اندازه گیری فشار
اندازه گیری فشار
فشار یکی از مهم ترین کمیت هایی
است که در صنعت به طور گسترده مورد اندازه گیری قرار می گیرد و اندازه
گیری درست فشار و قابل ردیابی بودن این اندازه گیری در بسیاری از بخش ها
مهم است. روش هایبسیاری برای اندازه گیری فشار و خلاء وجوددارد . وسایلی که
برای اندازه گیری فشار استفاده میشوند را فشار سنجیا خلاء سنج مینامند .
بطور معمول به وسایل اندازه گیری که فشارهای نزدیک فشار اتمسفر رااندازه
گیری میکنند ، مانومتراطلاق میشود.همچنین در اغلب موارد به وسایلی که در
آنها ستونی از مایع وجود دارد نیز مانومتر می گویند.
فشار یک کمیت مطلق نیست و برای
همین در اندازه گیری فشار ، همیشه مقدار آنرا نسبت به یک فشار مرجع تعیین
میکنند. گاهی نیز فشار نسبت به فشار خلاء سنجیده میشود. معمولا فشار خلاء
به سه پله فشار خلاء پایین ، فشار خلاء بالا و فشار خلاء خیلی بالا (تا
حدود ۱۱-۱۰ میلی بار) تقسیم میشود. ولی بایستی توجه داشت رسیدن به خلاء مطلق (صفر میلی بار) بسیار دشوار است.
براساس مبنای تعیین شده برای اندازه گیری فشار آنرا به سه صورت زیر در نظر میگیرند:
1- فشار مطلق: اگر در ظرفی
مولکول نباشد فشار صفر استبه فشار اندازه گیری شده روی یک مقیاس دارای
فشار صفر به عنوان نقطه مرجع فشار مطلق (absolute pressure) گفته می شود به
عبارت دیگر فشار مطلق فشاری است که برمبنای خلاء کامل اندازه گیری میشود و
خلاء کامل بعنوان مرجع اندازه گیری یا صفر مبنا درنظر گرفته میشود
2- فشار سنجش : فشاری است
که برمبنای فشار اتمسفر سنجیده میشود وفشار اتمسفر بعنوان مرجع اندازه گیری
یا صفر مبنا درنظر گرفته میشود مقادیر اختلاف فشار بین یک فشار بالاتر از
فشار اتمسفری و فشار اتمسفری فشار سنجه ای مثبت نامیده می شود در حالی که
اختلاف فشار بین یک فشار پایین تر از فشار اتمسفری و فشار اتمسفری فشار
سنجه ای منفی یا خلا نامیده می شود. مقادیر فشار سنجه ای با تغییر فشار
محیط اندکی تغییر می کند.
3- فشار تفاضلی یا اختلاف
فشار: عبارتست از اختلاف فشار بین دو نقطه متمایز یک سیستم. برای مثال
جریان یک سیال در امتداد یک محدوده داخل یک لوله باعث ایجاد اختلاف فشار می
شودو از آن برای تعیین فلو گاز یا سیال استفاده می شود، این اصل اساس کار
صفحه روزنه دار است.
بنابراین فشار سنجش برابراست با فشار مطلق منهای فشار اتمسفر یا فشار مطلق جمع جبری فشار مطلق و فشار اتمسفر است:
Absolute Pressure= Gauge pressure + atmospheric pressure
بنابراین
از اختلاف فشار در صنعت بطور
گسترده برای اندازه گیری استفاده میشود. این وسایل دارای دو ورودی برای
اعمال فشار فرایند تحت اندازه گیری هستند و بصورتی مکانیکی اختلاف فشار
ریاضی را اندازه گیری میکنند. معمولا از این روش بیشتر برای تعیین مقدار
جریان مواد یا سیال در یک مسیر مثلا لوله استفاده میشود.
اغلب در بیان مقدار فشار
خلاءهای میانی ، بسته به اینکه بر مبنای فشار مطلق یا فشار سنجش بخواهد
بیان شود ابهام پیش می آید. دلیل آن اینست که چون خلاء همیشه کمتر از فشار
اتمسفر است ، بنابراین برخلاف فشار مطلق که همیشه مقداری مثبت دارد ، فشار
سنجش برای خلاء مقدارش منفی میشود، ولی معمولأ آنرا بصورت مثبت بیان
میکنند. معمولأ فشار اتمسفر در سطح دریا 100Kpa در نظر گرفته میشود ولی
مقدار آن با ارتفاع و شرایط آب و هوایی تغییر میکند. بهمین دلیل علیرغم
اینکه اگر فشار مطلق سیالی ثابت بماند ، ولی فشار سنجش آن با تغییر فشار
اتمسفر تغییر میکند.بهمین دلیل وقتی یک اتومبیل به سمت ارتفاعات میرود و
فشار اتمسفر کم میشود ، در همان حال فشار سنجش آن زیاد میشود.
