مبادي قياس الضغط Principles of Pressure Measurement

هذه المقالة من إعداد صديق الموقع Mohamed Rezk

مقدمة

 

تتطلب العمليات الصناعية وخاصة الكيميائية لكي تتم بشكل سليم أن يعمل النظام تحت ضغوط محددة. بالإضافة أن اعتبارات السلامة توجب مراقبة “قياس” ضغوط التشغيل والتحكم فيها لضمان عدم تجاوز الضغط المسموح للمعدات والخطوط . ولتحقيق هذه الأهداف، تعتمد الصناعة علي مجموعة متنوعة من الأجهزة لتوليد إشارة خرج Output Signal والتي تستخدم للقياس أو التحكم وتغيير الضغط .

ويمكن تعريف الضغط Pressure أنه القوة المؤثرة للمائع علي مساحة معينة ، ويمكن تمثيل ذلك بالعلاقة :

 

P = F/A

 

أنواع الضغوط

 

يختلف الضغط تبعا لارتفاعه فوق مستوي سطح البحر، أي أن قياس الضغط نسبي وبالتالي يوجد ضغط مقاس Gauge Pressure  و ضغط مطلق Absolute Pressure .

شكل رقم (1) : الفرق بين الأنواع المختلفة من الضغط

  1. الضغط المقاس Gauge Pressure  : هو الضغط المقاس بالنسبة للضغط الجوي (الضغط الفائض عن الضغط الجوي) في هذه الحالة تكون النقطة المرجعية Reference هي الضغط الجوي .
  2. الضغط المطلق Absolute Pressure : هو الضغط المقاس بالنسبة إلي الفراغ Vacuum  (انعدام الضغط تماما) وفي هذه الحالة تكون النقطة المرجعية هي الفراغ .

 

ومن ثم يكون :

الضغط المطلق  = الضغط الجوي + الضغط القياسي

Gauge Pressure = Absolute Pressure – Atmospheric pressure

 

شكل رقم (2) : الفرق بين الضغط المقاس والضغط المطلق

 

     3. ضغط الفراغ Vacuum : يسمي أحيانا بالضغط المقاس السالب Negative Gauge Pressure وهو الضغط المقاس بين الفراغ التام Total Vacuum وبين الضغط الجوي Atmospheric .

    4. فرق الضغط Differential Pressure : مشابه للضغط المقاس Gauge Pressure إلا أن الإشارة المرجعية هي ضغط نقطة أخري وليس الضغط الجوي المحيط .

 

شكل رقم (3) : مثال لحساب الضغط

مثال

يبين هذا الشكل أنواع  قياس الضغط مع ذكر مثال توضيحي ، فكما نلاحظ  في الشكل يتم قياس الضغط بوحدة بوصة زئبق inch Hg  ، وفي المنتصف خط يوضح الضغط الجوي ، أعلاه يمثل الضغط المقاس الموجب Positive Gauge Pressure ، وأسفله الضغط المقاس السالب Negative Gauge Pressure أو ما يسمي بالفراغ Vacuum .

**************

ولتوضيح ذلك يوجد مثال :
لحساب الضغط عند النقطة X الموضحة في الشكل ، يمكن ذكر ضغط النقطة بعدة طرق كلها صحيحة وتساوي بعضها .

الطريقة الأولي عن طريق الضغط المطلق Absolute Pressure 

وفي هذه الحالة ضغط هذه النقطة يساوي 10 بوصة زئبق وهو الضغط المقاس من ضغط الصفر المطلق إلي النقطة X .

 

والطريقة الثانية عن طريق الفراغ Vacuum 

وفي هذه الحالة النقطة المرجعية هي الضغط الجوي .. وبالتالي فان ضغط النقطة x  = القيمة المقاسة من الضغط الجوي وحتي هذه النقطة وتساوي  20 بوصة زئبق ولكن فراغ Vacuum ، ويمكن تحديد أنها Vacuum  عن طريق كما ذكرنا سابقا بوضع سالب . أي أن ضغط هذه النقطة = – 20 بوصة زئبق ضغط قياس .

