آشنایی با مکانیسم و اصول عملکرد گیج فشار بوردن تیوب و انواع آن

اگر بخواهیم به زبان ساده چگونگی کار کرد این نوع ابزار اندازه‌گیری فشار را توضیح دهیم، باید گفت بوردن تیوب بر اساس اصل فیزیکی‌ای که بیان می­‌کند در اجسام ارتجاعی (دارای خواص کشسان)، نیروی حاصل از تنش (Stress) با خم‌شدگی جسم متناسب است (قانون هوک)، ساخته شده است. به بیان دیگر انحناء و خم‌شدگی جسم ارتجاعی با نیرویی که از فشار بر آن جسم حاصل می­‌شود، متناسب است. بر همین اساس اگر به یک تیوب که خواص ارتجاعی دارد فشار وارد شود، شکل آن متناسب با مقدار و جهت این فشار تغییر می­‌کند. با از میان رفتن فشار، جسم تمایل دارد به شکل اولیه‌ی خود بازگردد.

این نیرو به دلیل اختلاف فشار بین جداره‌ی درونی و بیرونی تیوب به وجود می­‌آید. برای مثال اگر به تیوبی با سطح مقطع دایره­‌ای فشار وارد شود، متناسب با مقدار و جهت این فشار، شکل سطح مقطع تغییر خواهد کرد. با از میان رفتن فشار، سطح مقطع تیوب تمایل دارد به شکل اولیه و دایره‌­ای خود بازگردد. البته ممکن است نیروی حاصل از فشارهای نه چندان بزرگ، تغییر محسوسی در سطح مقطع تیوب­‌های با جنس معمولی ایجاد نکنند. می­‌توان میزان انحنای ماده را با تیوبی به شکل منحنی C و یا مارپیچ، محسوس­ و قابل تشخیص کرد. به گونه‌ای که جسم  C شکل بر اثر تغییرات فشار تمایل به باز شدن یا جمع شدن ارتجاعی داشته باشد. این مورد دقیقاً شبیه بادکنکی است که وقتی در آن فوت می­‌کنیم فشار هوای حاصل از دمیدن ما، بادکنک را از حالت افتاده به حالت کشیده درمی­‌آورد.

تصویر یک گیج فشار بوردن

ایگن بوردن در سال 1849 در فرانسه بر اساس همین اصل فیزیکی، گیج فشاری ساخت و آن را به ثبت رساند. این ابزار اندازه‌گیری فشار به دلیل دقت، حساسیت و خواص خطی فوق‌العاده­‌ای که داشت به طور گسترده مورد توجه و بهره‌برداری قرار گرفت. این گیج فشار به بوردن گیج (Bourdon gauge) شهرت یافت. همزمان در سال 1849 برنارد اشچیفر نیز در آلمان گیج فشار دیافراگمی را طراحی کرد و به ثبت رساند. این دو تجهیز، در زمان خود انقلابی در صنعت به وجود آوردند.

کلیپ تاریخچه و چگونگی ساخت گیج فشار بوردن

تصویر این نوع بوردن تیوب را می­‌توانید در شکل‌های زیر ملاحظه کنید. در این گیج فشار، برای سنجش میزان جا‌بجایی و کشیدگی حاصل از نیروی فشار، یک تیوب ارتجاعی به شکل  C طراحی شده است. یک سر این تیوب به ناحیه ثابتی متصل است. و سیال با فشار وارد آن می­‌شود. سر دیگر این تیوب نیز به اتصالات ارتباطی که به یک عقربه منتهی می­‌شود متصل است. در اثر نیرویی که از طرف فشار سیال به تیوب وارد می­‌شود، سر تیوب جابجا شده و با افزایش نیروی فشار کشیده می­‌شود.

نیروی حاصل از این تغییر مکان کششی که در تیوب ارتجاعی پدیدار می­‌شود، توسط اتصالات و رابط‌هایی به یک چرخ‌دنده منتقل می­‌شود. سپس این چرخ‌دنده با گرفتن نیرویی که به آن وارد شده، به مقدار مشخصی می­‌چرخد. چرخ‌دنده، عقربه‌ی متصل به خود را به میزان مشخصی همراه خود می­‌چرخاند. در نتیجه با این مکانیسم، فشار سیال به میزان مشخصی عقربه‌ی گیج فشار را می­‌چرخاند. اگر از مقدار نیروی فشار وارد شده به تیوب کاسته شود، تیوب ارتجاعی تمایل دارد به حالت اولیه‌ی خود برگردد. رابطه‌ی میان تغییر مکان سر تیوب با نیروی حاصل از تغییر فشار وارد شده به آن با نسبت خوبی خطی است. در نتیجه، فشار سیال را می­‌توان با کالیبراسیون مناسب مقدار چرخش عقربه اندازه گرفت.