در بسیاری از دستگاههای اندازه
گیری فشار، بجای اینکه مرجع اندازه گیری فشار سنجش (صفر مرجع) مقدار واقعی
فشار اتمسفر در نظر گرفته شود ، فشار اتمسفر را مقداری ثابت فرض کرده
(بطور مثال 101.325 Kpa) و بقیه اندازه گیریها را نسبت به آن انجام میدهند،
بهمین دلیل این قبیل دستگاهها در ارتفاعات زیاد ممکن است به درستی کار
نکنند.
در بسیاری از موارد با استفاده
از ترانسمیترهای (دیفرانسیلی) فشار ، اندازه گیریها بسادگی نسبت به فشار
اتمسفر واقعی انجام میشود. بطور مثال در ترانسمیترهای فشار که از دیافراگم
استفاده میکنند ، یکی از دو طرف دیافراگم ( اصطلاحأ طرف منفی آن) از طریق
یک لوله یا یک سوراخ تعبیه شده با محیط بیرون در ارتباط است و فشار اتمسفر و
تغییرات آنرا حس میکند و طرف دیگر دیافراگم به فشار تحت اندازه گیری متصل
است ، فشار سنجش را بصورت درستی اندازه گیری میکند. به همین دلیل اگر
ورودی اندازه گیری فشار این وسایل بطور آزاد در معرض هوای محیط قرار گیرد ،
خروجی آنها صفر را نشان میدهد.
در عوض در کاربردهای فشار بالا
طرف منفی را میتوان کاملأ بست و آنرا از محیط بیرون ایزوله کرد و اجازه
اعمال تغییرات فشار اتمسفر در فشار اندازه گیری شده را نداد. اینکار
درفشارهای بالا که تغییرات فشار اتمسفر نسبت به مقدار فشار تحت اندازه گیری
مقدار کوچک و قابل صرف نظری دارد و بنابراین درستی اندازه گیری را خراب
نمیکند کاملا توجیه فنی دارد ، درحالیکه در اندازه گیریهای فشار پایین و در
حد فشار اتمسفر توجیهی ندارد. این وسایل هیچگاه صفر را به درستی اندازه
گیری نمیکنند زیرا فشار اتمسفر تغییر میکند ولی یکی از ورودیهای آنها
کاملا بسته و فشار آن روی یک فشار ثابت (بطور مثال 1bar یا 100Kpa) تثبیت و
آب بندی شده است.
سازندگان وسایل اندازه گیری
فشار برای فراهم کردن امکان اندازه گیری فشار مطلق ، در یکی از طرفهای
دیافراگم موجود در ترانسمیتر فشار یا فشار سنج ، خلاء کامل برقرار و آنرا
بطور آب بندی شده ای می بندند و با اینکار یک حسگر فشار مطلق ساخته میشود.
در این صورت اگر آن طرفی از دیافراگم که وظیفه اندازه گیری فشار را دارد
در محیط آزاد (هوای آزاد) قرار داده شود ، یک وسیله اندازه گیری فشار
اتمسفر یا بارومتر ساخته شده است.
واحدهای اندازه گیری فشار
– تا قبل از 1971 ، واحد فشار درسیستم بین المللی یکاها (SI) ، نیوتن بر متر مربع (N/m2)
بود که دارای نام اختصاصی پاسکال(Pa) می باشد. و از این رو که پاسکال واحد
کوچکی است از واحد هایی نظیر کیلو پاسکال و مگاپاسکال و گیگا پاسکال در
اندازه گیری های عملی استفاده می شود. این تغییر نام به افتخار ریاضیدان ،
فیزیکدان، مخترع، نویسنده و فیلسوف کاتولیک فرانسوی با نام بلیز پاسکال که
در قرن هفده میلادی می زیست انجام شد
– .ولی هنوز در بسیاری کشورها بالخصوص بطور گسترده در آمریکا و کانادا از واحد غیر متریک پوند بر اینچ مربع (lbf/in2)برای بیان فشار استفاده میکنند.
– گاهی هم در سیستم
متریک و هم در سیستم غیر متریک فشار به اشتباه با واحد های جرم نمایش داده
می شود برای مثال psi 200 که باید به درستی به صورت 200 پوند بر اینچ مربع
نمایش داده شود.
– واحد های مانومتری
شامل میلیمتر جیوه و اینچ آب و سانتی متر آب به چگالی سیا فرضی و شتاب ناشی
از گرانش وابسته اند در سطح بین المللی از این واحد ها استفاده نمی شود.
در مانومترها فشار براساس توانائیش در جابجایی ستون مایع موجود درآن بیان
میشود، بطور مثال برحسب میلی متر آب یا میلی متر جیوه. چون جیوه چگالی
بیشتری نسبت به اب دارد ، معمولا مانومترهای ساخته شده براساس ستون جیوه در
یک فشار معین ، کوتاهتر و کوچکتر هستند. ولی بایستی توجه داشت که چگالی
سیال موجود در مانومتر و شتاب جاذبه (g) از یک محل به محل دیگر تفاوت میکند
و در نتیجه برروی مقدار خوانده شده فشار تأثیر میگذارد.معمولا در کشورهای
جهان فشار خون برحسب میلیمتر جیوه (mmHg) ، فشار شش ها برحسب سانتی متر آب
(cmWC) و فشار گاز طبیعیموجود در لوله ها برحسب اینچ آب (inWC) بیان
میشوند(منظور از WC ستون آب است).
– در سیستمهای خلأ ،
معمولأ از واحدهای Torr ،micron و inHg برای بیان مقدار خلأ استفاده میشود.
Torr یک یکای غیر SI است و برابر 322/133 پاسکال و تقریبأ 1 میلی متر جیوه
است .
1 Torr= 133.322 pa =1 mmHg
منظور از micron نیز میکرومتر جیوه است. معمولأ Torr و micron فشار مطلق و inHg فشار سنجش را بیان میکنند.
– فشار اتمسفر معمولأ
برحسب کیلو پاسکال (kpa) یا اتمسفر (atm) بیان میشود ولی در اندازه شناسی
آمریکایی ترجیح میدهند از واحدهای هکتوپاسکال(hpa)و میلی بار(mbar)
استفاده کنند
1 hpa= 1 mbar=100 pa
– در سایر سیستمهای غیر
از SI برای بیان فشار از واحدهای دیگری که خیلی متداول نیست و یا منسوخ
شده است استفاده میشده یا هنوز استفاده میشود. در سیستم cgs (سیستم سانتی
متر – گرم- ثانیه)برای بیان فشار از واحد باراد (بانوشتار فرانسوی Barye) و
مخفف Ba استفاده میشود و
1 Ba=0.1 Pa
است.
– در سیستم mts(متر-
تن- ثانیه) برای بیان فشار از واحد Pieze با مخفف Pz استفاده میشود که تا
قبل از 1955 میلادی در شوروی (سابق) متداول بود استفاده میشد و
1 Pz =1 kpa
است.
– در برخی کاربردهای بالخصوص صنعتی نیز از کیلوگرم بر سانتی متر مربع (kg/cm2) یا کیلوگرم بر متر مربع) kg/m2
یا سایر مشتقات مشابه برای بیان فشار استفاده میشود. منطق این واحد براساس
نیروی اعمالی بر یک سطح مقطع که تعریفی از فشار است میباشد (P=F/A) و
منظور از کیلوگرم ، کیلوگرم- نیرو (kg-force) است. کاربرد کیلوگرم برای
بیان مقدار نیرو در سیستم SI ممنوع است و بایستی از نیوتن (N) برای بیان
نیرو استفاده شود.
تعریف :
- میلیمتر جیوه قراردادی بر حسب فشار تولید شده توسط ستون جیوه با با طول
واحد و چگالی اختصاصی 13595 کیلوگرم بر سانتی متر مکعب در دمای صفر درجه
تحت شتاب گرانش استاندارد 80665/9 متر بر مجذور ثانیه تعریف می شود. - اینچ آب قراردادی بر حسب فشار تولید شده به وسیله ستون آب با طول واحد و
چگالی اختصاصی 1000 کیل.گرم بر متر مکعب که در معرض گرانش استاندارد
80665/9 متر بر مجذور ثانیه قرار دارد ، تعریف می شود.
یکای فشار و واحد های فشار
فشاربا یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر(1Pa=1N/m2)
میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح
جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها به کار
برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود.
چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال(kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان ازواحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm2) یا torr را نام برد.
چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.
واحدهای فشار
پاسکال
(Pa)
بار
(bar)
اتمسفر فنی
(at)
اتمسفر
(atm)
تر
(Torr)
پوند−نیرو
بر اینچ مربع
(psi)
1 Pa
≡ 1N/m2
10−5
1.0197×10−5
9.8692×10−6
7.5006×10−3
145.04×10−6
1 bar
100,000
≡ 106 dyn/cm2
1.0197
0.98692
750.06
14.504
1 at
98,066.5
0.980665
≡ 1kgf/cm2
0.96784
735.56
14.223
1 atm
101,325
1.01325
1.0332
≡ 1atm
760
14.696
1 torr
133.322
1.3332×10−3
1.3595×10−3
1.3158×10−3
≡ 1 Torr; ≈ 1 mmHg
19.337×10−3
1 psi
6,894.76
68.948×10−3
70.307×10−3
68.046×10−3
51.715
≡ 1lbf/in2
مثال: ۱Pa = ۱ N/m۲ = ۱۰−۵bar = ۱۰/۱۹۷×۱۰−۶at = ۹/۸۶۹۲×۱۰−۶atm
یادآوری: mmHg نمادمیلی‌متر جیوهاست.
