مانومتر ــ اصول کار و ساختار

مانومتر که به آن مانومتر ستون مایع نیز می‌گویند، برای اندازه‌گیری فشار مقادیر پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. می‌توان گفت مانومتر یکی از ساده‌ترین و حتی دقیق‌ترین انواع سنسورهای فشار به حساب می‌آید. این نوع سنسور فشار معمولا برای فشارهای در بازه 2kg/ cm2 یا به عبارت دیگر 0.2MPa کاربرد دارند. مانومترها انواع مختلفی دارند، اما مهم‌ترین نوع آن‌ها دو نوع لوله U و نوع چاه یا مخزنی (well) هستند. خود این دو نوع نیز دارای ورژن‌های مختلف مانند پایه توسعه‌یافته (enlarged leg)، لوله مورب (inclined tube) و … هستند. مانومتر تعادل حلقه (ring-balance) نیز نوع دیگری از مانومترهای تجاری است.  در مطالب قبلی وبلاگ تجهیزات پنوماتیک و سنسور فشار دیافراگمی را بررسی کردیم. در این مطلب از مجله پریسماتک قصد داریم به بررسی اصول کار و ساختار فشارسنج‌های مانومتر بپردازیم.

انواع مانومتر

همان طور که در بالا بیان کردیم، مانومتر انواع مختلفی دارد که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

مانومتر لوله U

در تصویر زیر یک نوع مانومتر لوله U ساده نشان داده شده است.

مقدار فشار تفاضلی در مانومتر را می‌توان با فرمول زیر محاسبه کرد.

p₁ – p₂ = gh(ρ_m – ρ_l)

در این رابطه ρ_m برابر با چگالی سیال مانومتریک و ρ_l برابر با چگالی سیال در مانومتر و h اختلاف ارتفاع دو ستون مایع است. برای اندازه‌گیری فشار در گازها، مقدار فشار p2 برابر با فشار اتمسفر و p1 برابر با فشار گاز در نظر گرفته می‌شود. همچنین همواره داریم: ρ_l << ρ_m . برای جلوگیری از هر گونه مشکلات احتمالی از قبیل انفجار، ترکیب و جذب شدن باید در مانومترهای با کاربرد عمومی یک مایع جداکننده یا آبند (seal) بین مایع مانومتر و مایع فرایند وجود داشته باشد. محفظه‌های جداکننده (Seal pots) با قطرهای بزرگ نیز به منظور اجتناب از محاسبات بیشتر و نیز افزایش بازه مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از چنین مانومترهایی در تصویر زیر نشان داده شده است.

در مانومتر تصویر فوق، در حالت تعادل همان معادله بالا در مورد آن صادق است. بنابراین زمانی که تغییر در سطح مایع در محفظه جداکننده قابل صرف نظر باشد رابطه p1 – p2 = gh(ρ_m – ρ_l) برقرار است.

مانومترهای چاه یا مخزنی

در مانومتر نوع چاه یا مخزنی که در تصویر زیر نشان داده شده است، یکی از پایه های لوله U با یک مخزن بزرگ جایگزین شده است تا مقدار تغییرات در سطح مایع داخل مخزن قابل صرف نظر باشد و به جای اندازه‌گیری اختلاف ارتفاع، فقط یک ارتفاع در پایه باقی‌مانده از لوله را اندازه می‌گیریم.

اگر مانند تصویر فوق، α₁ و α₂ به ترتیب سطح مقطع مخزن و لوله و Δh میزان تغییر در ارتفاع مایع داخل مخزن ناشی از اختلاف فشار باشد، آن‌گاه در حالت تعادل، رابطه زیر برقرار است:

p₁ – p₂ = ρ_mh(1 + α₂/α₁)

رابطه فوق برای α₂<< α₁، به صورت زیر تبدیل می‌شود:

p₁ – p₂ = ρ_mh

مانومترهای پایه توسعه‌یافته

مانومتر پایه توسعه‌یافته نوع دیگری از مانومترها است که در تصویر زیر نشان داده شده است.

در این نوع مانومتر، α نسبت به α₁ قابل صرف نظر نیست. این مانومتر دارای یک شناور در پایه توسعه‌یافته است که برای نمایش یا ضبط مقادیر مورد استفاده قرار می‌گیرد. دو پایه توسط یک تیوب جداشدنی به همدیگر متصل شده‌اند و هر کدام از پایه‌ها می‌توانند برای تغییر بازه اندازه‌گیری، تغییر داده شوند. معادله فشار تفاضلی برابر با p₁ – p₂ = ρ_mh(1 + α₂/α₁) است.

مانومترهای لوله مورب

مانومتر لوله مورب نوع دیگر مانومترها است که در تصویر زیر نشان داده شده است.

مانومتر لوله مورب همانند مانومتر لوله توسعه‌یافته است با این تفاوت که پایه اندازه‌گیری با زاویه β به پایه توسعه‌یافته متصل شده است. هدف از انجام این کار افزایش بازه اندازه‌گیری و در نتیجه افزایش حساسیت دستگاه است. مقدار فشار تفاضلی از فرمول زیر به دست می‌آید:

p₁ – p₂ = ρ_mh cosβ (1 + α₂/α₁)

در رابطه فوق، فاکتور cosβ موجب افزایش بازه فشارسنج می‌شود. اگر β خیلی بزرگ باشد، h افزایش می‌یابد، چنان که مقدار h cosβ ثابت باقی بماند. 

