معادله فشار به‌طور کلی به معادلاتی اطلاق می‌شود که برای توصیف فشار در سیستم‌های فیزیکی مختلف استفاده می‌شود. فشار در واقع نیروی وارد شده به واحد مساحت است. در علم فیزیک و مهندسی، چندین معادله مختلف برای فشار وجود دارد که بسته به نوع سیستم و شرایط استفاده می‌شود. در اینجا به معرفی برخی از مهم‌ترین معادلات فشار می‌پردازیم:
فشار (P) به‌عنوان نیروی وارد شده به سطح واحد مساحت تعریف می‌شود. معادله پایه فشار به صورت زیر است:
P=FA
که در آن:
این معادله بیان می‌کند که فشار متناسب با نیروی وارد بر سطح است و هرچه مساحت سطح بیشتر باشد، فشار کمتر خواهد بود.
در سیالات (مایعات و گازها)، فشار در تمام جهات به‌طور یکسان توزیع می‌شود و این یکی از اصول بنیادین در علم مکانیک سیالات است. یکی از مهم‌ترین قوانین در این زمینه قانون پاسکال است که می‌گوید:
ΔP=ρgΔh
که در آن:
این معادله برای اندازه‌گیری فشار در مایعات استفاده می‌شود و نشان می‌دهد که فشار در یک مایع به ارتفاع عمودی مایع بستگی دارد.
برای گازها، یکی از معادلات معروف که فشار گاز را توصیف می‌کند، معادله گاز ایده‌آل است. این معادله رابطه بین فشار، حجم، دما و تعداد مول‌های گاز را بیان می‌کند:
PV=nRT
که در آن:
این معادله بیان می‌کند که فشار گاز به دما و حجم آن بستگی دارد. برای گازهای ایده‌آل، وقتی حجم ثابت باشد، فشار با دما مستقیم و وقتی دما ثابت باشد، فشار با حجم معکوس رابطه دارد.
در برخی از مایعات و سیالات، رفتار فشار پیچیده‌تر از سیالات نیوتنی است و معادلات پیچیده‌تری برای توصیف فشار در این سیالات به‌کار می‌روند. این نوع سیالات معمولاً به‌عنوان سیالات غیر نیوتنی شناخته می‌شوند. در این سیالات، فشار به‌طور مستقیم تابع تغییرات نرخ کرنش و سرعت سیال نیست و مدل‌های پیچیده‌ای برای آنها توسعه یافته است.
در بسیاری از سیستم‌های صنعتی، جریان سیال در لوله‌ها نیاز به اندازه‌گیری فشار در طول لوله‌ها و کنترل فشار دارد. برای اندازه‌گیری و محاسبه فشار در لوله‌ها و کانال‌ها، معادلاتی مانند معادله دارسی و معادله هازن-ویلیامز استفاده می‌شوند.
ΔP=fLDV22
که در آن:
این معادله برای محاسبه افت فشار ناشی از جریان در لوله‌های دایره‌ای استفاده می‌شود.
Q=0.849 CAR0.63S0.54
یا
Q=0.278CD2.63 S0.54
که در آن:
Q نرخ جریان (m3/s or L/s)
C ضریب زبری Hazen-Williams ( بدون ابعاد، بستگی به مواد لوله دارد )
D قطر لوله (m)
A سطح مقطع لوله (m2)
R شعاع هیدرولیک (m) A/P که در آن P محیط خیس شده است.
S شیب خط هیدرولیک Δh/L (بدون بعد)، که در آن:
∆h افت هد در اثر اصطکاک (m)
L طول لوله (m)
این معادله معمولاً برای سیستم‌های آبرسانی و لوله‌کشی به‌کار می‌رود.
در شرایط خاص، مثلاً در داخل دستگاه‌های تحت فشار یا در فرآیندهای خاص، معادلات پیچیده‌تری برای فشار وجود دارند که به ویژگی‌های خاص سیستم بستگی دارند. به‌عنوان مثال:
در مخازن تحت فشار، فشار به‌طور معمول از طریق معادلات مربوط به تنش‌های محیطی محاسبه می‌شود.
در سیستم‌های ترمودینامیکی پیچیده مانند موتورهای احتراق داخلی یا توربین‌های گازی، معادلات متنوعی برای فشار و دما با توجه به حالت‌های مختلف ماده وجود دارند.
