انواع مختلف فشارسنج و نحوه انتخاب یکی

گیج های فشار یکی از اساسی ترین ابزارها در هر محیط صنعتی، مکانیکی یا فرآیندی هستند. آنها اندازه گیری لحظه ای فشار مایع یا گاز را ارائه می دهند و اپراتورها را قادر می سازند تا عملکرد سیستم را نظارت کنند، از آسیب تجهیزات جلوگیری کنند و ایمنی پرسنل را تضمین کنند. با این حال، اصطلاح "فشار سنج" دسته‌بندی گسترده‌ای از ابزارها را پوشش می‌دهد که هر کدام برای یک اصل اندازه‌گیری، محیط عملیاتی و نیاز دقت طراحی شده‌اند. درک انواع مختلف سنج های موجود - و دانستن اینکه کدام نوع برای کدام کاربرد مناسب است - دانش ضروری برای مهندسان، متخصصان تدارکات و تکنسین های تعمیر و نگهداری است.

گیج فشار در واقع چه چیزی را اندازه می گیرد

قبل از بررسی انواع مختلف گیج‌ها، مهم است که آنچه را که واقعاً اندازه‌گیری می‌شود، روشن کنیم، زیرا انواع مختلف سنج تا حدی با نقطه مرجع آنها تعریف می‌شوند. فشار نیرویی است که در واحد سطح اعمال می شود و بسته به کاربرد و طراحی ابزار می توان آن را نسبت به خطوط پایه مختلف بیان کرد.

فشار گیج رایج ترین مقدار اندازه گیری شده است و نشان دهنده فشار نسبت به فشار اتمسفر محلی است. قرائت فشار گیج صفر به این معنی است که فشار سیستم برابر با فشار اتمسفر است - نه اینکه اصلاً فشاری وجود نداشته باشد. فشار مطلق نسبت به خلاء کامل اندازه‌گیری می‌شود و در کاربردهایی استفاده می‌شود که تغییرات جوی خطای غیرقابل قبولی ایجاد می‌کند، مانند فرآیندهای حساس به ارتفاع یا خلاء. فشار دیفرانسیل تفاوت بین دو نقطه فشار را در یک سیستم اندازه گیری می کند و برای نظارت بر نرخ جریان، شرایط فیلتر و سطح در مخازن تحت فشار بسیار مهم است. هر یک از این انواع اندازه گیری با طرح های گیج خاصی مطابقت دارد، بنابراین شناسایی نقطه مرجع صحیح اولین گام در انتخاب ابزار مناسب است.

گیج فشار لوله بوردون

گیج لوله بوردون پرکاربردترین مکانیکی است فشار سنج در جهان اصل عملکرد آن متکی به یک لوله فلزی منحنی و توخالی - معمولاً C شکل، مارپیچ یا مارپیچ - است که با افزایش فشار داخلی کمی صاف می شود. این حرکت به صورت مکانیکی از طریق پیوند دنده و پینیون تقویت می‌شود، که انحراف لوله را به حرکت چرخشی نشانگر در یک صفحه مدرج تبدیل می‌کند. گیج های لوله بوردون قوی، قابل اعتماد، مستقل هستند و نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند، و آنها را به یک صنعت پیش فرض برای نظارت بر فشار همه منظوره در تقریباً تمام بخش ها تبدیل می کند.

گیج های لوله بوردون در محدوده های اندازه گیری از 0-0.6 بار تا چندین هزار بار بسته به جنس لوله و ضخامت دیواره موجود هستند. مواد لوله استاندارد شامل برنز و فسفر برنز برای خدمات عمومی است، در حالی که لوله های فولادی ضد زنگ برای محیط های خورنده، سیالات با دمای بالا یا کاربردهای بهداشتی مشخص شده اند. محدودیت اصلی گیج های لوله بوردون حساسیت به لرزش و ضربان فشار است که هر دو می توانند باعث سایش زودرس حرکت و رفتار اشاره گر نامنظم شوند. گیج های پر از مایع - در جایی که کیس با گلیسیرین یا روغن سیلیکون پر شده است - با کاهش حرکت داخلی و روانکاری مکانیزم چرخ دنده، این محدودیت را به طور موثر برطرف می کند.

گیج فشار دیافراگم

گیج های دیافراگمی از یک غشای انعطاف پذیر به عنوان عنصر حسگر به جای یک لوله منحنی استفاده می کنند. هنگامی که فشار به یک طرف دیافراگم وارد می شود، منحرف می شود و این انحراف از طریق یک پیوند مکانیکی به حرکت اشاره گر تبدیل می شود. طراحی دیافراگم این گیج‌ها را برای اندازه‌گیری فشارهای پایین که کمتر از محدوده عملی ابزارهای لوله بوردون است، معمولاً از چند میلی‌بار تا حدود 40 بار، مناسب می‌سازد. از آنجایی که عنصر حسگر یک سطح بزرگ و نسبتاً مسطح است، گیج‌های دیافراگمی نیز نسبت به انواع لوله بوردون به تغییرات فشار کوچک در محدوده‌های پایین حساس‌تر هستند.

یکی از مزایای کلیدی گیج های دیافراگمی مناسب بودن آنها برای محیط های بسیار چسبناک، آلوده یا تهاجمی است. دیافراگم را می توان از فولاد ضد زنگ، هاستلوی، تانتالیوم، فلز با روکش PTFE یا سایر مواد ویژه ای که در برابر حملات شیمیایی مقاوم هستند، تولید کرد. در بسیاری از طرح‌ها، محیط فرآیند هرگز وارد بدنه گیج نمی‌شود - فقط با صفحه دیافراگم تماس می‌گیرد - که از مسدود شدن حرکت جلوگیری می‌کند و تمیز کردن را ساده می‌کند. این امر باعث می شود گیج های دیافراگمی به انتخاب ارجح در پردازش های شیمیایی، مواد غذایی و آشامیدنی، تولید دارویی و کاربردهای تصفیه فاضلاب تبدیل شوند.

فشار سنج کپسولی

گیج های کپسول به طور خاص برای اندازه گیری فشارهای بسیار پایین گازها، به ویژه در محدوده 0 تا 600 میلی بار طراحی شده اند. عنصر حسگر از دو دیافراگم فلزی موجدار تشکیل شده است که در حاشیه آنها به یکدیگر جوش داده شده و یک کپسول مهر و موم شده را تشکیل می دهند. با اعمال فشار به قسمت بیرونی کپسول، دو دیافراگم به هم فشرده می شوند و یک جابجایی مکانیکی دقیق ایجاد می کنند. این طراحی از نظر پاسخگویی در محدوده‌های فشار کم بسیار حساس و خطی است و آن را برای سیستم‌های تامین گاز، نظارت بر فشار HVAC، کنترل‌های هوای احتراق، و نشان‌دهنده اختلاف فشار فیلتر در کانال‌های فشار کم ایده‌آل می‌کند.

گیج های کپسول فقط باید با گازهای تمیز، خشک و غیر خورنده استفاده شوند. آنها برای محیط های مایع مناسب نیستند و به وجود میعانات یا آلودگی ذرات در جریان گاز حساس هستند. هنگام نصب گیج های کپسول در برنامه های نظارت بر گاز، یک تله رطوبت یا فیلتر درونی در بالادست گیج برای محافظت از عنصر حسگر و حفظ دقت در طول زمان به شدت توصیه می شود.

گیج های فشار دیفرانسیل

گیج های فشار دیفرانسیل دارای دو درگاه فشار - یک طرف فشار بالا و یک طرف فشار پایین - هستند و تفاوت بین این دو را نشان می دهند. این باعث می شود که آنها اساساً با ابزارهای گیج یا فشار مطلق که فشار را در یک نقطه اندازه گیری می کنند متفاوت باشند. گیج های فشار دیفرانسیل هر جا که رابطه بین دو مقدار فشار اهمیت عملیاتی بیشتری نسبت به هر یک از مقادیر جداگانه داشته باشد استفاده می شود.

کاربردهای متداول شامل نظارت بر افت فشار در فیلترها و صافی‌ها برای نشان دادن نیاز به تمیز کردن یا تعویض، اندازه‌گیری نرخ جریان از طریق صفحات روزنه‌ای و ونتوری‌مترها (جایی که فشار دیفرانسیل مستقیماً با سرعت جریان ارتباط دارد) و نظارت بر سطح مایع در مخازن تحت فشار بسته است. گیج های فشار دیفرانسیل را می توان با استفاده از عناصر حسگر دیافراگم، پیستون یا لوله بوردون، بسته به محدوده فشار و محیط درگیر، ساخت. آنها باید به دقت برای سازگاری با هر دو رسانه فرآیند به طور همزمان انتخاب شوند، زیرا هر دو پورت ممکن است در شرایط مختلف در معرض سیالات مختلف یا یک سیال قرار گیرند.

فشارسنج دیجیتال و الکترونیکی

گیج‌های فشار دیجیتال از یک مبدل فشار الکترونیکی - معمولاً یک عنصر پیزوالکتریک، خازنی یا حسگر کرنش سنج - برای تبدیل فشار به سیگنال الکتریکی استفاده می‌کنند که سپس پردازش می‌شود و به عنوان قرائت عددی روی صفحه LCD یا LED نمایش داده می‌شود. برخلاف گیج‌های مکانیکی، ابزارهای دیجیتال چندین مزیت متمایز از جمله دقت بالاتر، قابلیت ثبت داده‌ها، خروجی‌های هشدار قابل تنظیم، واحدهای اندازه‌گیری قابل انتخاب، و توانایی انتقال قرائت‌ها به سیستم‌های نظارت از راه دور از طریق پروتکل‌های ارتباطی آنالوگ یا دیجیتال مانند 4 تا 20 میلی آمپر، HART یا Modbus را ارائه می‌دهند.

