اندازه گیری و کالیبراسیون فشار

از تعدادی استاندارد فیزیکی برای تحقق مقادیرفشار در سطح اولیه استفاده می شود. دو دستگاه رایج برای گستره فشار سنجه ای مثبت عبارتنداز: مانومتر جیوه ای ودستگاه آزمایش فشار بار مرده از استاندارد اندازه گیری توپی- چرخان(spinning ball guage) در گستره فشار سنجه ای منفی (خلاء) استفاده می شود.

- استانداردهای ثانویه

مانومتر جیوه ای، دستگاه ازمایش بار مرده و استاندارد خازنی از رایج ترین استانداردهای ثانویه هستند. در این بخش درباره استاندارد فشار خازنی و در بخشهای دیگر درباره دودستگاه  دیگر یعنی دستگاه آزمایش فشار یار مرده و مانومتر جیوه ای توضیحی ارایه خواهد شد.

 استانداردهای کاری

پر استفاده ترین استاندارد کاری، دستگاه ازمایش فشار بار مرده است همچنین از تعدادی از سایر دستگاه ها مانند فشارسنج مدرج نوعی دیافراگمی ی بوردونی دقیق، حسگرهای فشار پیزو مقاومتی و مانومترهای مایع نیز به عنوان استاندارد کاری استفاده می شود.

 

 استاندارد فشار قابل حمل (کالیراتور فشار)

گستره وسیعی از استانداردهای فشار قابل حمل، کالیبراتورهای فشار، که در آنها از مبدل(transducer) خازنی، پیزومقاومتی و سنجه های کششی استفاده می شود را می توان تهیه نمود معمولاً این کالیبراتورها شامل یک پمپ فشار، مجموعه مبدل فشار و نمایشگر الکترونیکی مربوط هستند. اینها برای کالیبراسیون فشارسنجها و انتقال
دهنده ها (transducer) موجود در بسیاری از صنایع تولیدی مناسب هستند. اما این دستگاه ها به کالیبراسیون مکرر با استفاده از استانداردهای ثانویه آزمایشگاهی نیاز دارند. گستره این دستگاه ها تاkpa 800 و درستی آنها 5/0 درصد مقدار خوانده شده است. از ترازوها فشار بار مرده قابل حمل و نقل هیدرولیکی تاmpa 70 و پنوماتیکی تاkpa200 نیز استفاده می شود.

 

 

 اندازه گیری فشار به روش غیرمستقیم

 اندازه گیرهای رسانایی- گرمایی

اندازه گیر پیرانی(pirani guage)

در اندازه گیر پیرانی از انتقال انرژی از یک سیم داغ به یک گاز برای اندازه گیری فشار گاز استفاده می شود، شکل5-15 انرژی گرمایی از طریق رسانش به گاز منتقل می شود و آهنگ انتقال به رسانایی گرمایی گاز بستگی ارد. از این رو عملکرد این دستگاه ها شدیداً به ترکیب گاز وابسته است. در ساختار قدیمی یک حلقه سیم فلزی نازک در یک انتهای لوله شیشه ای مهروموم می شد که انتهای دیگر آن در معرض گاز قرار داشت. جنس سیسم از تنگستن، نیکل، ایریدیم یا پلاتین بود. در نوع دیگر، حسگر اندازه گیر ساختاری ظریف دارد که معمولاً از سیلیکون پوشانده شده با یک فیلک فلزی نازک مانند پلاتین ساخته شده است. سیم یا فیلم فلزی با استفاده الکتریسته گرم می شود و مقاومتش که به دمای آن بستگی دارد با به کارگیری المان حسگر در یک مدار پل ویستون اندازه گیری می شود سه روش کار وجود دارد روش دمای ثابت، پل ولتاژ ثابت و جریان ثابت. ایراد اصلی اندازه گیری پیرانی اینست که شدیداً به ترکیب گاز وابسته به درستی آن محدود است معمولاً تجدیدپذیری اندازه گیری پیرانی تا زمانی که آلودگی آن زیاد نشده باشد نسبتا خوب است گستره اندازه پیرانی از
pa 2-10 تا pa 105 است اما معمولا بهترین عملکرد در محدوده pa 1-10 تا pa 103 تا pa 105 اندازه گیری کند.