سیستم‌های واحد فشار (Pressure System of Units) مجموعه‌ای از مقیاس‌ها و واحدهای اندازه‌گیری است که برای تعیین و بیان مقدار فشار در سیستم‌های مختلف فیزیکی و مهندسی به کار می‌روند. فشار، به‌عنوان نیروی وارد بر یک سطح به‌واحد مساحت، به واحدهای مختلفی در سیستم‌های گوناگون اندازه‌گیری می‌شود. این واحدها می‌توانند در سه سیستم اصلی اندازه‌گیری، یعنی SI (International System of Units) ، CGS (Centimeter-Gram-Second) و FPS (Foot-Pound-Second) وجود داشته باشند. هر سیستم واحدی برای شرایط خاص و در برخی از کشورها یا صنایع خاص بیشتر استفاده می‌شود.
سیستم SI، که بر اساس متر، کیلوگرم، ثانیه و آمپر استوار است، واحد استاندارد جهانی برای اندازه‌گیری فشار را تعریف کرده است. واحد فشار در این سیستم پاسکال (Pa) است.
1 Pa=1 N/m2
که در آن:
N نیوتن است (واحد نیرو)
m2 متر مربع است (واحد مساحت)
1 kPa=1000 Pa1
1 MPa=106 Pa
1 bar=105 Pa
در سیستم CGS، که از سانتیمتر، گرم و ثانیه استفاده می‌کند، واحد فشار به‌نام داین بر سانتیمتر مربع (dyne/cm²) تعریف می‌شود. در این سیستم:
فشار در سیستم CGS به صورت زیر تعریف می‌شود:
1 dyne/cm2=1 dyne2/cm
که معادل با 10-4 پاسکال است.
1 dyne/cm2=10 -4Pa
این سیستم به‌ویژه در آزمایشگاه های فیزیک و علوم پایه کاربرد داشت، اما امروزه بیشتر سیستم SI به‌عنوان واحد استاندارد جهانی برای فشار استفاده می‌شود.
در سیستم FPS که در برخی کشورها مانند ایالات متحده آمریکا رایج است، واحد فشار به‌نام پوند بر اینچ مربع (psi) یا پوند-فوت بر اینچ مربع استفاده می‌شود.
پوند بر اینچ مربع (psi) : پوند بر اینچ مربع رایج‌ترین واحد فشار در سیستم FPS است و به‌طور گسترده در صنایع مختلف مانند مهندسی مکانیک، نفت و گاز، و خودرو استفاده می‌شود.
1 psi=1 lbfin2
که در آن:
پوند بر فوت مربع (psf): یک واحد دیگر فشار در سیستم FPS است که معمولاً در مهندسی ساختمانی و طراحی‌های ساختمانی استفاده می‌شود.
1 psf=lbfft2
برای تبدیل از psi به واحدهای دیگر، معمولاً از روابط تبدیل زیر استفاده می‌شود:
1 psi=6894.76 Pa
1 psi=0.06895 bar
علاوه بر واحدهای اصلی فشار در سه سیستم ذکر شده، واحدهای دیگری نیز برای اندازه‌گیری فشار وجود دارند که در کاربردهای خاص یا در صنایع مختلف استفاده می‌شوند:
1 atm=101325 Pa
1 Torr=133.322 Pa
1 mmHg=133.322 Pa
در اندازه‌گیری فشار، دو نوع اصلی فشار وجود دارد:
فشار مطلق (Absolute Pressure) : فشار اندازه‌گیری شده نسبت به صفر مطلق (خلأ کامل) است. این نوع فشار معمولاً در کاربردهای دقیق علمی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فشار گیج (Gauge Pressure) : فشار اندازه‌گیری شده نسبت به فشار محیطی است (که معمولاً برابر با فشار جو زمین است). در این نوع فشار، فشار صفر به معنی فشار جو است.
