ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده

ابزار دقیق پنوماتیک (pneumatic) از مکانیزم‌های ساده اما بسیار حساس مکانیکی بهره می‌برند تا حرکت مکانیکی را به فشار هوای متغیر تبدیل کنند. در این مقاله از وبلاگ پریسماتک به بررسی ساختار و اصول کاری ابزار دقیق پنوماتیک می‌پردازیم.

ابزار دقیق پنوماتیک

معمولا تمام ابزار دقیق پنوماتیک شامل دو قسمت هستند که به آن‌ها بافل و نازل (baffle and nozzle) می‌گویند. یک بافل یا موج‌گیر در واقع چیزی به جز یک شی مسطح نیست که مسیر هوای خروجی از نازل یا شیپوره را سد می‌کند. در تصویر زیر نمایی از ساختار یک سنسور پنوماتیک به همراه قسمت های بافل و نازل نشان داده شده است.

فاصله فیزیکی بین بافل و نازل مقدار مقاومت جریان هوای درون نازل را تغییر می‌دهد. این تغییر به نوبه خود باعث تاثیر بر فشار هوای انباشت‌شده درون نازل می‌شود که به آن فشار معکوس (backpressure) نازل هم می‌گویند. مانند مدار مقسم ولتاژ که از یک مقاومت ثابت و یک مقاومت متغیر ساخته شده است، مکانیزم بافل/نازل هم فشار منبع پنوماتیک را به یک مقدار پایین‌تر تبدیل می‌کند. این تقسیم بر اساس نسبت محدودیت بین نازل و اوریفیس (orifice) است.

این ساختار نسبتا ساده به صورت اعجاب‌آوری حساس است. با استفاده از یک اوریفیس که به اندازه کافی کوچک باشد، حرکتی به اندازه چند هزارم اینچ کافی است تا مقدار خروجی ابزار پنوماتیک تغییر کند. ترانسمیترهای پنوماتیک معمولا از یک اهرم صفحه آهنی به عنوان بافل استفاده می‌کنند. حرکات بسیار جزئی منتقل شده به این بافل از طریق تغییر در متغیر فرایند (دما، فلو، سطح، فشار و …) توسط یک ابزار اندازه‌گیر تشخیص داده می‌شود و موجب می‌شود که فشار هوا نیز در عوض تغییر کند.

قاعده پشت عملکرد مکانیزم بافل نازل معمولا به صورت مستقیم در کارهای کنترل کیفیت و برای چک کردن ابعاد مناسب اجزای فلزی ماشین‌کاری شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال کنترل قطر شفت زیر را در نظر بگیرید. در این دستگاه از هوا برای تعیین این‌که آیا شفت ماشین‌شده دارای ابعاد مناسب بعد از تولید است یا خیر استفاده می‌شود.

در مثال فوق، اگر قطر شفت بسیار کوچک باشد، روزنه بین شفت و دستگاه تست جیگ (jig) بزرگ می‌شود و مقدار فشار هوا اعمالی بر گیج (gauge) کم می‌شود. برعکس، اگر قطر شفت بسیار بزرگ باشد، روزنه کوچک‌تر می‌شود و فشار هوا بر گیج بیشتر می‌شود. در حالت دوم جریان هوا توسط روزنه کوچک شده سد می‌شود. توجه کنید که مقدار دقیق فشار هیچ عواقب مستقیمی برای اپراتور کنترل کیفیتی که گیج را می‌خواند، ندارد. چیزی که اهمیت دارد این است که فشار در یک بازه قابل قبول قرار داشته باشد. این فشار نشان‌دهنده تلرانس مناسب برای سازنده شفت است. در حقیقت، درست مانند گیج‌های گیرنده ۳ تا ۱۵ PSI که به عنوان نشانگرهای ابزار دقیق پنوماتیک به کار می‌روند، صفحه این گیج فشار ممکن است فاقد واحد فشار مانند KPa یا PSI باشد. اما شاید مانند تصویر زیر، توسط یک بازه رنگی نشان‌گذاری شده باشد که نشان دهنده محدوده مجاز برای دستگاه باشد.

این مثال نشانی از طبیعت آنالوگ سیگنال فشار پنوماتیک است. فشار وارد شده بر این گیج، نشان‌دهنده یک متغیر کاملا متفاوت است. در این مثال فشار نشان‌دهنده مناسب بودن شفت برای دستگاه جیگ است. اگرچه می‌توان یک ابزار دقیق پنوماتیک ساخت که فقط از مکانیزم بافل و نازل تشکیل شده باشد، اما این اتفاق به ندرت رخ می‌دهد. معمولا مکانیزم بافل و نازل فقط یکی از چندین جزء تشکیل‌دهنده مکانیزم متعادل یک ابزار دقیق پنوماتیک است.