 اندازه گیری یونشی

یک روش مناسب برای اندازه گیری فشارهای مطلق بسیار پایین یک گاز اینست که گاز را یونیده کنیم و جریان یونیدگی یایونش را اندازه گیری کنیم. بیشتر خلاء سنجهای کاربردی از الکترون هایی با انرژی متوسط (50ev-150-ev) برای ایجاد یونش استفاده می کنند. جریان یونی منتجه مستقیماً به شفار وابسته است و یک کالیبراسیون برای مرتبط کردن فشار گاز به جریان یونشی انجام می شود. اما از این فشار سنجها در یگک گستره فشار محدود استفاده می شود. حد فشار بالا زمانی قابل دستیابی است که چگالی گاز به اندازه ای بزرگ باشد که یک یون ایجاد شده احتمال برهم کنش بالایی با یک مولکول گاز خنثی یا الکترون های آزاد گاز راداشته باشد به طوری که یون خودش خنثی شود و نتواند به جمع کننده برسد. برای اهداف کاربردی این مقدارpa1-10 است. حد فشار پایین یک اندازه گیری یونشی حدود pa6-10 است زمانی به این حد می رسیم که جریان نشتی الکتریکی مدارات الکترونیکی اندازه گیر با جریان یونشی مورد اندازه گیری قابل مقایسه شود یا یک عامل تاثیرگذار فیزیکی دیگر (برای مثال تابش خارجی) جریانی با این اندازه را ایجاد کند. از دو نوع اندازه گیر یونشی به طور گستره استفاده می شود. اندازه گیر یونشی با کاتد گرم و اندازه گیر یونشی با کاتد سرد.

اندازه گیر سه قطبی

اندازه گیر سه قطبی(triode guage) یک اندازه گیر با کاتد گرم است در اصل این اندازه گیر از گسترش یک لامپ الکترونیکی بوجود آمده است. الکترون ها از یک رشته(filament) گرم قرار گرفته در امتداد یک شبکه استوانه ای ساتع می شوند شکل5-16 اساساً یون ها در شبکه ایجاد و جذب آند استوانه ی اطراف شبکه
شبکه می شوند گستره فشار این دستگاه ها در حدود pa1-10 تا pa6-10 است. یک طرح خاص اندازه گیرSchulz-phelps می تواند در گستره تقریبی pa2-10 تا
pa102 کار کند.

اندازه گیر بایارد – الپرت(bayad- Alpert guage)

در طرح بایارد- آلپرت، رشته گرم در خارج از شبکه استوانه ای قرار دارد، شکل5-17. اساساً یون ها در داخل شبکه تشکیل و بر روی یک سیم جمع کننده محوری
می شوند. برخی از الکترون ها که در نتیجه یونش گاز ایجاد می شوند در اثر برخورد با شبکه، اشعهX تولید خواهند کرد. اشعهX برخورد کننده به جمع کننده ممکن است الکترون هایی را از این سطح جدا کند که ز یون های رسیده به جمع کننده قابل تشخیص نباشند. به خاطر زاویه ی فضایی کوچکتر بسط یافته به وسیله سیم جمع کننده، اشعهX کمتری به جمع کننده برخورد خواهد کرد که باعث می شود حد فشار پایین نسبت به اندازه گیری سه قطبی به طور قابل ملاحظه ای کمتر باشد این
رایج ترین ساختار برای اندازه ساختار برای اندازه گیر یونشی با رشته گرم است گستره فشار تقریباً pa1-10 تا pa9-10 است.

اندازه گیری پنینگ(pennig guage)

اندازه گیر پنینگ یک اندازه گیر با کاتد سرد است طرح کلی این اندازه گیر در شکل5-18 نشان داده شده است در این اندازه گیر از دو میدان مغناطیسی و الکتریکی برای تولید و جمع آوری یون ها استفاده می شود. آند ممکن است شکل یک حلقه یا استوانه را به خود بگیرد. وقتی میدان الکتریکی به اندازه کافی بزرگ باشد یک تخلیه گازی با استفاده از یک نوری فرابنفش آغاز می شود درنتیجه از صفحات کاتدی الکترون گسیل می شود گستره فشار تقریباً pa1-10 تا pa7-10 است.