روش های اندازه گیری فشار در کاربردهای صنعتی و OEM
اندازه‌گیری فشار در کاربردهای صنعتی و OEM (تولیدکننده اصلی تجهیزات) بسیار مهم است، زیرا فشار در فرآیندهای مختلف صنعتی مانند تولید، انتقال گاز و مایع، پردازش مواد شیمیایی و سیستم‌های HVAC نقشی حیاتی ایفا می‌کند. انتخاب روش و ابزار مناسب برای اندازه‌گیری فشار به نوع سیستم، شرایط محیطی، دقت مورد نیاز و هزینه بستگی دارد. در اینجا به برخی از روش‌ها و ابزارهای رایج اندازه‌گیری فشار اشاره می‌کنیم:
ترانسدیوسرها فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند که می‌تواند توسط سیستم‌های کنترلی یا دستگاه‌های اندازه‌گیری دیگر خوانده شود. این ابزار معمولاً به‌منظور اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های حساس و دقیق استفاده می‌شود و در کاربردهای صنعتی و OEM به‌طور گسترده استفاده دارد.
از جمله ویژگی‌ها آنها می توان به :
ترانسدیوسر مقاومتی (Resistive Pressure Transducer): در این نوع ترانسدیوسرها، فشار باعث تغییر مقاومت یک ماده الکتریکی می‌شود و این تغییر مقاومت به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.
گَیج‌ها ابزارهای مکانیکی هستند که با استفاده از تغییر شکل یک قسمت متحرک در اثر فشار، میزان فشار را نشان می‌دهند. این ابزارها به‌طور معمول برای اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های غیرمتحرک و موقت به‌کار می‌روند.
گَیج بوردون لوله (Bourdon Tube Gauge) : این نوع گَیج‌ها از یک لوله مارپیچ یا نیم‌دایره‌ای تشکیل شده‌اند که تحت فشار تغییر شکل می‌دهد. این تغییر شکل باعث حرکت یک عقربه روی صفحه نمایش می‌شود که مقدار فشار را نشان می‌دهد. این نوع گَیج‌ها معمولاً برای فشارهای نسبی تا 700 بار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مزایا:
معایب:
گَیج دیافراگمی (Diaphragm Gauge) : این گَیج‌ها از یک دیافراگم (صفحه انعطاف‌پذیر) برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کنند. فشار باعث تغییر شکل دیافراگم شده و این تغییرات به‌صورت مکانیکی به عقربه‌ای منتقل می‌شود که فشار را نشان می‌دهد. این نوع گَیج‌ها بیشتر برای فشارهای پایین و در محیط‌های حساس استفاده می‌شود.
مزایا:
معایب:
ترانسمیترها مشابه ترانسدیوسرها هستند، اما معمولاً قادر به ارسال سیگنال‌های دیجیتال یا آنالوگ به سیستم‌های کنترلی یا مانیتورهای مرکزی هستند. این ابزارها در سیستم‌های پیچیده صنعتی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق و انتقال داده‌های فشار به سیستم‌های کنترل دارند، به کار می‌روند.
ترنسدیوسر فشار: فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند، اما این سیگنال ممکن است برای پردازش مستقیم در سیستم‌های کنترلی کافی نباشد (معمولاً سیگنال خام یا ولتاژ ضعیف است).
ترنسمیتر فشار: علاوه بر داشتن ترنسدیوسر داخلی، سیگنال خروجی را به یک فرم استاندارد (مانند 4-20 میلی‌آمپر، 0-10 ولت، یا دیجیتال) تقویت و تبدیل می‌کند که مستقیماً قابل استفاده در سیستم‌های کنترل است.
قابلیت ارسال سیگنال‌های دیجیتال یا آنالوگ به سیستم کنترل مرکزی
دقت بسیار بالا
مقاوم در برابر تغییرات محیطی و لرزش می باشد.
انواع: ترانسمیترهای فشار با خروجی 4-20 میلی‌آمپر، خروجی ولتاژ و خروجی دیجیتال
این ابزارها برای اندازه‌گیری فشار در محل‌های مختلف به‌کار می‌روند. از آنجایی که این سنسورها به‌راحتی قابل حمل هستند، معمولاً در اندازه‌گیری‌های دوره‌ای و تست‌های عیب‌یابی استفاده می‌شوند.
انتخاب ابزار مناسب برای اندازه‌گیری فشار بستگی به چند عامل اصلی دارد:
این ابزارها و روش‌های مختلف می‌توانند در کنار هم یا به‌طور مستقل در سیستم‌های صنعتی و OEM برای تأمین دقت و ایمنی در عملیات مختلف به‌کار روند.
در برخی از سیستم‌ها، فشار می‌تواند کمتر از فشار جو باشد و در نتیجه فشار منفی یا خلأ ایجاد شود. در این موارد، ابزارهای خاصی برای اندازه‌گیری فشار خلأ به کار می‌روند.
