پاورپوینت دیافراگم و فشارسنج تفاضلی

بسم الله الرحمن الرحیم

دیافراگم وفشارسنج تفاضلی

اساس اندازه گیری فشارسیالات قبل ازاینکه اساس اندازه گیری فشار سیالات را شرح دهیم بایستی این نکته را یادآو شویم که فشار سیالات به دو صورت فشارنسبی وفشارمطلق بیان می شود: فشارمطلق-(Absolute Pressure)-هرگاه فشارسیالات نسبت به خلامطلق سنجیده شود ،آنرابه نام فشارمطلق خوانده وباPabsنشان می دهند.به عنوان مثال وقتی می گوییم فشاراتمسفریک کیلوگرم برسانتیمترمربع است،مقصود فشار مطلق هوا می باشد. فشار نسبی-(gage pressure)- اگر فشار سیال نسبت به فشار اتمسفرسنجیده شود ،آنرافشارنسبی خوانده وPgageنشان می دهند.رابطه بین فشارهای نسبی ومطلق به شرح زیر است: Pabs=Patm+Pgage

درمکانیک سیالات وبه ویژه درهیدرولیک،غالباًفشار نسبی سیالات موردنظراست.تنهادربعضی مواردنادر-مثل فشاربخاراشباع مایعات-ناچاریم که ازفشارمطلق استفاده کنیم .بدین ترتیب هرکجا که مقصود فشار مطلق باشد آنرامشخص خواهیم کرد ودرغیر این صورت مقصود فشار نسبی می باشد. حال که با مفهوم فشار نسبی ومطلق آشنا شدیم،می توانیم به شرح اساس اندازه گیری فشارسیالات بپردازیم: فشار سیالات به وسیله دستگاه های فشار سنج (Piezometer)اندازه گیری می شود.مبنای کاراین دستگاه ها،اندازه گیری ارتفاع نظیر فشار یعنی کمیتP/үمی باشد.ساده ترین فشارسنج ها که برای اندازه گیری فشارمایعات به کار می رودیک لوله شیشه ای قائم است که انتهای آن به هوای آزادمرتبط است وانتهای دیگرآن توسط سوراخ کوچکی به نقطه ای که منظور اندازه گیری فشارآن است وصل شده است.

ازآنجا که فشارسنج های ساده را نمی توان برای اندازه گیری فشارگازها بکاربردوازطرفی برای اندازه گیری فشارمایعات پرفشارنیزبه لوله طویلی احتیاج است،لذافشارسنج ها را به صورت یک لولهUشکل که داخل آن جیوه یا مایع سنگین دیگری ریخته شده ،می سازند. اگر بخواهیم فشاردرنقطه ای مثلAازیک لوله حاوی سیال را محاسبه کنیم ،دراین نقطه سوراخی احداث کرده واین سوراخ را به وسیله یک لوله لاستیکی به فشارسنج متصل می کنیم .باتوجه به اختلاف ارتفاع جیوه دردوشاخه لولهUشکل می توان فشار درنقطه Aرابه دست آورد. Ү=وزن مخصوص مایع P(B)+yү2=Patm=0 → P(B)= – yү2 P(A’)=P(B)+Ү1z = – yү2 + Ү1z P(A)= P(A’)→P(A)/ү1= Z- yү2

وسایل و روش های اندازه گیری فشار بسیار متفاوتند ، در زیر شرح کوتاهی از آن ها را می آوریم: 3-1-1-     اندازه گیری فشار توسط مانومتر ها (Manometers) ساختمان مانومتر ها که به فشار سنج های اولیه موسومند ، از شیشه ای محکم ساخته شده و صفحه ی آن ها بر حسب اینچ ، سانتی متر یا میلی متر مدرج شده و مایع درون آن ها معمولا آب یا جیوه می باشد. از مانومترها برای اندازه گیری فشارهای کم استفاده می شود که در خواندن فشارهای خیلی کم از نوع آبی آن استفاده می گردد. مانومترها انواع زیادی دارند که در زیر به گونه های عمده ی آن ها اشاره شده است: ·        مانومتر یک شاخه ای (Single Leg Manometer) ·        مانومتر دو شاخه ای (V-Tube Manometer) ·        مانومتر مورب (Inclined Manometer) ، این مانومتر حد تفکیک بهتری را فراهم می کند. ·        انواع بالا را نیز می توان با خاصیت القای مغناطیسی به کار برد که معمولا یا از سیالی با خاصیت مغناطیسی به کار می رود و یا این که شناوری روی سطح به عنوان هسته ی مغناطیسی به کار می برند.