کالیبراسون استانداردها و دستگاه های فشار

 ملاحظات عمومی

در این بخش مهمترین مفاهیم عمومی کالیبراسیون استانداردها و دستگاه های
اندازه گیری فشار مورد بحق قرار می گیرد.

 استاندارد مرجع

سلسله مراتب استانداردهای اندازه گیری فشار در 5-9 نشان داده شده است از این شکل ممکن است برای انتخاب استاندارد سطح بالاتر بعدی برای کالیبراسیون یک استاندارد یا دستگاه خاص استفاده شود اما مسیر قابلیت ردیابی نشان داده شده در این شکل تنها راه حل ممکن نیست. این مسیر تنها یکی از راه حلهای ممکن است. استانداردهای اولیه عبارتنداز: دستگاه آزمایش فشار بار مرده، مانومتر جیوه ای و
اندازه گیر- توپی چرخان. استانداردهای ثانویه آنهایی هستند که با استانداردهای اولیه کالیبره می شوند برای مثال دستگاه آزمایش فشار بار مرده، فشارسنجها مدرج دقیق (نوع لوله بوردنی یا دیافراگمی) و استانداردهای نوع کارگاهی قابل حمل و نقل. تعداد متنوعی از این استانداردها با انواع مختلف (ترازوی فشار بار مرده، وسایل پیزومقاومتی، نوع سنجه کششی) را می توان تهیه نمود. این دستگاه ها برای کالیبراسیونهای کارگاهی بسیار مفید هستند.

 نسبت عدم قطعیت آزمایش

 عدم قطعیت مورد نیاز برای یک استاندارد یا دستگاه خاص، معیار مهمی است که قبل از انجام کالیبراسیون باید در نظر گرفته شود. معمولاً عدم قطعیت اختصاص یافته به یک استاندارد اولیه، ثانویه یا کاری به ازای سطح اطمینان95% یا ضریب پوشش2 =k  بیان می شود. باید سایر مولفه های سیستم کالیبراسیون نیز تخمین زده شود. معیار معمول، عدم قطعیت ترکیبی سیستم کالیبراسیون فشار به اضافه استاندارد سطح بالاتر استفاده شده برای کالیبراسیون باشد. در برخی شرایط که عدم قطعیت دستگاه مورد کالیبراسیون بسیار کوچک است، ممکن است از نسبت عدم قطعیت آزمایش1:1 نیز استفاده شود.

 شرایط مرجع

استانداردهای فشار اولیه، ثانویه و کاری همیشه در یک آزمایشگاه با دما و فشار پایدار کالیبره می شوند. همچنین بیشتر دستگاه های اندازه گیری فشار نیز در یک محیط با دما  فشار پایدار کالیبره می شوند. در شرایط کارگاهی که از دستگاه های قابل حمل استفاده می شود ممکن است چنین محیط پایداری وجود نداشته باشد. در این حالتها برآورد عدم قطعیت کالیبراسیون به روشی معنادار دشوار است چون ممکن است نتوان همه اثرات این محیط را کمی کرد. همچنین ممکن است استاندارد مرجع نیز تحت شرایط مشابه کالیبره نشده باشد. از این رو دستگاه ای اندازه گیری را در یک محیط پایدار کالیبره و در محیط استفاده با شرایط ضعیف (فشار ودمای ناپایدار) از تصحیحات تعیین شده به طور جداگانه استفاده می کنند.

 گرانش محلی

معمولاً مقادیر فشار ارایه شده درگواهینامه کالیبراسیون یک ترازوی فشار به مقدار استاندارد شتاب ناشی از گرانش ارجاع داده می شود. برای مثال2s/ m80665/9. اگر اختلاف مقدار محلی گرانش از مقدار گرانش استاندارد قابل توجه باشد باید مقادیر فشار با استفاده از مقدار گرانش محلی تصحیح شوند.

