انواع فشار در ابزار دقیق چیست؟ بررسی Gauge، Absolute، Differential و Vacuum Pressure

فشار یا Pressure یکی از مهم‌ترین کمیت‌های اندازه‌گیری‌شده در صنایع فرایندی است و تقریباً در تمام واحدهای نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاه، نیروگاه، صنایع شیمیایی، دارویی و غذایی با آن سروکار داریم.

اما وقتی در ابزار دقیق از «فشار» صحبت می‌کنیم، تنها مقدار فشار اهمیت ندارد؛ بلکه باید مشخص شود این فشار نسبت به چه مرجعی اندازه‌گیری شده است.

به همین دلیل در صنعت با اصطلاحاتی مانند Gauge Pressure، Absolute Pressure، Differential Pressure، Atmospheric Pressure و Vacuum Pressure روبه‌رو می‌شویم.

شناخت تفاوت این مفاهیم برای انتخاب صحیح Pressure Gauge، Pressure Transmitter و Differential Pressure Transmitter اهمیت زیادی دارد.

فشار چیست؟

از نظر فیزیکی، فشار مقدار نیروی واردشده بر واحد سطح است:

P = F / A

که در آن:

P = فشار
F = نیرو
A = سطح

واحد استاندارد فشار در سیستم SI، پاسکال یا Pa است؛ اما در صنعت واحدهای دیگری مانند bar، mbar، psi، kPa، MPa، mmHg و Torr نیز بسیار متداول هستند.

در ابزار دقیق، نوع فشار معمولاً بر اساس Reference Pressure یا فشار مرجع تعریف می‌شود.

به عبارت ساده‌تر، برای اندازه‌گیری فشار باید یک نقطه را به‌عنوان صفر در نظر بگیریم. تفاوت در انتخاب همین نقطه صفر باعث به وجود آمدن انواع مختلف فشار می‌شود.

 

انواع فشار در ابزار دقیق

مهم‌ترین انواع فشار که در سیستم‌های ابزار دقیق با آنها مواجه می‌شویم عبارت‌اند از:

• Atmospheric Pressure یا فشار اتمسفریک
• Gauge Pressure یا فشار گیج
• Absolute Pressure یا فشار مطلق
• Differential Pressure یا فشار تفاضلی
• Vacuum Pressure یا فشار خلأ
• Hydrostatic Pressure یا فشار هیدرواستاتیک

در ادامه هرکدام را بررسی می‌کنیم.

فشار اتمسفریک چیست؟

Atmospheric Pressure یا فشار اتمسفریک، فشاری است که به دلیل وزن جو زمین بر سطح اجسام وارد می‌شود.

فشار اتمسفریک ثابت نیست و با عواملی مانند ارتفاع از سطح دریا و شرایط آب‌وهوایی تغییر می‌کند.

در سطح دریا مقدار متوسط فشار اتمسفریک تقریباً برابر است با:

1 atm ≈ 1.01325 bar ≈ 101.325 kPa ≈ 14.7 psi

فشار اتمسفریک نقش بسیار مهمی در درک تفاوت میان Gauge Pressure و Absolute Pressure دارد.

 

Gauge Pressure چیست؟

Gauge Pressure یا فشار گیج، فشاری است که نسبت به فشار اتمسفریک محیط اندازه‌گیری می‌شود.

در این روش، فشار اتمسفریک به‌عنوان نقطه صفر در نظر گرفته می‌شود.

رابطه آن به شکل زیر است:

Pgauge = Pabsolute − Patmospheric

بنابراین اگر یک Pressure Gauge در محیط آزاد قرار داشته باشد، معمولاً مقدار آن تقریباً صفر خواهد بود؛ زیرا فشار دو طرف سیستم با فشار اتمسفریک برابر است.

مثلاً اگر فشار مطلق داخل یک مخزن برابر 6 bar باشد و فشار اتمسفریک حدود 1 bar باشد:

Pgauge = 6 − 1 = 5 bar

بنابراین گیج فشار مقدار حدود 5 barg را نشان می‌دهد.

Gauge Pressure یکی از رایج‌ترین انواع اندازه‌گیری فشار در صنایع فرایندی است.

از آن برای پایش فشار خطوط لوله، پمپ‌ها، کمپرسورها، مخازن، سیستم‌های هیدرولیک و بسیاری از تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود.

 

Absolute Pressure چیست؟

Absolute Pressure یا فشار مطلق، فشاری است که نسبت به خلأ کامل یا Perfect Vacuum اندازه‌گیری می‌شود.

