اگر شما از فعالین، محققین یا علاقه‌مندان حوزه صنعت هستید، کسب دانش راجع به ابزار دقیق و تجهیزات مرتبط با آن برای افزایش مهارت و تخصص شما ضروری است. این امر به شما در شناسایی، انتخاب و استفاده صحیح از این تحهیزات کمک می‌کند. بدون داشتن دانش در حوزه‌ای که در آن فعال هستید مطمئیناً موفقیت دور از دسترس خواهد بود. دانش و تجربه دو رکن رسیدن به موفقیت هستند. در همین راستا شرکت آرکا کنترل در مجموعه مقالاتی آموزشی به زبانی ساده به معرفی و تحلیل علمی این ابزار پرداخته است. امید است این تلاش به افزایش موفقیت و صرفه جویی در وقت شما کمک کند. در این مطلب به یکی از قطعات حفاظتی برای سنسورهای فشار یعنی اسنابر خواهیم پرداخت.
اسنابر مکانیکی
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، نوسانات شدید جریان و فشار سیالات وجود دارد. این نوسانات باعث به وجود آمدن شوک و لرزش می‌شود که به ابزارهای کنترلی تعبیه شده در مسیر سیال صدمه می‌زنند. می‌توان با استفاده از اسنابرهای مکانیکی که ما بین جریان سیال و تجهیز قرار می‌گیرد از این صدمات کاست. اسنابر مکانیکی، ابزاری است که با اصول ساده فیزیکی در مقابل نیروی حاصل از نوسانات ناگهانی فشار و جریان سیال، مقاومت می‌کند. پس می‌توان از آن‌ها به عنوان محافظی در مقابل شوک، لرزش و ارتعاشات استفاده کرد. تجهیز تحت حمایت اسنابر از شوک ناگهانی و وارد شدن نیروهای ضربه‌ای و نوسانی محافظت می‌شود.
عملکرد اسنابرها
وقتی سیال، جریان و فشار ثابتی داشته باشد، اسنابر در مقابل آن مقاومت نکرده و به سیال اجازه عبور می‌دهد. اما تغییر ناگهانی جریان سیال در زمانی کوتاه باعث به وجود آمدن شتابی به صورت a=1/A × dJ/dt می‌شود که به مقاومت اسنابر در مقابل نیروی حاصل از آن می‌انجامد. در این معادله a شتاب سیال، A سطح مقطع اسنابر، J جریان سیال و t مدت زمانی است که طی آن تغییرات جریان رخ می‌دهد. این معادله نشان می‌دهد تغییرات جریان در زمانی کوتاه می‌تواند شتاب بزرگی به وجود آورد.
بنا به قانون اول نیوتون (F=ma) این شتاب، به نوبه خود نیرویی به وجود می‌آورد که، در صورت وارد شدن در زمانی کوتاه به شکل ضربه‌ای خواهد بود. سیستم اسنابر به گونه‌ای طراحی شده که اگر این نیروی به وجود آمده به حدی بزرگ باشد یا به بیان دیگر تغییرات جریان به حدی سریع باشد که بر لختی (مقاومت جسم در مقابل حرکت) سیستم محافظتی غلبه کند، مکانیسم آن فعال شده و اسنابر در مقابل این تغییرات مقاومت خواهد کرد. در این هنگام اسنابر به مانند یک جسم مقاوم عمل کرده و انرژی دینامیکی حاصل از نوسانات جریان و فشار سیال را جذب می‌کند و این انرژی را به ساختار حمایتی خود منتقل می‌کند. در بسیاری از فرآیندهای صنعتی استفاده از اسنابرها برای حفاظت از گیج‌ها و سنسور فشار (ترانسمتیر فشار، ترانسدیوسر فشار) لازم است.
تصویر یک اسنابر
فشار به وجود آمده بر اثر تغییرات جریان سیال
از آنجا که رابطه فشار با نیرو به صورت F=PA (P فشار، F نیرو، A سطح مقطع) است، می‌توانیم رابطه میان تغییرات جریان و فشار حاصل از آن را به دست آوریم. با توجه به معادله اول نیوتون F=ma خواهیم داشت: a=(A.P)/m. در این معادله a شتاب و m جرم است. بهتر است در مورد یک سیال به جای جرم از چگالی استفاده کنیم. با توجه به رابطه R=m/V (R چگالی و V حجم است) خواهیم داشت: a=(A.P)/RV=P/Rl. که در این معادله l نشان دهنده طول است.
حال با استفاده از معادله a=1/A × dJ/dt به نتیجه مورد نظر می‌رسیم: dJ/dt=(A/Rl).P. این معادله نشان می‌دهد تغییرات جریان در زمانی مشخص چه مقدار فشار تولید می‌کند. تغییرات ناگهانی و شدید جریان سیال در زمانی کوتاه فشار اضافی بزرگی ایجاد می‌کند که می‌تواند به تجیهزات و ابزارهای دقیق صدمه وارد کند. به همین دلیل استفاده از محافظی مانند اسنابر مکانیکی برای افزایش طول عمر و کم کردن هزینه‌ها در فرآیندهای صنعتی دارای شوک و لرزش الزامی است.