گَیج‌های خلأ (Vacuum Gauges) : این گَیج‌ها به‌ویژه برای اندازه‌گیری فشار پایین (پایین‌تر از فشار جو) طراحی شده‌اند.
ترانسدیوسرهای خلأ: این ابزارها فشار خلأ را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.
در این روش، فشار در یک مایع به‌طور مستقیم با ارتفاع مایع ارتباط دارد. این روش به‌ویژه در مخازن و سیستم‌های هیدرولیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
P=ρgh
که در آن:
گیج های های دیجیتال از فناوری‌های پیشرفته برای اندازه‌گیری دقیق‌تر فشار استفاده می‌کنند و معمولاً به راحتی سیگنال‌های دیجیتال می‌دهند. این نوع فشارسنج‌ها دقت بالایی دارند و می‌توانند داده‌ها را به صورت دیجیتال ثبت و ذخیره کنند.
از مزایای این گیج ها می توان به:
و معایب آنها شامل:
اندازه‌گیری فشار در بسیاری از صنایع و فرآیندها از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا فشار یک متغیر کلیدی در عملکرد بسیاری از سیستم‌ها، تجهیزات و فرآیندها است. اندازه‌گیری دقیق فشار برای حفظ ایمنی، کارایی و عملکرد بهینه سیستم‌ها ضروری است. در اینجا، کاربردهای مختلف اندازه‌گیری فشار در صنایع گوناگون را به‌طور کامل توضیح می‌دهیم.
در صنایع نفت و گاز، اندازه‌گیری فشار یک عامل حیاتی برای نظارت بر فرآیند استخراج، انتقال و فرآوری مواد است. این اندازه‌گیری در مراحل مختلف فرآیند به کار می‌رود:
در صنعت خودروسازی، اندازه‌گیری فشار در بسیاری از سیستم‌ها از جمله سیستم‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی، و همچنین سیستم‌های موتور و سوخت ضروری است:
در صنایع شیمیایی و دارویی، اندازه‌گیری فشار به‌منظور کنترل دقیق فرآیندهای شیمیایی و اطمینان از ایمنی محیط‌های کاری و کیفیت محصولات ضروری است:
اندازه‌گیری فشار در صنعت غذا و نوشیدنی برای فرآیندهای مختلف تولید، بسته‌بندی و توزیع محصولات غذایی کاربرد دارد:
در نیروگاه‌ها و سیستم‌های برق، اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های مختلف، از جمله سیستم‌های بخار، گاز، و هیدرولیک، برای عملکرد بهینه و ایمنی ضروری است:
اندازه‌گیری فشار در تجهیزات پزشکی برای ایمنی بیماران و دقت در فرآیندهای پزشکی بسیار مهم است:
در سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، اندازه‌گیری فشار برای کارایی و ایمنی سیستم‌های انتقال قدرت بسیار مهم است:
اندازه‌گیری فشار در سیستم‌های خلأ برای فرآیندهایی که نیاز به کاهش فشار محیط دارند، بسیار مهم است. این سیستم‌ها معمولاً در صنایع علمی و الکترونیکی کاربرد دارند:
در صنعت هوافضا، اندازه‌گیری فشار برای عملیات‌هایی که در شرایط دما و فشار متغیر انجام می‌شوند بسیار مهم است:
اندازه‌گیری فشار در فرآیندهای تولید و انتقال مواد و مصالح برای ایمنی و کارایی سیستم‌ها و ماشین‌آلات بسیار حیاتی است:
ای شاپ صنعت با چندین سال سابقه در زمینه تامین تجهیزات ابزار دقیق، طراحی و مشاوره پروژه های نفت و گاز و پتروشیمی و سایر صنایع کشور آماده ارائه خدمات می باشد. برای خرید محصولات می توانید به فروشگاه اینترنتی مراجعه کنید.
آدرس: تهران، خیابان مطهری، خیابان علی اکبری، خیابان صحاف زاده، پلاک۵۸، واحد۴
ای شاپ صنعت با چندین سال سابقه در زمینه تامین تجهیزات ابزار دقیق، طراحی و مشاوره پروژه های نفت و گاز و پتروشیمی و سایر صنایع کشور آماده ارائه خدمات می باشد.
برای خرید محصولات می توانید به فروشگاه اینترنتی مراجعه کنید.