فشار را می توان به عنوان نیروی اعمال شده به یک سطح توصیف کرد. سیستم های مختلفی برای اندازه گیری فشار وجود دارد که دو مورد از رایج ترین آنها فشار مطلق و فشار گیج می باشد. تفاوت های زیادی بین این دو نوع سیستم اندازه گیری فشار وجود دارد که تأثیرات قابل توجهی در استفاده و اندازه گیری با آنها دارد. بسته به اینکه چرا فشار را اندازه می‌گیرید، تعیین اینکه آیا به فشار گیج یا فشار مرجع مطلق نیاز دارید، به اندازه انتخاب محدوده فشار، به ویژه برای فشار پایین، مهم است. اگر اشتباه متوجه شوید، این موضوع می تواند خطاهای بزرگی در اندازه گیری های شما ایجاد کند.
ساده ترین راه برای توضیح تفاوت بین این دو این است که فشار مطلق از صفر مطلق به عنوان نقطه صفر استفاده می کند، در حالی که فشار گیج از فشار اتمسفر به عنوان نقطه صفر استفاده می کند. به دلیل فشار اتمسفر متغیر، اندازه گیری فشار گیج دقیق نیست، در حالی که فشار مطلق همیشه قطعی است.
فشار گیج
رایج ترین مرجع فشار، فشار گیج است که با یک “g” بعد از واحد فشار به عنوان مثال 30 psig نشان داده می شود. فشار گیج بر حسب فشار اتمسفر محیط اندازه گیری می شود. تغییرات فشار اتمسفر به دلیل شرایط آب و هوایی یا ارتفاع به طور مستقیم بر خروجی سنسور فشار گیج تأثیر می گذارد. فشار گیج بالاتر از فشار محیط به عنوان فشار مثبت شناخته می شود. اگر فشار اندازه گیری شده کمتر از فشار اتمسفر باشد به آن فشار منفی یا فشار گیج خلاء می گویند.
سنسورهای فشار گیج معمولاً فقط یک پورت فشار دارند. فشار هوای محیط از طریق یک سوراخ هواکشی (ونتد -Vented) یا یک لوله هواکش به پشت عنصر حسگر هدایت می شود. یک ترانسمیتر فشار گیج ونتد اجازه می دهد تا فشار هوای بیرون در معرض سمت منفی دیافراگم حسگر فشار قرار گیرد تا همیشه با توجه به فشار هوای محیط اندازه گیری شود. بنابراین، یک سنسور فشار گیج ونتد، فشار صفر را هنگامی که اتصال فشار فرآیند به هوای اتمسفر باز نگه داشته می شود، می خواند.
مرجع فشار سیلد گیج (sealed gauge) بسیار مشابه است با این تفاوت که فشار اتمسفر در سمت منفی دیافراگم مهر و موم یا سیلد شده است.
این نوع سیستم اندازه گیری فشار مرجع معمولاً در کاربردهای فشار بالا مانند اندازه‌گیری فشارهای هیدرولیکی که تغییرات فشار اتمسفر تنها تأثیر کمی بر دقت سنسور خواهد داشت، استفاده می‌شود.
تعریف فشار سیلد گیج (sealed-gauge pressure) فشاری است که از طریق یک دستگاه مهر و موم شده که در آن نقطه صفر تنظیم شده است اندازه گیری می شود. این نقطه تنظیم هر فشاری است که داخل دستگاه قبل از آب بندی بوده است که سازنده دستگاه اندازه گیری فشار سیل شده تصمیم می گیرد.
فشار ابسلوت (مطلق)
فشار ابسلوت، فشار عدم وجود ماده در یک فضا یا خلاء کامل است. اندازه گیری های انجام شده در فشار مطلق از این صفر مطلق به عنوان نقطه مرجع استفاده می کنند. بهترین مثال از فشار مرجع مطلق، اندازه گیری فشار بارومتری (اندازه گیری فشار هوا) است.
به منظور تولید یک سنسور فشار مطلق، سازنده خلاء بالایی را در پشت دیافراگم حسگر مهر و موم می کند. بنابراین، اگر اتصال فشار فرآیند یک فرستنده فشار مطلق به هوا را باز نگه دارید، فشار بارومتریک واقعی را می‌خواند.
بنابراین چگونه می دانید چه زمانی فشار مطلق را اندازه گیری کنید یا چه زمانی فشار گیج را اندازه گیری کنید؟
جواب سوال ساده نیست، اما به طور کلی اگر می‌خواهید فشاری را که تحت تأثیر تغییرات فشار اتمسفر است، اندازه‌گیری یا کنترل کنید، مانند سطح مایع در یک مخزن باز. شما فشار سیلد گیج را باید انتخاب کنید زیرا نیاز دارید خوانش فشار منفی فشار اتمسفر را داشته باشید.
اگر می خواهید فشارهایی را اندازه گیری کنید که تحت تأثیر تغییرات فشار اتمسفر نیستند، به عنوان مثال آزمایش نشتی یک ظرف غیر قابل انعطاف کاملاً مهر و موم شده، از یک سنسور فشار مطلق استفاده می کنید. اگر به جای آن از یک سنسور فشار گیج برای اندازه گیری فشار ظرف استفاده می شد و فشار هوا تغییر می کرد، با وجود اینکه فشار در ظرف ثابت می ماند، قرائت سنسور تغییر می کرد.