گیج های دیجیتال به طور فزاینده ای در تاسیسات صنعتی مدرن که در آن داده های فرآیند باید در SCADA یا سیستم های کنترل توزیع شده یکپارچه شوند، مشخص می شوند. آنها همچنین در کاربردهای کالیبراسیون و آزمایش که وضوح و دقت یک سنج مکانیکی کافی نیست، ارزشمند هستند. معایب اصلی آن ها وابستگی به انرژی باتری یا منبع خارجی، آسیب پذیری احتمالی آنها در برابر تداخل الکترومغناطیسی و هزینه اولیه بالاتر آنها در مقایسه با جایگزین های مکانیکی است. در کاربردهای حیاتی ایمنی، یک گیج پشتیبان مکانیکی اغلب در کنار یک ابزار دیجیتال نصب می‌شود تا در صورت قطع برق، یک نشانه بصری ایمن ارائه دهد.

مقایسه انواع اصلی فشار سنج

انتخاب نوع گیج مناسب با تطبیق ویژگی های طراحی ابزار با نیازهای خاص برنامه آغاز می شود. جدول زیر مقایسه ای عملی از انواع گیج اصلی در معیارهای انتخاب کلیدی را ارائه می دهد:

انواع گیج تخصصی برای کاربردهای خاص

فراتر از دسته بندی های اصلی، چندین نوع گیج تخصصی برای شرایط عملیاتی سخت یا غیرعادی طراحی شده اند که در آن ابزارهای استاندارد از کار می افتند یا عملکرد ناکافی دارند.

گیج های با خلوص بالا و بهداشتی

در محیط‌های دارویی، بیوتکنولوژی و فرآوری مواد غذایی، طرح‌های گیج استاندارد غیرقابل قبول هستند، زیرا حاوی شکاف‌ها، پاهای مرده و مواد غیربهداشتی هستند که باکتری‌ها را در خود جای داده و از تمیز کردن مؤثر جلوگیری می‌کنند. گیج های فشار بهداشتی با سطوح دیافراگمی صاف، سطوح داخلی صیقلی و اتصالات مطابق با استانداردهای بهداشتی 3-A یا EHEDG طراحی شده اند. تمام قطعات خیس شده از فولاد ضد زنگ 316 لیتری با مقادیر زبری سطح تعریف شده، معمولاً Ra ≤ 0.8 میکرومتر، برای اطمینان از تمیزی کامل تحت روش های CIP (تمیز کردن در محل) و SIP (استریل کردن در محل) تولید می شوند.

گیج های فشار قوی و فوق العاده پرفشار

کاربردهایی مانند آزمایش هیدرولیک، برش واترجت، راکتورهای شیمیایی پرفشار، و سیستم‌های فشرده‌سازی گاز به گیج‌هایی نیاز دارند که برای فشارهای شدید بیش از 1000 بار یا بیشتر درجه بندی شده باشند. این ابزارها از لوله‌های مارپیچ بوردون استفاده می‌کنند - یک پیکربندی لوله فنری با پیچ‌خوردگی محکم که چندین چرخش انحراف را برای دقت بیشتر در محدوده‌های بالا فراهم می‌کند - همراه با بدنه‌های فولادی ضدزنگ سنگین و اتصالات تخصصی فرآیند فشار بالا مانند اتصالات مخروطی و سوکت یا فشار متوسط. الگوهای ایمنی با پانل های پشتی فوران در تاسیسات گیج فشار بالا برای محافظت از اپراتورها در صورت پارگی لوله الزامی است.

گیج های تست و کالیبراسیون

گیج های تست ابزار دقیقی با کلاس های دقت 0.25% یا بهتر هستند که برای تایید قرائت گیج های فرآیند نصب شده، کالیبراسیون ابزار دقیق و انجام تست پذیرش بر روی سیستم های فشار استفاده می شوند. آنها دارای قطرهای بزرگ صفحه - معمولاً 150 میلی متر یا 250 میلی متر - هستند تا امکان درون یابی نشانگر ظریف، صفحه های آینه ای برای حذف خطای خواندن اختلاف منظر و مکانیسم های اشاره گر قابل تنظیم را فراهم کنند. گیج های تست باید در مواردی که استفاده نمی شوند با دقت در موارد حفاظتی نگهداری شوند و در فواصل زمانی معینی بر اساس استانداردهای قابل ردیابی مجدد کالیبره شوند تا دقت اعلام شده خود حفظ شود.