**********************************

تحدثنا في الجزؤ السابق عن مقدمة لقياس الضغط وأهميته وأنواع قياس الضغط . و في هذا الجزء سنبدأ في الحديث عن عناصر الإستشعار الأساسية المستخدمة لقياس الضغط ( وهي العناصر المسؤولة عن ترجمة الضغط إلي حركة أو اشارة تتناسب مع قمة الضغط المطبق عليها) .

وقبل أن نبدأ لابد أن تعلم أن هذه العناصر تنقسم لقسمين رئيسيين :

أ‌)    العناصر المستخدمة للقياس في الأجهزة الهوائية Pneumatic  (التي تعتمد علي ضغط الهواء كإشارة خرج) .

ب) العناصر المستخدمة للقياس في الأجهزة الإلكترونية (إشارة الخرج عبارة عن تيار كهربي) .

 

سنتحدث في البداية عن العناصر المستخدمة في الأجهزة الهوائية وأولي هذه العناصر هي :

 

1- أنبوبة بوردون Bourdon Tube 

يعمل على مبدأ وجود أنبوبة منحنية علي شكل قوس غالبا ، يتغير شكلها بالتمدد أو الإنكماش تبعا لتغيرات الضغط الداخلي والخارجي المتعرضة له. حيث تكون أحد نهايتيه مفتوحة وهي التي تتعرض للضغط والنهاية الأخري مغلقة .

وبتطبيق ضغط من النهاية المفتوحة يتسبب في تمدد هذه القوس وتحركه حركة تتناسب مع قيمة الضغط المطبق عليه، ويعود الأنبوب إلى شكله الأصلي عند تحرير الضغط .

 

شكل رقم (4) : فكرة عمل أنبوبة بوردون Bourdon Tube

 

هناك ثلاثة أنواع شائعة من أنابيب بوردون :

  • ذو الشكل C : وتستخدم أنابيب بوردون من نوع C لنطاقات تتراوح من 0 إلى 15 PSI وتصل إلى 1500  PSI .
  • ذو الشكل اللولبي : وتستخدم لنطاقات تتراواح من 0-200 psi وحتي 0-6000   psi .
  • ذو الشكل الحلزوني : وصنعت لتستشعر مدي من 0-10 psi ويمكن أن تقيس في الضغوط العالية من 0 – 100000 psi .

 

أنبوب بوردن الملولب spiral Bourdon Tube أنبوب بوردن ذو الشكل C
شكل رقم (5) : أنواع أنبوب بوردون

 

Primary measuring elements for the process pressure

Most pressure sensors translate pressure into physical motion that is in proportion to the applied pressure.

Bourdon Tubes:

It works on a simple principle that a bent tube will change its shape when exposed to variations of internal and external pressure. As pressure is applied internally through the open end, the increased pressure causes the flattened cross section to become more circulars and the shape to straighten. This moves the closed end. (The closed end of the bourdon tube is attached to a mechanical linkage. The linkage is connected to a pointer or other output device), the tube returns to its original form when the pressure is released.

There are three common types of bourdon tubes, the C-shape, the spiral, and the helix.

C-type bourdon

C-type bourdon tubes are used for ranges as low as 0 – 15 psig and as high as 0 – 1500 psig

Helical bourdon

Helical bourdon tubes are used for ranges as low as 0 – 200 psig up to 0 – 6000 psig

Spiral bourdon

Very sensitive units are manufactured to measure as low as 0 -10 psig. Heavy-duty units can measure up to 0 -100,000 psig.

Due to their robust construction, bourdon are often used in harsh environments and high pressures, but can also be used for very low pressures; the response time however, is slower than the bellows or diaphragm.

Advantages

– Inexpensive

– Wide operating range

– Fast response

– Good sensitivity

– Direct pressure measurement

Disadvantages

– Primarily intended for indication only

– Nonlinear transducer, linearized by gear mechanism

– Hysteresis on cycling

– Sensitive to temperature variations

– Limited life when subject to shock and vibration

 

2 – المنفاخ Bellow 

المنفاخ Bellow هو عنصر قابل للتمدد  ويتكون من سلسلة من الطيات التي تسمح بهذا التمدد عندما يتم تطبيق الضغط من خلال النهاية المفتوحة، فإن الضغط يتسبب في تمدد النهاية المغلقة .