فشارهای مطلق، گیج، خلاء و اتمسفر
فشار مطلق – فشار واقعی در یک موقعیت معین فشار مطلق نامیده می شود و نسبت به خلاء مطلق (یعنی فشار صفر مطلق) اندازه گیری می شود.
فشار گیج – فشار گیج، فشار نسبت به فشار اتمسفر است. به عبارت دیگر، فشار نسبت به فشار اتمسفر چقدر بالاتر یا پایین تر است.
فشار خلاء – فشارهای زیر فشار اتمسفر، فشار خلاء نامیده می شود و توسط گیج های خلاء اندازه گیری می شود که تفاوت بین فشار اتمسفر و فشار مطلق را نشان می دهد.
فشار اتمسفر – فشار اتمسفر فشاری است که یک ناحیه به دلیل نیروی وارد شده توسط جو تجربه می کند.
- ۱ اتمسفر = ۳۳.۹۱ فوت آب = ۱۰.۳۴ متر آب = ۱۴.۶۹۶ پوند بر اینچ مربع = ۲۹.۹۲۱ اینچ جیوه = ۷۶۰ میلی متر جیوه = ۱۰۱.۳ کیلوپاسکال = ۱.۰۱۳ بار
- ۰ فشار مطلق = ۱ اتمسفر خلاء = -۱ فشار گیج اتمسفر
- فشار اتمسفر = ۰ خلاء = ۰ خلاء = ۰ فشار گیج
- ۱۰.۶۹۶ پوند بر اینچ = ۴ پوند بر اینچ مربع خلاء= -۴ پوند بر اینچ مربع فشار گیچ
فشار مطلق در مقابل فشار گیج
در سنسورهای فشار مطلق، بخش داخلی سنسور که با مایع یا گاز تماس ندارد، به‌صورت کامل تخلیه (خلأ) می‌شود و سپس کاملاً مهر و موم می‌گردد. به همین دلیل، تغییر شکل دیافراگم فقط نسبت به این خلأ ثابت اندازه‌گیری می‌شود و فشار هوای اطراف روی نتیجه اندازه‌گیری اثری ندارد.
سنسورهای فشار الکترونیکی معمولاً با اندازه‌گیری تغییر شکل دیافراگم، فشار را تشخیص می‌دهند. اگر یک طرف دیافراگم در معرض فشار فرآیند قرار گیرد و طرف دیگر آن به‌صورت «تهویه‌شده» در تماس با فشار محیط باشد، فشار محیط باعث کاهش میزان تغییر شکل دیافراگم می‌شود. بنابراین، خروجی سنسور در واقع اختلاف فشار بین فشار فرآیند و فشار محیط را نشان می‌دهد.
توصیه می‌شود برای هر کاربرد، از نوع مناسب سنسور فشار ← استفاده شود. برای مثال، در مخازن بدون فشار که مایعات در آنها ذخیره می‌شوند و بالای مایع به‌صورت آزادانه به جو باز است، سطح مایع را می‌توان با استفاده از یک سنسور فشار گیج تهویه دار که مشابه خود مخزن به جو وصل است، به‌صورت غیرمستقیم از فشار هیدرواستاتیک ستون مایع اندازه‌گیری کرد.
به‌ویژه در مخازن و ظروف کوچک، بسیار مهم است که سنسور و مخزن هر دو به‌طور مشترک به جو تهویه شوند تا اثر فشار محیط بر اندازه‌گیری حذف شود؛ در غیر این صورت، حتی با وجود سطح ثابت مایع، مقدار سطح محاسبه‌شده در مخزن به‌دلیل تغییرات فشار محیط نوسان خواهد داشت. این نوسانات ممکن است بسته به شرایط آب‌وهوایی تا ±۳۰ میلی‌بار و بسته به موقعیت جغرافیایی (مثلاً اختلاف فشار بین سطح دریا و ارتفاع ۲۰۰۰ متری) تا ۲۰۰ میلی‌بار برسد.
سنسور فشار گیج و مخزن روباز
سطحی معادل ۵ متر آب در یک مخزن باز، فشار هیدرواستاتیکی برابر با ۵۰۰ میلی‌بار ایجاد می‌کند. بنابراین، اگر مقدار آب در مخزن تغییری نکند، ولی از سنسور فشار مطلق استفاده شود، سطح اندازه‌گیری‌شده ممکن است بسته به شرایط آب‌وهوایی بین ۴.۷ تا ۵.۳ متر متغیر باشد. از آنجا که حجم مخزن معمولاً از طریق هندسه مخزن و سطح اندازه‌گیری‌شده محاسبه می‌شود، این اختلاف می‌تواند منجر به خطای قابل‌توجهی در محاسبه مقدار موجودی مخزن شود.
سنسور فشار مطلق و واترجت
در مقابل، در برخی کاربردهای دیگر مانند برش با واترجت، تغییرات فشار محیط تأثیر چشم‌گیری بر دقت اندازه‌گیری ندارد، زیرا فشار فرآیند در این روش به ۶۰۰۰ بار می‌رسد و نوسانات فشار محیط در محدوده ±۲۳۰ میلی‌بار، باعث خطایی بسیار ناچیز در اندازه‌گیری می‌شود (۰.۰۰۳۸۳٪). به دلیل خطر بالای نفوذ آب، توصیه می‌شود در این شرایط از محفظه‌ی غیر تهویه‌شده استفاده شود تا امکان ورود آب یا ذرات از طریق منفذ تهویه حذف شود. بنابراین، در چنین مواردی استفاده از سنسور فشار گیج بدون تهویه بهترین انتخاب است.