 گستره کالیبراسیون

گتیره کالیبراسیون را باید به دقت بررسی کرد. معمولاً یک استاندارد یا دستگاه
اندزاه گیری فشار در کل گستره اش حداقل در پنج سطح فشار کالیبره می شود. برای تعیین سطح موثر ترازوهای فشار حداقل به ده سطح فشار نیاز است. برای تعیین اثرات هیسترزیس از فشار افزایشی و فشار کاهشی استفاده می شود کالیبراسیون در 20 و 100 درصد گستره اسمی متداول است

 فاصله کالیبراسیون مجدد

فاصله بین کالیبراسیون ها برای یک استاندارد یا دستگاه اندازه گیری فشار به نوع مبدل، مشخصات عدم قطعیتف شرایط و دفعات استفاده بستگی دارد. برای دستگاه هایی که حسگر آنها بار الکتریسیته کار می کند و مدارات مناسب سازی سیگنال الکترونیکی دارند، مشخصات سازنده دستگاه به ویژه، مشخصات پایداری بلند مدت، نقطه شروع مناسبی برای تعیین فاصله کالیبراسیون مجدد است در بیشتر آزمایشگاه های استاندارد دستگاه های آزمابش فشار بار مرده از نوع ثانویه (یا ترازوی فشار) دارای فاصله کالیبراسیون مجدد سه ساله هستند. استانداردهای خازنی دیافراگمی به رانش حساس هستند و ممکن است به فاصله کوتاه تری نیاز داشته باشند (یک یا دو سال). ممکن است بتوان فاصله کالیبراسیون مجدد تقریبی را پس از چندین کالیبراسیون تعیین کرد به شرطی که داده های قبل از کالیبراسیون در گواهینامه کالیبراسیون ثبت شود. اگر داده های کالیبراسیون در هر بار کالیبراسیون به میزان قابل توجه ای تغییر کند ممکن است فاصله کالیبراسیون طولانی باشد از طرفی اگر مقادیر کالیبراسیون تغییر محسوسی نداشته باشند، ممکن است فاصله کالیبراسیون کوتاه باشد.

 اتصال لوله ها

برای کالیبراسیون بیشتر دستگاه های اندازه گیری فشار سنجه ای مثبت، پورت فشار آنها با استفاده از لوله های فشار بالا مناسب به استاندارد فشار متصل می شود. لوله ها باید با کیفیت، سالم ومیزان تحمل فشار آنها از فشار اعمالی بیشتر باشد. لوله ها و اتصالات باید قبل از اعمال ماکزیمم فشار از نظر وجود نشتی بررسی شوند. بسیار مهم است که مطمئن شویم سیستم برای کار کردن در ماکزیمم فشار ایمن است. رهنمدهایی را می توان از منابع متعدد تهیه نمود. مخصوصاً کدهای ایمنی فشار بالا که انجمن فن آوری فشار بالا آنها را منتشر کرده است.

 واسط فشار

ضروری است که واسط فشار استفاده شده برای کالیبراسیون با واسط فشار دستگاه یکی باشد. برای مثال دستگاه هایی که فشار گاز را اندازه گیری می کنند نباید با استفاده از روغن به عنوان واسط فشار کالیبره شوند، عکس این مطلب نیز درست است. در مواردی که از دو واسط مختلف استفاده می شود باید از یک سل مجزا کننده برای انتقال فشار از یک واسط دیگر استفاده شود. واسط استفاده شده، روغن یا گاز، باید تمیز و فاقد رطوبت باشد. برای کالیبراسیون دستگاه های اندازه گیری فشار گاز ترجیحاً از هوای فیلتر شده یا نیتروژن خشک استفاده شود. برای دستگاه های اندازه گیری هیدرولیکی از روغنهای ترکیبی یا معدنی استفاده می شود. روغنهای معینی ممکن است با مواد برخی از قسمتهای سیستم فشار سازگار نباشند. همچنین وقتی از سنجه های مقاومتی استفاده می شود، رسانایی الکرتیکی بسیار مهم است. معمولاً سازندگان دستگاه ها روغنهای نوع تجاری توصیه می کنند که مناسب هستند و باید از توصیه آنها پیروی کرد

 تنظیم دستگاه

در صورت امکان کالیبراسیون یک دستگاه الزاماً شامل تنظیم نیز می باشد. تنظیم انجام می شود تا انحراف در سراسر گستره کاری حداقل شود. قبل از دستیابی به انحراف بهینه، چند بار تنظیم و آزمایش شود