویدی ( مکانیکی ) به فشارسنجهای دیافراگمی معروف است که از خاصیت انحراف و جابجایی یک غشای انعطاف‌پذیری که دو منطقه با فشارهای مختلف را از هم جدا می‌کند برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کند .
تغییر شکل یک دیافراگم نازک بستگی به اختلاف فشار بین دو طرف آن دارد . یکی از این طرفها طرف مرجع و طرف دیگر طرفی است که با فشار تحت اندازه‌گیری در ارتباط است . طرف مرجع می‌تواندبه فشار اتمسفر وصل باشد تا فشارسنجش توسط فشارسنج اندازه‌گیری شود ، یا به فشار نقطه‌ای دیگر از فرآیند وصل شود تا اختلاف فشار را اندازه‌گیری کند یا می‌تواند پس از خلاء بسته شود یا به فشار مرجعی ثابت وصل شود تا فشار مطلق را اندازه بگیرد . میزان تغییر شکل دیافراگم را می‌توان به روشهای مکانیکی ، نوری یا خازنی اندازه‌گیری کرد . معمولاً دیافراگم بصورت فلزی یا سرامیکی ساخته می‌شوند و گستره مفید اندازه‌گیری آنها از ۱Pa یا ۰٫۰۱torr به بالاست .

فشارسنج  دیجیتال (الکترونیکی) :

از انواع فشار سنج های دیجیتال که در کاربردهای صنعتی بکار گرفته میشوند  عبارتند از

عمده‌ترین فشارسنج ها که برحسب مکانیزم کارشناسان نامگذاری شده است عبارتنداز

*فشارسنج لوله U شکل             *فشارسنج مکلئود                 *فشارسنج جیوه‌ای                       *فشارسنج ترموکوپل       

 *فشارسنج صوتی                     *فشارسنج خازنی                  *فشارسنج گاز ایده‌ال

فشارسنج جیوه‌ای (Mercury Barometer)

این فشار سنج اساساً از یک لوله خالی از هوا درست شده است که یک طرف آن مسدود و طرف دیگر آن که باز است در ظرف پر از جیوه فرو برده شده است. فشار هوای بیرون ، جیوه را از منبع به سمت داخل لوله می‌راند. جیوه تا حدی که وزن آن در داخل لوله ، دقیقاً معادل نیروی ناشی از فشار هوا گردد در لوله فشار سنج بالا می‌رود و سپس در حالت تبادل و سکون باقی می‌ماند. با تغییر فشار هوا ، سطح جیوه در داخل لوله نیز بالا و پایین خواهد رفت. در شرایط نرمال جیوه به اندازه ۹۲/۲۹ اینچ یا ۷۶۰ میلی متر در لوله بالا می‌آید که فشاری معادل ۱۵/۱۰۱۳ میلی بار است. جیوه در داخل لوله فشارسنج به دلیل خاصیت کشش سطحی دارای یک سطح محدب است که هنگام تعیین فشار، باید بالاترین سطح محدب قرائت شود.

فشارسنج فلزی (Aneroid)

فشارسنج فلزی وسیله‌ای است مکانیکی که از یک محفظه قوطی شکل استوانه‌ای بدون هوا تشکیل شده است؛ با تغییر فشار هوا این محفظه منقبظ یا منبسط می‌شود. با یک سیستم نسبتاً پیچیده که مرکب از تعدادی اهرم و قرقره است این تغییرات بزرگ شده و به یک عقربه که بر روی صفحه مدرجی حرکت می‌کند، منتقل می‌شود. یک شاخص متحرک که می‌تواند در یک نقطه ثابت شود بر روی فشار سنج تعبیه شده است تا بتوان تغییرات فشار را نسبت به آخرین قرائت اندازه گیری کرد.

فشار نگار (Barograph)

فشار نگار مشابه فشارسنج فلزی است با این تفاوت که اثر تغییرات فشار در محفظه بدون هوا ، به یک قلم انتقال داده شده و قلم بر روی کاغذی که دور یک استوانه چرخان پیچیده شده است خط پیوسته‌ای را رسم می‌کند. محور عمودی این صفحه بر حسب واحد فشار و محور افقی آن بر حسب زمان مدرج شده است که معمولاً برای هر دو ساعت یک خط وجود دارد. فشار نگارهای دقیقی هم ساخته شده است که قادرند تغییرات فشار را تا یک دهم میلی بار اندازه گیری نمایند، این دستگاهها میکرو باروگراف نامیده شده‌اند.