معمولاً برای آن که این نوع گیج فشار به درستی کار کند باید از آن به صورت عمودی استفاده کنیم. جنس تیوب­‌های بوردن باید از موادی باشد که خاصیت ارتجاعی (الاستیکی) پایداری داشته باشند. هم‌چنین باید با سیالی که فشار آن را اندازه می­‌گیرند از لحاظ شیمیایی سازگاری داشته باشند. از گیج‌فشار بوردن در فشارهای خیلی بالا نمی­‌توان استفاده کرد. چرا که در فشارهای بیش از حد تحمل بوردن تیوب (Over pressure)، خاصیت تغییرات خطی آن نسبت به تغییرات فشار از بین خواهد رفت.

از مزایای گیج فشار بوردن مدل  C می­‌توان به بزرگی بازه‌ی اندازه­‌گیری آن اشاره کرد. البته این موضوع به جنس تیوب هم بستگی دارد. در گزینش گیج فشار بوردن برای اندازه‌گیری، باید به انتظاراتمان از سرعت اندازه‌گیری حین تغییرات فشار و شرایط اندازه­‌گیری دقت کنیم. گیج فشار بوردن برای اندازه­‌گیری فشار سیستم­‌هایی که دوره­‌های تناوبی و تغییرات فشار سریع دارند چندان مناسب نیست. از مزایای این نوع گیج فشار می­ توان به قیمت پایین، بازه‌ی کاری وسیع و پاسخ‌دهی سریع اشاره کرد. علاوه بر این این گیج فشار حساسیت بالایی داشته و فشار را به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری می‌کند. حساسیت به دما، عمر محدود در شرایط کاری که به آن شوک یا لرزش وارد شود، خارج شدن از کالیبراسیون و پسماند (hystersis) در سیستم‌­های دوره­‌ای از جمله معایب این گیج فشار است.

نمونه عکس از داخل و اجزای گیج فشار بوردن مدل C

در واقع این نوع بوردن تیوب، شکل تکامل یافته بوردن تیوب C شکل است. این مدل با چند دور چرخاندن تیوب ارتجاعی مشابه شکل‌های زیر ساخته می­‌شود. مکانیسم و اصول فیزیکی این نوع تیوب نیز دقیقاً مشابه مورد قبل است. با این تفاوت که چند دور چرخاندن تیوب ارتجاعی باعث می­ شود خم شدگی و کشیدگی حاصل از نیروی فشار وارد شده به آن بارزتر شود. چون کشیدگی به وجود آمده در آن، حاصل از مجموع کشیدگی­‌های سر هر دور حلزونی است. به بیان دیگر، شکل هندسی این طراحی به گونه­‌ای است که گویا چند تیوب ارتجاعی C شکل به صورت سری به هم بسته شده­‌اند. بنابراین کشیدگی کلی با مجموع کشیدگی­ های هر تک تیوب C شکل برابر است. به همین دلیل در مقایسه با تیوب  C شکل، این مدل حساسیت بالاتری دارد. بنابراین برای اندازه­‌گیری فشارهای کوچک‌تر که مستلزم حساسیت بالاتر باشد مناسب‌تر است.

نمونه عکس‌هایی از داخل و اجزای گیج فشار بوردن مدل حلزونی

شماتیک یک بوردن تیوب نوع مارپیچی با انتقال نیرو چرخشی به میله محوری

این بوردن تیوب به شکل مارپیچی (فنری) طراحی شده است. شکل مارپیچی این تیوب علاوه بر تقویت حساسیت و ارتقاء کشیدگی (مشابه نوع حلزونی)، به خاطر هندسه‌ای که دارد، اجازه حرکت دورانی را نیز می‌­دهد. در واقع با این شکل هندسی، حرکت سر تیوب می‌­تواند به حرکت چرخشی تبدیل گردد. می­‌توان با نصب یک میله‌ی محوری در مرکز مارپیچ کشیدگی حاصل از فشار را مستقیماً به حرکت چرخشی در میله محوری تبدیل کرد. هم‌چنین می‌توان به واسطه‌ی اتصالات و رابط‌ها (اهرم‌ها، چرخ‌دنده‌­ها و غیره) نیز نیروی حاصل از فشار را به عقربه‌ی نشان‌گر منتقل کرد.

تعداد دورهای مناسب برای نوع حلزونی و مارپیچی به بازه فشاری که می­‌خواهیم اندازه­‌گیری کنیم بستگی دارد. برای اندازه­‌گیری بازه‌­های فشار کوچکتر تعداد دور کمتر نیاز است. به همین طریق برای اندازه­‌گیری بازه­‌های فشار بزرگ‌تر تعداد دور بیشتر مناسب است. از جمله مزایای بوردن تیوب­‌های حلزونی و مارپیچی نسبت به مدل C شکل، حساسیت بالاتر، قابلیت ساخت در ابعاد کوچک‌تر در عین حفظ کارایی و مقاومت بیشتر در برابر فشارهای بالاتر از محدوده‌ی کارکرد (Over pressure) است. البته باید در نظر داشت که بوردن تیوب­‌های حلزونی و مارپیچی نسبت به مدل C گران‌تر هستند.