اندازه گیری فشار استاتیکی
سیال درحال سکون،درهرنقطه فشاری اعمال می کند که به نام فشاراستاتیکی آن خوانده می شودونیزمی دانیم که سیال درحال حرکت علاوه برفشاراستاتیکی ،دراثرسرعت فشاری وارد می کند که فشاردینامیکی (حاصلرب ارتفاع نظیرسرعت دروزن مخصوص سیال )نام دارد .برای اندازه گیری فشاراستاتیکی دستگاه های مختلفی وجوددارد که اینک به شرح بعضی انواع آن می پردازیم:

فشارسنج ساده
ساده ترین نوع فشارسنج یک لوله شفاف است که درامتدادعمودبرجهت حرکت سیال نصب می شود.مهمترین مسئله ای که دراین مورد وجوددارد این مطلب است که فشارسنج بایستی به گونه ای درمسیر جریان قرارگیردکه اختلالی درآن به وجودنیاورد.

اندازه گیری به وسیله لوله استاتیک(Static tube)
این وسیله برای اندازه گیری فشاراستاتیکی سیالات درحال حرکت ،مناسب است.دستگاه درواقع لوله ایست که طی زاویه 90درجه خم شده است.انتهای قسمتی ازلوله که درمقابل جریان قرارمی گیرد بسته بوده ودرسرتاسرمحیط این قسمت،تعدادی سوراخ احداث شده است.برای اندازه گیری انتهای بسته لوله راطوری دربرابرجریان قرارمی دهندکه حتی المقدورباخطوط جریان موازی باشد.

فشارسنج جیوه ای
عیب فشارسنج های ساده دراین است که برای اندازه گیری فشارهای کم نیزبه لوله های طویلی احتیاج است.برای رفع این عیب ازفشارسنج جیوه ای استفاده می کنند.دستگاه ازیک لولهUشکل محتوی جیوه تشکیل شده است به کمک یک شیر می توان هوای درون لوله را تخلیه کرد.

فشارسنج جیوه ای (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 می راند. جیوه تا حدی که وزن آن در داخل لوله ، دقیقاً معادل نیروی ناشی از فشار هوا گردد در لوله فشار سنج بالا می رود و سپس در حالت تعادل و سکون باقی می ماند. با تغییر فشار هوا ، سطح جیوه در داخل لوله نیز بالا و پایین خواهد رفت. در شرایط نرمال جیوه به اندازه 92/29 اینچ یا 760 میلیمتر در لوله بالا می آید که فشاری معادل 15/1013 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
برای اندازه گیری فشارهای بالا ونیزسهولت حمل ونقل دستگاه ازفشارسنج های فلزی استفاده می شود.این دستگاه بیشتربرای اندازه گیری فشارگازها کارمی رود.دراین دستگاه ها فشارسیال به یک لوله حلقوی شکل مرتبط میشود که بسته به میزان فشارموثرانحنای آن کم وزیادشده واین تغییرانحنا به وسیله یک سیستم مکانیکی به عقربه ای منتقل می شودکه می توان فشاروارده توسط آن راروی صفحه مدرج قرائت کرد.بعضی فشارسنج ها رابرای تنظیم بادلاستیک اتومبیل ها بکارمی برند.

فشارسنج فلزی (Aneroid)
 فشارسنج فلزی وسیله ای است مکانیکی که از یک محفظه قوطی شکل استوانه ای بدون هوا تشکیل شده است؛ با تغییر فشار هوا این محفظه منقبض یا منبسط می شود. 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 می کند، منتقل می شود. یک شاخص متحرک که می تواند در یک نقطه ثابت شود بر روی فشار سنج تعبیه شده است تا بتوان تغییرات فشار را نسبت به آخرین قرائت اندازه گیری کرد.

مانومتر manometer این دستگاه تشکیل شده است ازیک لوله شیشه ای مدرج با یک مخزن حاوی مایعی مانند جیوه وآب ویاالکل که برای اندازه گیری فشارهای کم ومخصوصا برای تنظیم ومیزان کردن دستگاه ها وکنترلرها ( رگلاتور خانگی که فشارخروجی آن 7 اینچ آن است )استفاده می شود .ودرانواع یوشکل ،مخزن دارومایل موجوداست .درصنعت ازمانومترهای u شکل برای اندازه گیری فشارهای کم (4 اینچ آب ویا48 اینچ جیوه )استفاده می شود بنابراین دقت مانومتر آبی بیشتراست . فشاراندازه گیری شده توسط مانومترمخزندار می تواند بیشتر ازیوشکل باشد(12اینچ آب و48 اینچ جیوه )برای اندازه گیری دقیقتر فشار ازمانومترهای مایل استفاده می کنند که فشار ماکزیمم مورد اندازه گیری توسط این مانومتر ها نیم اینچ است . نکته مهم درطرز کاربا مانومترها اینست که مانومترباید تراز بوده وبرای خواندن آنها راس منحنی مایع درون مانومتررامنطبق بردرجات نمود وآنرا خواندکه این راس درمانومترهای آبی گودترین ودرمانومترهای جیوه ای بالاترین نقطه درنظرگرفته میشود. درضمن خط دید چشم باسطح مایع باید کاملا افقی باشد.