اصول کار ابزار دقیق پنوماتیک خودمتعادل‌ساز (Self-balancing)

تعداد زیادی از ابزار دقیق‌ها از اصل تعادل برای اندازه‌گیری یک کمیت استفاده می‌کنند. یکی از ساده‌ترین مثال‌های ابزار دقیق مبتنی بر تعادل، ترازوهای دو کفه‌ای هستند که برای اندازه‌گیری وزن مورد استفاده قرار می‌گیرند. جسم با وزن ناملوم در یک کفه قرار می‌گیرد و آنقدر وزنه در کفه مقابل قرار می‌گیرد تا ترازو به تعادل برسد. پس از برقراری تعادل، وزن جسم برابر با وزن اجسام در کفه مقابل است. در این ترازوها هیچ نمایشگری برای نشان دادن وزن وجود ندارد. تنها چیزی که هست یک نشانگر است که شرایط برقراری تعادل را نشان می‌دهد.

به بیان دقیق‌تر می‌توان گفت که ترازو در واقع یک وسیله مقایسه جرم تفاضلی است که فقط باید در نقطه صفر دقیق باشد. در این نقطه ترازو نشان می‌دهد که اختلاف وزن صفر بین جسم مورد نظر و وزنه‌ها وجود دارد. ظرافت این مکانیزم به آن این امکان را می‌دهد تا دقت بالایی داشته باشد. اما محدودیت این مکانیزم زمانی است که بخواهیم وزن دقیق جسم را بدانیم. حال فرض کنید می‌خواهیم کار این ترازو را اتوماتیک کنیم. چگونه می‌خواهیم کاری کنیم که ترازو به تعادل برسد.

سنجش وزن با کمک ساختار پنوماتیک

برای اینکار ابتدا به مکانیزمی نیاز داریم که نشان دهد چه زمانی ترازو از تعادل خارج شده است. همچنین به یک مکانیزم دیگر نیاز است تا هنگام خروج از شرایط تعادل، نیرویی به کفه دیگر ترازو وارد کند. مکانیزم بافل نازلی که قبلا توضیح دادیم به خوبی می‌تواند کار تشخیص خروج از شرایط تعادل را انجام دهد. برای این کار به سادگی یک بافل را به انتهای نشانگر ترازو و یک نازل را نزدیک بافل به موقعیت صفر متصل می‌کنیم. در تصویر زیر نمایی از این ساختار نشان داده شده است.

حال ما ابزاری برای نشان دادن شرایط تعادل داریم، اما هنوز به اتوماسیون کامل فرایند نرسیده ایم. ترازو هنوز نمی‌تواند خود را متعادل کند. حال تصور کنید به جای استفاده از وزنه‌ها در کفه مقابل ترازو، از یک مولد نیرو استفاده کینم که به صورت پنوماتیکی تحریک می‌شود و توسط فشار معکوس نازل اعمال می‌شود. مثالی از چنین مولد نیرویی، دستگاه دمنده‌ (bellows) است. ساختار دمنده در تصویر زیر نشان داده شده است. این دستگاه از یک صفحه فلزی نازک ساخته شده است و در آن ساختار کرکره‌ای (corrugations) دایره‌ای وجود دارد که شبیه آکاردئون است. فشار پنوماتیک اعمال شده روی قسمت داخلی دمنده، منجر به کشیده شدن آن می‌شود. مقدار نیروی وارد شده بر دمنده برابر است با حاصل ضرب فشار هوا در سطح مقطح قسمت انتهایی. 

اگر انبساط دمنده به صورت خارجی محدود شده باشد و نتواند بیش از حد کشیده شود، در نتیجه فلز هیچ وقت آن قدر کشیده نمی‌شود تا مانند فنر محدودکننده عمل کند. در این حالت نیروی اعمال شده توسط دمنده روی شی محدودکننده دقیقا برابر با فشار پنوماتیک ضربدر سطح مقطح قسمت انتهایی دمنده خواهد بود.

افزودن دمنده به ترازو

حال می‌خواهیم مفهوم فوق را به مسئله اتوماسیون ترازو اعمال کنیم. تصور کنید که یک دمنده را در کفه ترازو قرار دهیم تا به کفه فشار وارد کند، سپس دمنده را با فشار معکوس نازل متصل کنیم. این اتصالات در تصویر زیر نشان داده شده‌اند.