در فشار مطلق، صفر واقعی فشار به‌عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شود.

به همین دلیل:

Perfect Vacuum = 0 bara

و رابطه بین فشار مطلق و فشار گیج به شکل زیر است:

Pabsolute = Pgauge + Patmospheric

مثلاً اگر فشار یک سیستم برابر 4 barg باشد و فشار اتمسفریک تقریباً 1 bar باشد:

Pabsolute ≈ 5 bara

نکته مهم این است که فشار مطلق بر خلاف Gauge Pressure مستقیماً به تغییرات فشار اتمسفریک به‌عنوان مرجع اندازه‌گیری وابسته نیست.

 

تفاوت Absolute Pressure و Gauge Pressure چیست؟

تفاوت اصلی این دو فشار در نقطه مرجع اندازه‌گیری است.

در Gauge Pressure:

مرجع = فشار اتمسفریک

اما در Absolute Pressure:

مرجع = خلأ کامل

به همین دلیل وقتی فشار اتمسفریک به دلیل تغییر ارتفاع یا شرایط آب‌وهوایی تغییر می‌کند، مقدار Gauge Pressure نسبت به مرجع محیط تعریف می‌شود؛ اما سیستم Absolute Pressure دارای مرجع خلأ است.

این تفاوت در بعضی کاربردهای صنعتی بسیار مهم است.

 

چرا Absolute Pressure اهمیت دارد؟

در بسیاری از فرایندهای معمول صنعتی استفاده از Gauge Pressure کاملاً کافی است.

اما در بعضی فرایندها حتی تغییرات کوچک فشار اتمسفریک می‌تواند روی محاسبات یا کنترل فرایند اثر بگذارد.

در چنین شرایطی از Absolute Pressure استفاده می‌شود.

برای مثال در سیستم‌های Vacuum، فرایندهای تقطیر، برخی محاسبات ترمودینامیکی، اندازه‌گیری فشار بخار و فرایندهایی که فشار بسیار پایین دارند، فشار مطلق اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

همچنین در محاسبه برخی خواص سیالات مانند چگالی یا آنتالپی لازم است فشار واقعی سیستم نسبت به خلأ مشخص باشد.

 

Absolute Pressure Transmitter چیست؟

Absolute Pressure Transmitter نوعی ترانسمیتر فشار است که فشار فرایند را نسبت به یک مرجع خلأ اندازه‌گیری می‌کند.

داخل سنسور این تجهیزات معمولاً یک Reference Chamber وجود دارد که مرجع فشار بسیار پایین یا خلأ را فراهم می‌کند.

در نتیجه ترانسمیتر قادر است فشار واقعی سیستم نسبت به Absolute Zero Pressure را اندازه‌گیری کند.

در مشخصات فنی تجهیزات معمولاً حرف A یا عبارت‌هایی مانند Absolute، bara یا psia می‌تواند نشان‌دهنده اندازه‌گیری فشار مطلق باشد.

البته هنگام انتخاب تجهیز باید حتماً Datasheet و Measurement Type سازنده بررسی شود.

 

واحدهای Absolute Pressure

یکی از اشتباهات رایج در صنعت توجه نکردن به پسوند واحد فشار است.

برای مثال:

bara یعنی Bar Absolute

barg یعنی Bar Gauge

به همین ترتیب:

psia یعنی PSI Absolute

psig یعنی PSI Gauge

بنابراین مثلاً:

5 barg

با

5 bara

یکسان نیست.

در شرایط تقریبی سطح دریا:

5 barg ≈ 6 bara

زیرا باید فشار اتمسفریک نیز به مقدار Gauge اضافه شود.

 

آیا Absolute Pressure می‌تواند منفی باشد؟

در تعریف معمول فشار مطلق، مقدار فشار نمی‌تواند کمتر از خلأ کامل باشد.

بنابراین:

0 bara = Perfect Vacuum

و فشار مطلق از صفر شروع می‌شود.

اما Gauge Pressure می‌تواند منفی باشد.

زمانی که فشار یک سیستم کمتر از فشار اتمسفریک باشد، مقدار Gauge Pressure منفی می‌شود که معمولاً آن را با مفهوم Vacuum نیز مرتبط می‌کنیم.

 

Vacuum Pressure چیست؟

Vacuum Pressure به شرایطی گفته می‌شود که فشار سیستم کمتر از فشار اتمسفریک باشد.

به عنوان مثال اگر:

Pabsolute = 0.4 bar

و فشار اتمسفریک:

Patm ≈ 1 bar

باشد، خواهیم داشت:

Pgauge ≈ -0.6 bar

بنابراین مقدار منفی Gauge Pressure نشان‌دهنده وجود خلأ نسبی در سیستم است.

اما باید توجه داشت که Vacuum کامل همان صفر مطلق فشار است و ایجاد Perfect Vacuum در عمل بسیار دشوار است.

 

تفاوت Vacuum Pressure و Absolute Pressure

این دو مفهوم گاهی با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند.

Absolute Pressure یک روش تعریف فشار بر مبنای خلأ کامل است.

اما Vacuum شرایطی است که فشار سیستم از فشار اتمسفریک کمتر باشد.

به همین دلیل یک سیستم Vacuum را می‌توان با واحد Absolute نیز بیان کرد.

برای مثال یک محفظه می‌تواند دارای:

0.2 bara

فشار مطلق باشد.

همین فشار از دید Gauge Pressure تقریباً:

-0.8 barg

خواهد بود؛ البته مقدار دقیق آن به فشار اتمسفریک همان محل بستگی دارد.

 

Differential Pressure چیست؟

Differential Pressure یا DP اختلاف فشار بین دو نقطه از یک سیستم است.

رابطه آن:

ΔP = P1 − P2

است.

برخلاف Gauge Pressure یا Absolute Pressure، در اینجا مرجع اصلی یک فشار مشخص دیگر در فرایند است.

برای اندازه‌گیری DP معمولاً از Differential Pressure Transmitter استفاده می‌شود که دارای دو ورودی فشار است:

High Pressure Side یا HP

و

Low Pressure Side یا LP

ترانسمیتر اختلاف فشار این دو ورودی را محاسبه کرده و مقدار Differential Pressure را ارائه می‌دهد.

 

کاربرد Differential Pressure

Differential Pressure یکی از مهم‌ترین اندازه‌گیری‌ها در ابزار دقیق است.

از DP می‌توان برای اندازه‌گیری اختلاف فشار دو نقطه استفاده کرد، اما کاربرد آن تنها محدود به فشار نیست.

برای مثال از Differential Pressure Transmitter در اندازه‌گیری دبی با تجهیزاتی مانند Orifice Plate، پایش گرفتگی فیلتر، اندازه‌گیری سطح مخازن بسته و برخی سیستم‌های اندازه‌گیری Flow استفاده می‌شود.

برای مثال اگر فشار قبل از یک فیلتر افزایش پیدا کند ولی فشار بعد از آن کاهش یابد، افزایش Differential Pressure می‌تواند نشان‌دهنده گرفتگی فیلتر باشد.

 

Hydrostatic Pressure چیست؟

Hydrostatic Pressure فشاری است که به دلیل وزن یک ستون مایع ایجاد می‌شود.

رابطه ساده آن عبارت است از:

P = ρgh

که در آن:

ρ = چگالی سیال
g = شتاب گرانش
h = ارتفاع ستون مایع

به همین دلیل می‌توان با اندازه‌گیری فشار در پایین یک مخزن، سطح مایع داخل آن را محاسبه کرد.

این اصل در بسیاری از Level Transmitterهای هیدرواستاتیک و سیستم‌های DP Level Measurement استفاده می‌شود.

 

رابطه فشار و اندازه‌گیری سطح

یکی از کاربردهای مهم Pressure Transmitterها، اندازه‌گیری Level است.

در یک مخزن باز، فشاری که مایع در کف مخزن ایجاد می‌کند با ارتفاع ستون مایع متناسب است.

بنابراین:

Level ↑ → Hydrostatic Pressure ↑

اما در مخازن بسته علاوه بر فشار ناشی از مایع، فشار فضای بالای مخزن نیز وجود دارد.

در این شرایط معمولاً از Differential Pressure Transmitter استفاده می‌شود تا فشار فضای گازی از فشار پایین مخزن حذف شود و فشار ناشی از ستون مایع محاسبه شود.

 

تفاوت Gauge، Absolute و Differential Pressure

برای درک ساده‌تر می‌توان مرجع هر فشار را در نظر گرفت.

در Gauge Pressure، مرجع فشار اتمسفریک است.

در Absolute Pressure، مرجع خلأ کامل است.

در Differential Pressure، مرجع یک فشار دیگر در فرایند است.

همین تفاوت ساده تعیین می‌کند که برای هر کاربرد چه نوع سنسور یا ترانسمیتری باید انتخاب شود.

 

چه زمانی از Gauge Pressure استفاده کنیم؟

در اکثر کاربردهای معمول صنعتی که هدف بررسی فشار تجهیزات و خطوط نسبت به محیط اطراف است، Gauge Pressure انتخاب رایجی است.