انواع فشارسنج دیجیتال

فشار سنج های دیجیتال را با توجه به نوع کاربرد می توان به انواع زیر تقسیم کرد:

• فشارسنج دیجیتال
• فشارسنج دیجیتال هواگاز
• فشارسنج دیجیتال روغنی
• فشارسنج دیجیتال تفاضلی
• فشارسنج دیجیتال نیتروژن
• فشارسنج دیجیتال خلاء
• فشارسنج دیجیتال دیافراگمی
• فشارسنج دیجیتال اکسیژن

همچنین فشار سنج های دیجیتال آزمایشگاهی با توجه به نوع پراب به دو دسته فشار سنج پراب سر خود و فشار سنج پراب مجزا تقسیم می شوند.

کاربرد سنسورهای فشار :

• اندازه گیری فشار
این کاربرد، کاربرد مستقیم سنسورهای فشار است که در مواردی از جمله تجهیزات هواشناسی، هواپیما، اتومبیل و سایر وسایلی که در آن‌ها فشار کارایی دارد به کار می رود.
• اندازه گیری ارتفاع از سطح دریا
کاربرد آن در هواپیما، موشک، ماهواره، بالن‌های هواشناسی و غیره می باشد. در تمامی این کاربردها از رابطه بین تغییرات فشار با ارتفاع نسبت به سطح دریا استفاده می شود. این معادله، برای ارتفاع سنجی تا ارتفاع ۳۶.۰۹۰ فوت (۱۱.۰۰۰ متر) تنظیم شده است. در خارج از این بازه، شاهد خطا خواهیم بود. این خطا را می توان برای سنسورهای فشار مختلف محاسبه کرد. عامل این خطا، تغییرات ناشی از دما درارتفاعات بالاتر می باشد. ارتفاع سنج هایی با سنسور فشار تفکیک پذیری کمتر از ۱ متر دارند و تفکیک پذیری آن‌ها بهتر از نوع ارتفاع سنجی با سیستم GPS ( که دارای تفکیک پذیری ارتفاع ۲۰ مترمی باشد) است. در کاربردهای موقعیت یابی، برای تشخیص جاده‌های تپه ای (برای موقعیت یابی اتومبیل) و یا ارتفاع طبقات ساختمان‌ها (برای موقعیت یابی فرد پیاده) استفاده می شود.
• اندازه گیری جریان
می توان با کمک اثر ونتوری و رابطه اش با فشار، جریا ن را اندازه گرفت. اختلاف فشار بین دو بخش یک تیوب نتوری (با قطرهای دهانه مختلف) اندازه گیری می شود. این اختلاف فشار، با سرعت جریان گذرنده از تیوب رابطه مستقیم دارد.از انجا که این اختلاف فشار نسبتا کوچک است از سنسور فشار با بازه کم استفاده می شود.

• اندازه گیری ارتفاع / عمق
می توان از سنسور فشار برای ندازه گیری ارتفاع سطح مایع استفاده کرد. معمولا از این تکنیک برای اندازه گیری مکان جسم غوطه ور در آب (مانند غواص‌ها، زیر دریایی ها) و یا ارتفاع سطح مایع درون یک مخزن (مانند مایع داخل برج آب) استفاده می شود. برای بیشتر کاربردهای عملی، سطح مایع متناسب با فشار است. در مواردی مانند “آب شیرین” که زیر فشار اتمسفر می باشد داریم:
۱psi =۲۷.۷ in H۲O
۱pa = ۹.۸۱ mm H۲O
• آزمایش نشتی

می توان با اندازه گیری افت فشار، نشتی سیستم را به دست آورد. روش‌های متداول برای این منظور، دو روش هستند: ۱. مقایسه فشار سیستم با فشار سیستمی با نشتی معلوم و استفاده از این اختلاف فشار ۲. اندازه گیری فشار و بررسی تغییرات آن در طول یک بازه زمان نیروسنج وسیله‌ای است برای اندازه گیری نیرو، گشتاور یک نیرو (لنگر)، یا توان. مانند توان تولید شده توسط یک موتور الکتریکی یا ماشین گرمایی.

مثالی از کاربرد این نوع سنسور را می توان در اندازه گیری فشار احتراق سیلندر موتور و یا گاز توربین مشاهده کرد. این سنسورها به طور عمده از مواد پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته شده اند. بعضی از سنسورهای فشار مانند آنچه در دوربین‌های کنترل ترافیک دیده می شود، به صورت باینری (دودویی) و خاموش/ روشن کار می کنند. برای مثال وقتی فشاری به سنسور فشار اعمال می شود، سنسور یک مدار الکتریکی را قطع یا وصل می کند. این سنسورها به سوئیچ فشار معروف هستند.