میکرومانومتر

میکرومانومتر (micromanometer) نوع دیگری از مانومترهای ستون مایع هستند که پایه کار آن‌ها بر اساس اصول مانومتر لوله مورب است. معمولا این نوع مانومترها برای اندازه گیری مقادیر فشار تفاضلی بسیار کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از میکرومانومتر در تصویر زیر نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر نیز مشاهده می‌شود، قوس لوله مورب در یک سطح مرجع قرار دارد و مکان آن با یک خط مویی که از طریق ذره‌بین خوانده می‌شود، ثابت می‌شود. این کار برای p₁ = p₂ انجام می‌شود. برای تنظیم، باید مخزن از طریق یک میکرومتر به بالا و پایین حرکت داده شود. اگر p_{1 ≠} p₂ باشد، آن‌گاه با بالا و پایین بردن مخزن، تغییر در موقعیت قوس به صفر بازگردانده می‌شود. مقدار تفاوت بین این دو خواندن، بیانگر اختلاف فشار بر حسب ارتفاع است. این ابزار می‌تواند دارای رزولوشن از مرتبه ^4- 10 * 40 kg/cm ²  باشد.

تمام مانومترهای فوق، به عنوان یک ابزار سنجش استاتیک نشان داده شده‌اند. تقریبا می‌توان از دینامیک آن‌ها صرف نظر کرد. با در نظر گرفتن سیال مانومتر به عنوان یک جسم آزاد، نیروهای وارد بر آن عبارتند از:

1. وزن توزیع‌شده بر تمام سیال
2. نیروی درگ ناشی از حرکت سیال و تنش برشی (shearing stress) مخزن متناظر با آن
3. نیروی ناشی از فشار تفاضلی p = p₁ – p₂
4. نیروی فشار تیوب نرمال به سیال
5. نیروی کشش سطحی در دو انتها

ممکن است تمام این نیروها را در نظر گرفت و برای به دست آوردن تابع انتقال بین اختلاف ارتفاع در دو ستون مایع و p با هم ترکیب کرد. نتیجه به صورت زیر خواهد بود:

h(s) / p(s) = l / (2ω) / [ s² / (3g / 2L) + 2s * 2μL / (R²w) + 1 ]

 در رابطه فوق، w وزن مخوص سیال، g شتاب گرانش، L طول لوله پوشانده شده توسط سیال، μ ضریب درگ ویسکوزیته و R شعاع لوله است. فرکانس طبیعی نوسان ضریب میرایی به ترتیب برابر با ω_n = (3g/2L)^1/2 و ζ = 2.45 μ (gL)^1/2/R²w هستند. در این تحلیل فرض شده است که جرم موثر سیال متحرک برابر با ۴/۳ جرم واقعی آن است که در مطالعه انرژی جنبشی فلو آرام پایدار برای مایعات جسم آزاد به دست آمده است. معادله فوق معمولا برای طراحی مانومتر و عملکرد بهینه آن با انتخاب مقادیر پارامترهای مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مانومتر تعادل حلقه

اگرچه مانومتر تعادل حلقه را نمی‌توان حقیقتا یک مانومتر دانست، اما معمولا آن را در طبقه‌بندی مانومترها قرار می‌دهند. دیاگرام مانومتر تعادل حلقه در تصویر زیر نشان داده شده است.

یک تیوب که معمولا از جنس پلی اتیلن یا سایر مواد سبک و شفاف است، به شکل یک حلقه خم می‌‌شود. این حلقه در مرکز توسط یک لولا ساپورت می‌شود. محفظه لوله‌مانند توسط یک شکاف به دو قسمت تقسیم شده و با یک مایع سبک و مناسب مانند روغن پارافین یا نفت سفید پر می‌شود تا آب‌بندی و ایزولاسیون دو فشار انجام شود. تپ‌های فشار از دو لوله منعطف ساخته می‌شوند. فشارهای P₁ و P₂ خلاف جهت دیواره‌های شکاف عمل می‌کنند و حلقه که با وزن W در تعادل است را می‌چرخانند. اگر سطح مقطع عرضی برابر با α و قطر حلقه d باشد و وزن wدر فاصله R از لولا قرار داشته باشد، آن‌گاه معادله زیر برقرار است:

p₁ – p₂ = 2wR sin φ/(αd)

این واقعیت که مایع به عنوان یک قشر جداکننده فشار عمل می‌کند، باعث می‌شود که معادله مستقل از چگالی آن باشد. در میان سیالات مانومتریک مختلف، جیوه مزایای زیادی از جمله فشار تبخیر پایین، طبیعت غیرچسبنده و بازه دمایی گسترده (از 20- درجه تا 350 درجه سانتی‌گراد) دارد. البته چگالی بالای جیوه برای اندازه‌گیری فشارهای تفاضلی پایین و نیز قیمت بالای آن یک عیب محسوب می‌شود. سایر مایعات مانند آب، نفت سفید، الکل اتیلیک و بنزن نیز گاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما فشار تبخیر بالا و نیز ضریب انبساط بالا، آن‌ها را برای استفاده در بسیاری از کاربردها نامناسب می‌سازد.

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

فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده

کالیبراسیون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری

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

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

منبع