فشار سنج تفاضلی آنالوگ Differential Pressure gauge
فشار سنجهای تفاضلی یا دیفرانسیلی با فانتینلی با ساختاری محکم امکان اندازه گیری اختلاف فشار ناشی از گرفتگی فیلتر و یا هر گونه کاربرد صنعتی مورد نظر را فراهم میکند این نمونه فشار سنجها با مکانیزم دیافراگمی و جنس استیل میباشند محصول کمپانی فانتینلی ایتالیا بوده.
رنج بین 160 میلی بار تا 25 بار
فشار استاتیک 100 بار
کلاس دقت 1.6
 

فشارسنج تفاضلی(Differntial)
اساس کاراین نوع فشارسنج که برای اندازه گیری اختلاف فشاربین دونقطه ازسیال به کار میرودبه شکل زیر است:
هرگاه بخواهیم اختلاف فشارسیال دردولوله AوBرااندازه بگیریم،لوله هارا دردونقطه سواخ کرده واین سوراخ هارا به وسیله دولوله لاستیکی به یک فشارسنج جیوه ای –که درحقیقت یک لولهUشکل محتوی جیوه است- مربوط می سازیم .درنقاطbوcشیرهایی تعبیه شده که به کمک آنها می توان هوای لوله راخارج کرد.به علت اختلاف فشاردردونقطهmوn،سطح جیوه دردوشاخه لولهuشکل دارای اختلافzخواهدشدکه به کمک آن می توان به ترتیب زیراختلاف فشاردونقطهmوnازدولوله راحساب کرد:

m
n
x
z
h
y
b
e
A
B
C
d
a

اگرفشاردرنقاطmوnبه ترتیبPmوPnفرض شودخواهیم داشت:
Pn=Pm – xү- ү’z + үy
Or
Pn – Pm = ү(x- y) + ү’Z
که درآن үو ‘үبه ترتیب وزن مخصوص آب وجیوه می باشد،باتوجه به شکل داریم:
X-y= – (h+z)
بنابراین خواهیم داشت:
Pm-Pn= ү’z – ү(z+h)

فشارسنج تفاضلی

مانومترها مانومترهای استاندارد
مانومترها دستگاه هایی هستند که درآنهاازستون مایع تعیین اختلاف فشاراستفاده می شود ساده ترین نوع مانومترراپیزومترمی نامندوازآن موقعی که فشارنسبی مایع ازصفربیشترباشداستفاده می کنند.لوله ای شیشه ای به حالت قائم به فضای داخل مخزن ارتباط می یابدومایع درداخل لوله تاجایی که به حالت تعادل برسد بالا می آیدارتفاعی که سیال(h)ازسطح مخزن(تانقطه ای که فشاربایستی اندازه گرفته شود)بالا می آید،بیان کننده فشارموجوددرمخزن است.

کاملا ً واضح است که پیزومتر نمی تواندبرای اندازه گیری فشارمنفی به کاربرده شودزیراهواازطریق لوله به داخل مخزن راه می یابد.همچنین از پیزومتر نمی توان برای فشارهای زیاددرمخزن Aاستفاده کرد زیرادراین صورت احتیاج به یک لوله قائم بسیاربلندی خواهیم داشت. درصورتی که چگالی مخصوص مایعSباشد،فشارمخزنAمساوی باh.sبرابرواحدطول ستون آب خواهدبود.

مانومتردیفرانسیلی (تفاضلی)
مانومتر دیفرانسیلی اختلاف فشار بین دو نقطهAوBرامشخص می کندوازآن زمانی استفاده می شود که نتوانیم فشارواقعی درهرنقطه ازسیستم را محاسبه کنیم .

P(A) – h1ү1 – h2 ү2 + h3 ү3 = P(B)

یا

A
B
S2or ү2
S1 or ү1
B
S3 or ү3
h2
h1
h3
P(A) -P(B) = h1ү1+ h2 ү2 – h3 ү3

اندازه گیری اختلاف فشار
وسیله اندازه گیری اختلاف فشار،لوله ای Uشکل به نام مانومتر(فشارسنج)است وطوری طراحی شده که بوسیله آن امکان اندازه گیری اختلاف فشار مابین دونقطه ازیک لوله فراهم می گردد.
h
b
a
D
B
A
C
مایع مانومتریQبادانسیتهPmax
سیال بادانسیتهP