حال ترازو خودمتعادل شده است. هنگامی که جسمی را روی کفه سمت چپ ترازو قرار دهیم، بافل به آرامی به سمت نازل حرکت می‌کند تا فشار معکوس کافی پشت نازل ایجاد شود. سپس دمنده نیروی برابر و در خلاف جهت برای برقراری مجدد تعادل اعمال می‌کند. این عمل متعادل کردن تماما اتوماتیک است. فشار معکوس نازل به مقدار لازم برای برگردان نشانگر به نقطه تعادل تنظیم می‌شود. همچنین فشار اعمال شده بر دمنده به مقداری است که سیستم را نقطه تعادل نگه دارد.

در واقع سیستمی که در بالا شرح داده شد، یک سیستم فیدبک منفی است که خروجی سیستم (فشار معکوس نازل) به صورت پیوسته برای تطابق با ورودی (وزن جسم مورد نظر) تنظیم می‌شود. این سیستم عملکرد بسیار خوبی دارد، اما اگر بخواهیم وزن دقیق جسم را تعیین کنیم باید چکار کنیم؟ تمام کاری که تا به حال انجام داده‌ایم این بوده است که ترازو را اتوماتیک کرده‌ایم. در گام بعدی می‌خواهیم نیروی متعادل‌کننده را برای اپراتور انسانی قابل خواندن کنیم.

افزودن گیج فشار به ترازو

در سیستم فوق، ما توانستیم با استفاده از سیستم بافل و نازل و مکانیزم دمنده نیاز به وزنه فیزیکی را کنار گذاشته و فشار هوا را جایگزین آن کردیم. در واقع در این ترازو وزن جسم به یک فشار هوای متناسب ترجمه و تبدیل می‌شود. فشار هوا نقش همان وزنه‌های سنتی را ایفا می‌کند. حال چیزی که نیاز داریم راهی است که فشار هوا را به وزن جسم تبدیل کنیم تا قابل خواندن برای اپراتور باشد. برای این کار، باید یک گیج فشار به این سیستم اضافه کنیم. گیج روی فشار هوا عمل می‌کند، اما حالا فشار هوا با وزن جسم متناسب است. به دلیل این تناسب، می‌توانیم صفحه گیج فشار را به جای PSI با واحد گرم یا انس لیبل بزنیم. در تصویر زیر اتصال گیج فشار به ترازو نشان داده شده است.

توجه به این نکته ضروری است که چگونه گیج فشار کار کاملا متفاوتی با همراهی فیدبک دمنده انجام می‌دهد. با داشتن فقط مکانیزم بافل نازل، گیج فشار نسبت به هرگونه حرکت در کفه‌های ترازو حساس می‌شود. اما فقط به عنوان یک نشانگر حساس به تعادل به کار می‌رود. با افزودن فیدبک دمنده، گیج فشار نشان می‌دهد که وزن جسم در کفه ترازو چقدر است. با افزودن اجسام بیشتر به کفه ترازو، نشانگر گیج نیز متناسبا افزایش می‌یابد. با کاهش وزن جسم نیز نشانگر گیج کاهش می‌یابد.

امکان سنجش وزن از فواصل دور

در گام دیگر می‌توان به این ترازو نشانگر از راه دور افزود. لزومی ندارد که گیج فشار حتما نزدیک به ترازو قرار داشته باشد. در این مقاله بررسی کردیم که چگونه با افزودن ابزار خودمتعادل‌ساز پنوماتیک به یک ترازو، آن را به ترانسمیتر وزن پنوماتیک تبدیل کنیم. این وسیله وزن جسم را به فرم پنوماتیک آنالوگ تبدیل می‌کند که از راه دور هم قابل خوانش است. این همان اصل اساسی تعادل نیرو است که در اکثر ترانسمیترهای صنعتی پنوماتیک برای تبدیل یک اندازه‌گیری به سیگنال پنوماتیک ۳ تا ۱۵ PSI به کار می‌رود.

این مثالی از کاربرد ابزار دقیق پنوماتیک برای سنجش وزن بود. ابزار دقیق پنوماتیک به دلیل ساختار ساده و مقاوم خود، در صنعت کاربردهای فراوانی دارند. در مطالب بعدی وبلاگ به بررسی سایر کاربردهای ابزار دقیق پنوماتیک می‌پردازیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

مانومتر ــ اصول کار و ساختار

کالیبراسیون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری

سنسور دمای غیرتماسی ــ از صفر تا صد

سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع