X
تبلیغات
جهان امروز با شیمی - فشار و فشار سنج بوردون
جهان امروز با شیمی
لطفا نظر خود را برای ارتقاء "جهان امروز با شیمی" بنویسید

 
تاريخ : شنبه 23 آبان1388

دید کلی :

·                     آیا میدانید پاشنه نوک تیز کفش به کف اتاق آسیب میرساند ؟

·                     آیا میدانید چرا کفش اسکی در برف سر نمیخورد ؟

·                     آیا تا به حال با کفش ورزشی میخ دار روی برف راه رفته اید ؟

·                     آیا تابه حال از خود پرسیدهاید که چرا جاقو دست را میبرد ؟

·                     چرا کفش معمولی به زمین آسیب نمیرساند ؟

اینها همه پدیدههایی هستند که مفهوم فشار در آنها نهفته است وبه نوعی آن را بیان میکنند.

تعریف فشار:


فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.

مفهوم فشار:

·                     اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده. میخ کفشهایش در زمین فرو میرود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمیرساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد میشود یکسان بوده و همان نیروی وزن اوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد میکند.

میخ کفشها مقدار نیروی کل را تغییر نمیدهد ، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش میدهد. که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار بصورت زیر بیان میشود:


P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو میباشد.

·                     اسکیبازان موقع اسکی کفش اسکی میپوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش میدهد.

چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلا دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز ، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام میشود.

یکای 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.

نحوه اندازه گیری فشار:


فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نام گذاری شده است عبارتند از:

·                     فشارسنج لوله U شکل

·                     فشار سنج مکلئود

·                     فشار سنج جیوهای

·                     فشار سنج ترموکوپل

·                     فشارسنج صوتی

·                     فشار سنج خازنی

·                     فشارسنج گازایدهآل


ساده ترین و معروترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هواکه برابر p0 است) و ماده د اخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند ازطریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم به دست آوریم: « P=P0+ρg(h-h0)
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P0 فشار اتمسفر ، h0 ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه وh ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.

 

-      اندازه گیری فشار (Piezometry)        

فشار به معنی مقدار نیروی وارد شده بر واحد سطح است. از همین مطلب می توان به واحد های گوناگون فشار در سیستم های مختلف دست یافت. در استاندارد "dync/cm²=bar" C.G.S. ، در استاندارد.M.K.S علمی "Pascal" ، و در M.K.S. عملی "Kgf/m²" و در استاندارد انگلیسی "Psi" واحد های فشار در سیستم های گوناگون هستند.

مقادیر فشار همیشه نسبت به یک فشار مبداء اندازه گیری می شوند که این فشار مبداء ، در واقع همان فشار اتمسفر یا فشار جو می باشد. فشار اتمسفر به کمک آزمایش تریچلی در سطح دریا اندازه گیری می شود و مقدار آن برابر است با:

760mm Hg = 14.7 Psi =1 Bar = 1Kgf/cm²

فشاری که نسبت به فشار اتمسفر سنجیده می شود ، فشار نسبی است و فشاری که نسبت به فشار مطلق خلا سنجیده شود را فشار مطلق می گویند. [3] 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) [3] ، 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. [2]

مانومترها

الف) مانومتر U شکل: این وسیله ساده ترین مانومتر برای اندازه گیری اختلاف فشار است و درون آن از مایعی پرشده که می تواند از نوع چگالی سبک مثل نفت سفید یا چگالی بالا مانند جیوه باشد. امروزه مانومترهایی ساخته شده که از یک مدار پل وتسون شکل برای اندازه گیری اختلاف سطح استفاده می شود و با توجه به تغییرات ولتاژ و ارتباط آن با اختلاف فشار مطابق معادله زیر می توان فشار نسبی را بدست آورد.

فشار سنج بوردن

برای اندازه گیری فشارهای زیاد از فشار سنج بوردن استفاده می شود که در داخل آن لوله خمیده ای است که یک انتهای آن بسته و سر دیگر آن به سیالی که اندازه گیری فشار آن مد نظر است وصل است.

اين لوله C شكل است و انتهاي بسته آن براي حركت آزاد است وجود فشار بيش از فشار جو در داخل لوله باعث می شود که لوله تا اندازه ای که میزان آن به فشار نسبی داخل لوله وابسته است راست شود. حرکت ناشی از انتهای آزاد از طریق یک مکانیسم عقربه ای که روی وجه جلويي ابزار اندازه گيري را مي چرخاند. اندازه اين چرخش عقربه درجه بندي مي شود تا فشار نسبي خوانده شود.