عوامل کلیدی هنگام انتخاب فشار سنج مناسب

انتخاب گیج فشار صحیح از بین انواع مختلف موجود، نیازمند ارزیابی چندین فاکتور وابسته به هم است. عجله در این تصمیم اغلب منجر به خرابی زودرس ابزار، قرائت نادرست یا خطرات ایمنی می شود. چک لیست زیر بحرانی ترین معیارهای انتخاب را پوشش می دهد:

• محدوده فشار: فشار عملیاتی نرمال سیستم باید بین 25 تا 75 درصد محدوده مقیاس کامل گیج باشد. کارکرد مداوم در بالای ترازو خستگی عنصر حسگر را تسریع می‌کند، در حالی که محدوده بسیار وسیع خوانایی و دقت را در شرایط عملیاتی عادی کاهش می‌دهد.
• سازگاری رسانه: تمام مواد خیس شده - لوله، سوکت و هر جزء داخلی - باید از نظر شیمیایی با سیال یا گاز فرآیند سازگار باشند. برای جلوگیری از خرابی ناشی از خوردگی، با نمودار مقاومت شیمیایی مشورت کنید و درجه صحیح مواد را برای هر کاربرد مشخص کنید.
• دمای فرآیند: افزایش دمای فرآیند بر دقت گیج تأثیر می گذارد و می تواند به عنصر حسگر آسیب برساند. برای محیط های بالای 60 درجه سانتیگراد، باید از یک لوله سیفون (برای بخار)، المنت خنک کننده، یا مجموعه مهر و موم دیافراگم از راه دور برای محافظت از بدنه گیج در برابر قرار گرفتن در معرض گرما استفاده شود.
• لرزش و ضربان: سیستم‌های دارای پمپ‌ها، کمپرسورها یا نوسانات فشار با فرکانس بالا به گیج‌های پر از مایع یا نصب یک ضربه‌گیر (دمپر ضربان) در اتصال ورودی گیج برای محافظت از حرکت در برابر بارگذاری سریع چرخه‌ای نیاز دارند.
• رتبه حفاظت از محیط زیست: گیج های نصب شده در خارج از منزل یا در محیط های مرطوب، گرد و غبار یا مواد شیمیایی تهاجمی باید دارای رتبه IP مناسب (محافظت از ورود) باشند. IP65 یا بالاتر معمولاً برای نصب در فضای باز مورد نیاز است تا از نفوذ رطوبت و آلودگی به داخل کیس جلوگیری شود.
• کلاس دقت: کلاس دقت مورد نیاز به بحرانی بودن اندازه گیری بستگی دارد. نظارت صنعتی عمومی معمولاً به کلاس دقت 1.6٪ یا 2.5٪ نیاز دارد، در حالی که برنامه های کاربردی کنترل فرآیند ممکن است به کلاس 1.0٪ یا بهتر نیاز داشته باشند. کاربردهای ایمنی حیاتی و کالیبراسیون به ابزار دقیق کلاس 0.25٪ تا 0.6٪ نیاز دارند.

روش های نصب و نگهداری که از عملکرد گیج محافظت می کند

حتی بهترین گیج فشار مشخص شده در صورت نصب نادرست یا نادیده گرفته شدن در سرویس، عملکرد ضعیفی دارد یا پیش از موعد از کار می افتد. گیج همیشه باید در حالت عمودی و در صورت امکان نصب شود، زیرا نصب کج یا معکوس بر تعادل نشانگر تأثیر می گذارد و در گیج های پر از مایع می تواند باعث نشت مایع از کیس شود. اتصالات فرآیند باید با استفاده از درزگیر رزوه مناسب برای رسانه انجام شود - نوار PTFE به طور گسترده استفاده می شود اما نباید برای جلوگیری از ورود قطعات به ورودی گیج روی اولین نخ اعمال شود. یک شیر جداکننده دستی که بین خط فرآیند و گیج نصب شده است، به گیج اجازه می‌دهد تا برای تعویض یا کالیبراسیون بدون وقفه در عملکرد سیستم، ایزوله شود.

بازرسی منظم گیج های نصب شده باید از نظر رانش نشانگر، صفحه های ترک خورده، نشت کیس و خوردگی اتصال فرآیند بررسی شود. سنج هایی که خطای آفست ثابت را نشان می دهند باید دوباره کالیبره شوند یا جایگزین شوند. در کاربردهای حیاتی ایمنی، یک برنامه کالیبراسیون و جایگزینی گیج رسمی - معمولاً به صورت سالانه یا همانطور که توسط ارزیابی ریسک تعریف می‌شود - باید مستند شده و به دقت رعایت شود. درک انواع مختلف گیج های موجود و به کارگیری شیوه های انتخاب صدا، نصب و نگهداری تضمین می کند که اندازه گیری فشار در طول عمر هر سیستم تحت فشار دقیق، قابل اعتماد و ایمن باقی می ماند.