هذا العنصر يمكن أن يقيس بدقة ضغوط أقل بكثير من أنبوب بوردون Bourdon Tube . حيث يتوافر مدي يصل إلي  (0-125 mmH2O) .

 

شكل رقم (6) : العنصر المنفاخي لاستشعار الضغط Bellow Pressure Element

 

شكل رقم (7) : محاكاة متحركة تبين فكرة عمل مبين ضغط ذو عنصر منفاخ Bellow Pressure Element

 

Bellows:

A bellows is an expandable (axially flexible) element and is made up of a series of folds which allow expansion.

When pressure is applied through an opening, the closed end extends axially.

A bellows sensor can accurately measure much lower pressures than a bourdon tube. Absolute pressure ranges as low as 0 -100 mm Hg and gauge pressure ranges as low as 0 -5 inches H2 O (0 -125 mm H2 0) are available.

 

3 – الغشاء (الرق) Diaphragm

ويتكون من طبقة رقيقة من مادة مدعومة بإطار جامد . عندما يتم تطبيق ضغط علي الغشاء فإنه ينحني بانحراف يتناسب مع كمية الضغط المطبق عليه ، وهناك أنواع عديدة من الموادة المستخدمة في الغشاء مثل المطاط في الضغوط القليلة والسليكون في الضغوط المتوسطة وكذلك الفولاذ لمقاوم للصدأ في حالة الضغوط المرتفعة ، ويتميز هذا النوع بسرعة الإستجابة والدقة .

 

شكل رقم (8) : الغشاء (الرق) Diaphragm

 

لاحظ : عنصري الغشاء Diaphragm والمنفاخ Bellow عادة هما أكثر العناصر سرعة ودقة ، لكنهما أكثر عرضة للتمزق عند قيمة ضغط أعلي من نطاقهما .

 

Diaphragms:

They consist of a thin layer or disk of a material supported on a rigid frame. When pressure is applied to one side of the diaphragm it will deflect. Deflection is proportional to the pressure.

A wide range of materials can be used for the sensing film, from rubber to plastic for low-pressure devices, silicon for medium pressures, to stainless steel for high pressures.

Diaphragms provide fast acting and accurate pressure indication. However, the movement or stroke is not as large as the bellows.

Advantages

– Provide isolation from process fluid

– Good for low pressure

– Inexpensive

– Wide range

– Reliable and proven

– Used to measure gauge, atmospheric and differential pressure

 

يتبع …

الجزء الأول الجزء الثاني

 

المصادر

* Lessons in industrial instrumentation, By Tony R. Kuphaldt

* Practical Instrumentation for Automation and Process Control

* BASIC INSTRUMENTATION MEASURING DEVICES AND BASIC PID CONTROL

اكتملت المقالة الأولي …..

تابع صفحتنا علي الفيس بوك

handwave-yellow

مواضيع ذات صلة

 

 

 

 

ملاحظة

إذا كان لديك تعديل أو اقتراح جيد ، فمن فضلك سجل اقتراحك في تعليق علي الموضوع .

أو راسلنا علي البريد التالي : info@inst-sim.com

مكتبة محاكاة الأجهزة

Share this...شارك المقالة
Share on Facebook
Facebook
Share on Google+
Google+
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin

**************************************

ملاحظة

  • إذا كان لديك مقالة تريد نشرها أو لديك تعديل أو اقتراح جيد ، فمن فضلك سجل اقتراحك في تعليق علي الموضوع .
  • أو راسلنا علي البريد التالي لنشر مقال خاص بك : info@inst-sim.com

مكتبة محاكاة الأجهزة

تعليق واحد فى “مبادي قياس الضغط Principles of Pressure Measurement”

  1. يقول ahmed messallam:

    easy and valuable information to explain pressure measurement. thank you.

أترك تعليق