اگر فشاري كه بايد اندازه گيري شود در حال تغییر نسبتا سريع باشد از بلور پیزوالکتریک به عنوان آشکارساز استفاده می شود. این آشكارساز وقتی که تحت فشار قرار گیرد تولید ولتاژ می کند. و با استفاده از اين ولتاژ مي توان فشار سيال را بدست آورد.

اندازه گیری فشار توسط فشار سنج های لوله بوردن (Bourdon Tube)

 برودن نام دانشمندی است که این وسیله را اختراع کرد. جنس لوله های برودن بیشتر از برنز ، برنج ، آلیاژهای مس فولاد ضد زنگ و یا نیکل سخت می باشد. [3و2] خاصیت فیزیکی ای که در این روش اندازه گیری به کار برده شده است استفاده از ویژگی ارتجایی مواد در برابر فشار است. به شکل های مختلف ساخته می شود:

·        لوله ی C شکل (C-Tube): یک لوله با انتهای بسته است که زاویه ای در حدود 250 درجه دارد و زمانی که به آن فشار وارد می شود ، در اثر اختلاف اندازه ی محیط بیرونی و درونی ، تمایل به راست شدن پیدا می کند. تغییر وضعیت لوله متناسب با فشار مورد اندازه گیری است. [2] باز و جمع شدن لوله بین 25/0 تا 4/0 اینچ می باشد و اگر بیشتر از این مقدار باز شود ، فنریت خود را از دست خواهد داد. [3]

 

·        لوله ی فانوسی (Bellows Tube): دم یا فانوس ، ساختمانی شبیه به دم آهنگری دارد. رابطه ی فشار و جابجایی خطی است و حوزه ی جابجایی آن در حدود 5 تا 10 در صد کل طول آن می باشد و به طور معمول برای اندازه گیری فشار نسبی از آن استفاده می شود. [2]

·        لوله ی حلقوی (Helical Tube): نواری تو خالی که دارای یک گام طولی است و در اثر فشار تغییر شکل می دهد.

·        لوله ی حلزونی (Spiral Tube): به صورت لوله ای که به دور خود چرخیده باشد است و حرکت آن نسبت به فشار در مقایسه با لوله یC  شکل بیشتر است.

·        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. [2]

·        کپسول (Capsule): ترکیبی از دو دیافراگم است مه از ناحیه ی لبه ها به یکدیگر جوش داده شده اند و نسبت به دیافراگم دقت بیشتری دارد. [2]

3-1-1-      اندازه گیرهای الکتریکی فشار (Electrical Pressure Measurement)

برای جلوگیری از استفاده ی قطعات و اجزای اضافی و افزایش هزینه و جلوگیری از وارد شدن نویز و ایجاد خطا در سنجش فشار و تبدیل آن به کمیتی الکتریکی با دو روش گفته شده در قبل ، از روش های زیر نیز استفاده می گردد:

·        استرین گیج ها (Strain-Gages): معروف ترین اندازه گیر های الکتریکی فشار می باشند و معمولا برای اندازه گیری فشارهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع آن ها برای سنجش کرنش استفاده می شوند و می توان برای اندازه گیری فشارهای کم نیز از آن استفاده کرد. استرین گیج ها را معمولا از سیم هایی با جنس مس نیکل می سازند و به صورت زیکزاکی روی پلاستیک های مقاومی می چسبانند. ابعاد ان ها از چند میلی متر مربع تا چند سانتی متر مربع است و دارای مقاومتی از چند ده تا چند هزارم اهم می باشند. برای جلو گیری از اثر تغییرات درجه حرارت ، معمولا استرین گیج کمکی در جهت عمود بر استرین گیج اصلی و در نزدیکی آن قرار می دهند. [2]

·        اندازه گیری های ظرفیتی فشار (Capacitive Pressure Measurement): در این نوع اندازه گیری ، اغلب فشار مورد اندازه گیری به جابجایی و تغییر فاصله ی جوشن ها تبدیل می شود و در این صورت ، تغییر ظرفیت خازن حاصل می شود. تغییر ظرفیت نیز معمولا توسط  یک پل  AC  و یا یک مدار اسیلاتور  تبدیل به  ولتاژ یا فرکانسی متناسب  با فشار می گردد. [2]

·        اندازه گیری های پیزوالکتریکی فشار (Piezoelectrical Pressure Measurement): عناصر پیزوالکتریک ، عناصری با قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بر عکس می باشند. هر گاه یک عنصر پیزوالکتریک مانند یک کوارتز تحت فشار P قرار گیرد ، میلی ولت متر ولتاژی متناسب با فشار را نشان خواهد داد. در عناصر پیزوالکتریک ، پلاریته ی تولید شده متناسب با جهت فشار است. [2]

 

 

چرا در بارومتر و مانومتر از جيوه استفاده ميشود ؟

اگر به جاي جيوه از مايعات ديگري استفاده شود چون چگالي ساير مايعات از جيوه خيلي كمترند ، بايد لوله هاي شيشه اي با ارتفاع بسيار زياد انتخاب شود . براي نمونه اگر در بارومتر از آب استفاده شود بايد ارتفاع لوله شيشه اي بيش از 10 متر باشد . از طرفي چون فشار بخار جيوه بسيار كم است ، بالاي ستون جيوه در لوله شيشه اي را مي توان خلاء تقريبا كامل در نظر گرفت . اما مايعات ديگر فشار بخار به نسبت زيادي دارند كه بر روي تعيين فشار گاز اثر مي گذارد .

 

 

 

روتامتر

در جریان سنج ها یی که تاکنون مورد بحث قرار گرفت قسمت اولیه هیچ بخش متحرکی نداشت. سطح انقباض ثابت بوده و افت فشار با تغییر دبی تغییر می کرد در روتامتر نشان داده شده در شکل زیر افت فشار ثابت نگه داشته می شود و سطح انقباض با تغییر دبی تغییر می کند یک قطعه شناور به طور ازاد در لوله با شطح مقطع  غیر یکنواخت به بالا و پایین حرکت می کند. هنگامی که نیروی رو بالای سیال جاری دقیقا با وزن در مایع برابر می شود  شناور ساکن باقی می ماند  این لوله به منظور اندازه گیری سرعت جریان در نقاط مختلف ان درجه بندی شده اشت. با افزایش دبی سیال شناور بطرف موضع بالا تری حرکت می کند. 

سرعت شنج ها نوع دیگری از جریان سنج های مکانیکی متداول می باشند که غالبا از یک محفظه غیر مغناطیسی یک گردنده و یک گیرنده الکترو مغناطیس تشکیل شده اند. گردنده از یک پروانه یا تور بینی که به طور ازاد و بر روی بلبرینگ ها به صورتی قرار گرفته باشند که محور چرخش ان در مسیر  جریان بوده و با شدتی متناسب با دبی سیال به گردش در می اید. در نتیجه این گردش خطوط نیروی میدان الکتریکی ایجاد شده توسط سیم پیچ القا مجاور قطع می گردد پالس الکتریکی خارج شده از گیرنده سیم پیچ القا تقویت شده و به دستگاه های ثبات منتقل می شود تا بدین وسیله جریان کل یا دبی سیال بدست اید.

ونتوري  

براي اندازه گيري دبي در لوله بكار مي رود. اين سيستم متشكل از بخش هاي زير است:

1-بخش بالا دست جريان كه قطر آن برابر قطر لوله هاست. 

2-يك قسمت مخروطي همگرا

3-يك گلوگاه استوانه اي

4- يك قسمت مخروطي با واگرايي تدريجي كه نهايتا اندازه آن برابر قطر لوله مي شود

5-بخش پايين دست جريان كه قطر آن برابر قطر لوله است

6-مانومتر ديفرانسيلي كه يك سر آن به بخش بالا دست و يك سر آن به به گلوگاه متصل است.اندازه لوله ونتوري متر با قطر لوله وگلوگاه مشخص مي شود.براي بدست آوردن نتيجه دقيق بايد طول ونتوري متر حداقل 10 برابر قطر لوله باشد. 

سطح داخلي لوله ونتوري صاف وصيقلي واز فلز مقاوم ساخته شده.در ونتوري مقدار بسيار زيادي از افت فشار  نسبت به اوريفيس ها قابل جبران و بازيافت است. ورود وخروج تدريجي سيال درون ونتوري اساسا مانع از جدا شدن لايه مرزي مي شود.بنابراين پيدايش گرداب هاي كوچك وكشش به حداقل مي رسد.

جسم مخروطي شكل (V_Cone)

یک جسم مخروطي مانع كه بعنوان اصلاح كننده جريان منقطع بكار ميرود، براي محاسبه ي سرعت جريان با اندازه گيري اختلاف فشار در مركزلوله نصب شده است و با استفاده از اندازه گیری اختلاف فشار و نیز میزان انحراف جسم  از راستای مستقیم می توان سرعت سیال در لوله را حساب کرد. 

** در آخر اگر مطلب کامل را که همراه با تصاویر دستگاهها هست خواستید می تونیدبه آدرس زیر میل بزنید **

 

 



ارسال توسط سید علی حسینی

پیج رنک

آرایش

طراحی سایت