مطابق شکل بایدتوجه داشت که فشاربرای نقاطCوDدردوشاخه مانومتربرابراست زیرامایع داخل مانومتر درقسمت تحتانی لوله درحال سکون است. برای شانه چپ مانومتر می توان نوشت:
P(C)=P(A)+pga
وبرای شاخه راست مانومتر:
P(D)=P(B)+pg(b-h) +pmax g h
ازآنجاکه:P(C )=P(D)
پس: P(A)+pgh=P(B)+pg(b-h) +pmax g h
هرگاه سیال Pبه جای مایع،گازباشد،چون دانسیته گاز،p،درمقابل دانسیته مایع مانومتر(pmax) قابل صرفنظرکردن است بنابراین میتوان نوشت:P(A) –P(B)= pg(b-a) + hgpmax

وبادقت کمتر: P(A)-P(B) = h . g . pmax
برای برقراری ارتباط بین مانومتروخط لوله یا یک ظرف که درآن سیالی درجریان است باید به نکات زیر توجه کافی مبذول داشت:
1- محل ارتباطات عمودبردیواره لوله باشد.
2- ازدرون،قابل شستشوویاتمیزکردن باشد.
3- هرگونه برآمدگی یا ناهمواری دیواره که مانع یکنواختی جریان شده وایجادمزاحمت نمایدودرنتیجه موجب خطادرسنجش تغییرات فشارشود،وجود نداشته باشد.

استفاده ازمانومترuشکل درصنعت معایبی دارد
ا1- قرائت همزمان جابجایی مایع دردوشاخه مانومتردشواراست.برای رفع این مشکل قطریکی ازبازوهارا بزرگترانتخاب می کنند.دراین حالت جابجای درشاخه قطورتربه کندی وبه مقداربسیارکم،درمقابل شاخه باریک تر،انجام میگیردولذاباصرفنظرکردن ازآن فقط کافی خواهدبودمقدارجابجایی مایع درداخل مانومتررادرشاخه باریک ترقرائت کنند.
2- اگراختلاف فشارناچیزیابرابرصفرباشدمایع داخل مانومتردریک سطح خاص قرارمیگیردوهمسطح می شوند،امااگراختلاف فشاری وجودداشته باشد مایع مانومتردرشاخه باریک تر وسمت راستی صعود خواهدکرد.

دیافراگم :
 دیافراگم ها اغلب به شکل دایره و با سطح صاف که در داخل محفظه ای محکم قرار گرفته است وجود دارند. وقتی فشار وارد این محفظه می شود دیافراگم از یک طرف کشیده شده و مرکزش حرکتی بیشتر از سایر نقاط آن انجام می دهد. حال اگر حرکت ایجاد شده را توسط مکانیزمی به یک عقربه که در مقابل آن صفحه مدرجی قرار گرفته است منتقل کنیم می توان فشار وارد بر دیافراگم را اندازه گرفت. جنس دیافراگم باید دارای خاصیت ارتجاعی خوب بوده و سریع تغییر شکل دهد . همچنین در مقابل درجه حرارت تغییر طول چندانی نکند و مقاومت آن در مقابل خوردگی مناسب باشد. فلزات مختلفی را می توان به این  منظور انتخاب کرد ولی معمولا جنس آنها بیشتر از برنج (brass) ، فسفر – برنز ، برلیوم – مس  و فولاد ضد زنگ می باشد.
  

دیافراگم کپسول Diaphragm Capsule :
دیافراگم تنها دارای حرکتی اندک در مقابل فشار وارد به آن می باشد همین حرکت میزان دامنه تغییرات یک دستگاه را مشخص می کند . برای جبران کمی حرکت دیافراگم ، دو دیافراگم را به صورت جوش یا لحیم به یکدیگر اتصال می دهند به طوریکه فضای بین آن دو خالی بماند. این وسیله را کپسول می نامند. در این صورت مقدار حرکت نسبت به یک دیافراگم مشابه دو برابر می گردد.
دیافراگم استاک :
برای بیشتر کردن مقدار حرکت می توان چند کپسول را به یکدیگر متصل نمود که در این صورت وسیله ای به نام دیافراگم استاک خواهیم داشت . در این وسیله می توان دو فشارP2 , P1   را به ترتیب در خارج و داخل وسیله وارد کرد که در این صورت مقدار حرکت دیافراگم فوقانی متناسب است با اختلاف فشار  P2 , P1   .

   دیافراگم (Diaphragm):
جنس دیافراگم را از می توان از فلز یا غیر فلز انتخاب کرد. در نوع غیر فلزی که در رنج فشار پایین تری به کار می رود ، استفاده از چرم و لاستیک متداول تر است.
        کپسول (Capsule): ترکیبی از دو دیافراگم است کهاز ناحیه ی لبه ها به یکدیگر جوش داده شده اند و نسبت به دیافراگم دقت بیشتری دارد.

پایان