مکانیسم و انواع اسنابر محافظ گیج و سنسور فشار
اسنابرهای محافظ گیج و سنسور فشار باید ابعاد کوچکی داشته باشد. ساختارها و اجزای این اسنابرها چندان پیچیده نیستند. انواع مختلفی از این نوع اسنابرها وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
الف) اسنابر فیلتری
این نوع ساده‌ترین و ارزان‌ترین اسنابر فشارسنج است که از یک دیسک فلزی متخلخل و مقاوم در برابر خورندگی درست شده است. این مدل را با نام اسنابر فیلتری می‌شناسند. دیسک متخلخل به عنوان یک مانع نیمه نفوذپذیر، بین فشار ورودی و فشارسنج عمل می‌کند. انرژی تغییرات ناگهانی فشار سیال بر روی دیسک توزیع و جذب شده و از مقدار آن کاسته می‌شود. به این ترتیب تجهیز از شوک و نوسان محافظت خواهد شد. به دلیل وجود این مانع، فشار در فشارسنج به آهستگی افزایش یافته و فشارسنج صدمه نمی‌بیند. البته این نوع اسنابر غیرقابل تنظیم است و احتمال پرشدگی منافذ آن وجود دارد. در صورت پرشدن منافذ، دیسک باید تمیز یا تعویض شود که این موضوع باعث کند شدن انجام فرآیندهای صنعتی و افزایش هزینه خواهد شد.
تصویر اسنابر فیلتری
ب)اسنابر پیستونی
نوع دیگری از اسنابر محافظ فشارسنج‌ها، میراگر پیستونی شکل است. در این نوع اسنابر یک پیستون با جرمی مشخص وجود دارد که می‌تواند آزادانه درون اسنابر، مابین درگاه‌های خروجی و ورودی حرکت کند. وقتی فشار جریان سیال به صورت ناگهانی به حدی افزایش پیدا کند که نیروی حاصل از آن پیستون را به درگاه خروجی بچسباند، جریان سیال به فشارسنج قطع شده و به این ترتیب تجهیز از افزایش ناگهانی فشار محافظت می‌شود. در این طرح لختی مقاوم همان جرم پیستون و سیستم محافظ و ضربه گیر، بدنه خود اسنابر است. مشکل گرفتگی مقطع اسنابر در این مدل بهبود یافته، ولی این مدل نیز غیر قابل تنظیم است.
تصاویر اسنابر پیستونی
د)اسنابر قابل تنظیم
برخی اسنابرهای محافظ، قابل تنظیم هستند. البته مکانیسم کلی این مدل‌ها نیز مشابه قبل است و تنها تفاوت آن‌ها در این است که قابل تنظیم هستند. در این مدل‌ها از یک شیر یا پیچ برای تنظیم روزنه یا فاصله پیستون تا درگاه خروجی استفاده می‌شود. این نوع اسنابرها برای محافظت فشارسنج در شرایط کاری مختلف مناسب هستند.
تصاویر اسنابر قابل تنظیم با پیچ یا شیر
ملاحظات
اسنابر فشار فرآیند را تغییر نمی‌دهد. اما با کاهش نوسانات دقت اندازه‌گیری را بالا برده و طول عمر مؤثر تجهیز را افزایش می‌دهد. اسنابرها با محافظت فشارسنج از شوک و لرزش، قابلیت خوانش فشار را برای ناظر بهبود می‌بخشند. استفاده از اسنابر در کنار فشارسنج‌های روغنی اندازه‌گیری فشار سیالات را در شرایط کاری همراه با شوک و لرزش زیاد، ممکن می‌کند. به دلیل کوچکی مقطع اسنابرها، ممکن است مجرای آن‌ها در طول زمان گرفته شود، البته یک راه حل به صرفه‌تر برای رفع این مشکل استفاده از یک مایع تمیز واسط است. این مایع توسط یک دیافراگم از سیال اصلی جدا شده، و فشار فرآیند از طریق این دیافراگم ابتدا به سیال واسط و سپس به تجهیز منتقل می‌شود.
باید در نظر داشت که اسنابرها حساسیت فشارسنج را نسبت به تغییرات فشار کاهش و زمان پاسخ‌دهی آن را افزایش می‌دهند. در نتیجه در مواقعی که اندازه‌گیری تغییرات سریع فشار در یک فرآیند صنعتی برای ما مهم باشد باید در امکان استفاده از اسنابر دقت کنیم. در نهایت شما می‌توانید فیلمی راجع به این اسنابرها را در زیر مشاهده فرمایید.