بسیاری از صنعتگران و همچنین فعالین و محقیقن در این حوزه به دنبال شناخت و درک عمیق‌تر اصول کارکرد و مکانیسم ابزارهای دقیق هستند. چرا که داشتن این دانش به آنها در انتخاب درست و استفاده صحیح از این ابزار کمک می‌کند. در همین راستا شرکت آرکاکنترل در سایت خود در مجموعه مقالاتی به زبان ساده مکانیسم و اصول کارکرد این ابزار را خدمت مشتریان و علاقه‌مندان عزیز ارائه کرده است. در این مطلب می‌خواهیم به معرفی گیج‌های فشار دیافراگمی بپردازیم که از گیج‌های فشار پر اهمیت و کاربردی در حوزه‌ی ابزار دقیق هستند. گیج فشار دیافراگمی، مکانیسم مکانیکی دارد و در صنایع مختلف بسیار کاربردی است. در ادامه به معرفی مکانیسم و انواع گیج فشار دیافراگمی خواهیم پرداخت.
گیج‌های فشار دیافراگمی
دیافراگم، دو محیط حاوی سیال با فشارهای متفاوت را از هم جدا می‌کند. سیال با فشاری که دارد به سطح غشای مرتجع (دیافراگم) نیرو وارد کرده و در غشاء انحناء ایجاد خواهد کرد. در نتیجه وجهی از دیافراگم که در سمت محیط با فشار کمتر است به داخل آن محیط خم خواهد شد. فشار در این نوع گیج فشار، از میزان انحنای غشای منعطف اندازه‌گیری می‌شود. میزان انحنای غشاء برای یک فشار مشخص تکرارپذیر است. بنابراین می‌توان با کالیبراسیون مناسب، فشار را از روی انحنای دیافراگم اندازه گرفت.
چگونگی تغییر شکل یک دیافراگم نازک به اختلاف فشار میان محیط های دو طرف آن بستگی دارد. ممکن است وجه مرجع دیافراگم در تماس با فشار جو باشد تا فشار گیج را برای سیال موجود در سمت دیگر اندازه بگیرد. یا ممکن است هر وجه در تماس با سیال معلوم و مجهولی باشد تا فشار اختلافی آنها تعیین شود. اگر در یک وجه دیافراگم، خلأ ایجاد کنیم فشار مطلق سیال در محیط رو به وجه دیگر سنجیده خواهد شد. تغییر شکل غشاء را می‌توان با روش‌های مکانیکی، نوری یا خازنی اندازه گرفت. غشاء از یک ورقه‌ی صاف یا چین خورده با جنس فلزی یا سرامیکی و با ضخامت خاص و دقیق ساخته می‌شود.
تصویر یک گیج فشار دیافراگمی
چگونگی کارکرد گیج فشار دیافراگمی
دیافراگم به صورت مکانیکی به یک مبدل با مکانیسم خاص متصل است که کوچک‌ترین انحنای غشای دیافراگم را تقویت کرده و به نمایشگر فشار منتقل می‌کند. در انیمیشن رو به رو می‌توان چگونگی کارکرد گیج فشار دیافراگمی را مشاهده نمود. در این انیمیشن حرکات دیافراگم و مبدل مشخص شده است. معمولاً انحنای دیافراگم بسیار کوچک است (در حد میلی‌متر) و نیاز است مبدلی حرکات دیافراگم را تقویت کند تا انحنای به وجود آمده بتواند عقربه‌ی نمایشگر را به صورت ملموس جابه‌جا کند. البته هر چه غشاء بزرگتر باشد، نیرویی که حرکت دیافراگم ایجاد می‌کند نیز بزرگتر خواهد بود.
روش‌های متعددی برای اندازه‌گیری فشار از طریق میزان انحنای غشای دیافراگم وجود دارد. ساده‌ترین روش، استفاده از سوزن متصل به دیافراگم است که با تغییر در انحنای دیافراگم بالا و پایین می‌رود. همچنین می‌توان از یک مقاومت الکتریکی ارتجاعی برای این منظور استفاده کرد. با تغییر انحنای دیافراگم، طول سیم تغییر کرده و بنا به معادله R=ρL/A مقاومت آن نیز تغییر می‌کند. در این معادله R مقاومت، ρ مقاومت ویژه، L طول سیم و A سطح مقطع سیم است. تغییر در مقاومت الکتریکی باعث تغییر در جریان الکتریکی می‌شود. می‌توان تغییرات انحنای دیافراگم را با اندازه‌گیری این تغییر جریان الکتریکی به دست آورد؛ و به این ترتیب فشار وارد شده به دیافراگم را اندازه‌گیری کرد.
انیمیشن چگونگی کارکرد گیج فشار دیافراگمی
ویژگی‌ها
در گیج‌های فشار دیافراگمی، دیافراگم باید به گونه‌ای ساخته شود که انحنای دیافراگم بر اثر فشار وارد شده به آن تا حد امکان خطی باشد. یعنی مقدار مشخصی تغییر در فشار باعث تغییر انحنای ثابتی شود. یک دیافراگم مسطح از جنس فلزی، تنها در صورتی که تغییر شکل در آن کوچک باشد خاصیت خطی خواهد داشت. وقتی تغییرات در یک دیافراگم مسطح، بزرگتر از این حد باشد به دلیل به وجود آمدن تنش‌های متعدد بر روی آن خواص خطی از میان خواهد رفت. در نتیجه با فشار بیش از حد، دیافراگم سفت شده و با تغییر فشار انحنای کوچک‌تری از خود نشان خواهد داد.
ماده‌ی بسیار منعطفی همچون یک ورقه نازک نایلونی می‌تواند به شکل دیافراگم صاف کار کند. این دیافراگم با یک فنر حمایت می‌شود تا با انحنای نایلون مخالفت کرده و با کاسته شدن یا از بین رفتن فشار، ورقه نایلون به سمت مکان اولیه خود بازگردد. برای کاربردهای صنعتی معمولاً از دیافراگم‌های فلزی چین خورده استفاده می‌شود. این چین خوردگی‌ها خاصیت ارتجاعی غشاء فلزی را ارتقاء می‌دهند و همچنین به گونه‌ای ایجاد می‌شوند که خاصیت خطی آن را نیز بهبود می‌بخشند. انواع مختلفی از طرح‌های چین خوردگی وجود دارد که نمونه‌هایی از آنها را می‌توان در اشکال زیر دید.
تصاویری از دیافراگم‌های فشارسنجی
کاربردها
بازه‌ی کارکرد گیج‌های فشار دیافراگمی بین 10mbar تا 40bar است. برای اندازه‌گیری فشارهای کوچک‌تر باید از دیافراگم‌هایی با سطح بزرگتر استفاده کرد. این موضوع باعث بالا رفتن حساسیت این نوع گیج‌های فشار خواهد شد و نیروی حاصل از تغییرات کوچک‌تر فشار را تقویت خواهد کرد. با مواد موجود، در فشارهای پایین‌تر از 10mbar به غشاء‌هایی با ضخامت آن‌چنان نازک برای تغییرات انحنای محسوس نیاز است که ساخت آنها را تقریباً غیر ممکن ساخته است. در این شرایط باید از گیج فشار کپسولی بهره گرفت. دقت گیج فشار دیافراگمی به جنس، ضخامت و شکل غشاء آن بستگی دارد. این گیج‌های فشار به‌دلیل ساختاری که دارند در مقابل فشارهای بالاتر از محدوده کارکردی بسیار مقاوم‌تر هستند.
برای اندازه‌گیری فشار گازها و مایعات خورنده ممکن است لازم باشد از یک لایه محافظ برای غشای دیافراگم استفاده شود. محیط‌های فرسایشی و خورنده به سرعت می‌توانند به غشای دیافراگم صدمه بزنند، لذا محافظت از دیافراگم الزامی است. برای محافظت دیافراگم مواد خاصی به صورت فویل از جنس‌هایی مانند PTFE، تانتالم، تیتانیم یا طلا بر روی دیافراگم چسبانده می‌شود. به دلیل وجود دیافراگم، استفاده از گیج فشار دیافراگمی برای اندازه‌گیری سیالات با ویسکوزیته بالا بسیار مناسب است. شکل پایین طرح‌های مختلف از گیج فشار دیافراگمی مناسب برای استفاده در اندازه‌گیری فشار گیج و اختلافی را نشان می‌دهد.