برای مثال اندازه‌گیری فشار خطوط فرایندی، خروجی پمپ، سیستم‌های هیدرولیک، هوای فشرده و بسیاری از مخازن تحت فشار با Gauge Pressure انجام می‌شود.

 

چه زمانی از Absolute Pressure استفاده کنیم؟

Absolute Pressure زمانی اهمیت پیدا می‌کند که تغییرات Atmospheric Pressure نباید روی مقدار اندازه‌گیری اثر بگذارد.

از جمله کاربردهای متداول آن می‌توان به سیستم‌های Vacuum، برخی فرایندهای Distillation، تعیین فشار بخار، تجهیزات آزمایشگاهی، برخی فرایندهای غذایی و سیستم‌هایی که محاسبات ترمودینامیکی دقیق دارند اشاره کرد.

Absolute Pressure همچنین در شرایطی که فشار بسیار نزدیک به خلأ است اهمیت ویژه‌ای دارد.

 

چه زمانی Differential Pressure انتخاب مناسبی است؟

هرگاه هدف اصلی اندازه‌گیری اختلاف فشار دو نقطه باشد، Differential Pressure انتخاب مناسبی است.

نمونه‌های رایج آن شامل پایش فیلترها، اندازه‌گیری Flow با Primary Elementهایی مانند Orifice Plate، اندازه‌گیری Level مخازن بسته و بررسی اختلاف فشار در برخی تجهیزات فرایندی است.

 

Pressure Gauge و Pressure Transmitter چه تفاوتی دارند؟

Pressure Gauge معمولاً برای نمایش محلی فشار استفاده می‌شود.

اپراتور می‌تواند مقدار فشار را مستقیماً از روی صفحه گیج مشاهده کند.

اما Pressure Transmitter فشار را اندازه‌گیری کرده و آن را به یک سیگنال قابل انتقال به سیستم کنترل تبدیل می‌کند.

در صنایع فرایندی خروجی‌هایی مانند 4-20 mA، HART یا پروتکل‌های دیجیتال در ترانسمیترهای فشار متداول هستند.

سیگنال ترانسمیتر می‌تواند به سیستم‌هایی مانند PLC، DCS یا سیستم مانیتورینگ ارسال شود.

 

نکات مهم در انتخاب Pressure Transmitter

انتخاب ترانسمیتر فشار فقط بر اساس Range انجام نمی‌شود.

ابتدا باید مشخص شود که Measurement Type مورد نیاز چیست:

Gauge، Absolute یا Differential.

پس از آن باید مواردی مانند محدوده اندازه‌گیری، فشار کاری و Overpressure، دقت، دمای فرایند، دمای محیط، نوع سیال، متریال قسمت‌های در تماس با سیال، Process Connection، نوع خروجی، شرایط محیطی و Hazardous Area بررسی شوند.

در بعضی فرایندهای خورنده، داغ، ویسکوز یا دارای احتمال گرفتگی ممکن است استفاده از Diaphragm Seal یا Remote Seal نیز ضروری باشد.

 

اشتباه رایج در انتخاب نوع فشار

یکی از اشتباهات رایج این است که در Datasheet فقط عدد فشار نوشته شود.

برای مثال عبارت:

Pressure Range: 0–10 bar

اطلاعات کاملی ارائه نمی‌دهد.

باید مشخص شود:

0–10 barg

یا

0–10 bara

زیرا این دو Range از نظر Reference Pressure متفاوت هستند.

همین موضوع در انتخاب و کالیبراسیون Pressure Transmitter نیز اهمیت زیادی دارد.

 

جمع‌بندی

فشار یکی از مهم‌ترین پارامترهای فرایندی در ابزار دقیق است؛ اما برای اندازه‌گیری صحیح آن باید مرجع فشار نیز مشخص شود.

Gauge Pressure فشار را نسبت به فشار اتمسفریک اندازه‌گیری می‌کند و یکی از رایج‌ترین روش‌های اندازه‌گیری فشار در صنعت است.

Absolute Pressure فشار را نسبت به Perfect Vacuum اندازه‌گیری می‌کند و در کاربردهایی که تغییرات فشار اتمسفریک نباید روی اندازه‌گیری اثر بگذارد اهمیت ویژه‌ای دارد.

Differential Pressure اختلاف فشار میان دو نقطه را اندازه‌گیری می‌کند و کاربرد گسترده‌ای در اندازه‌گیری Flow، Level و پایش فیلترها دارد.

Vacuum Pressure نیز شرایطی را نشان می‌دهد که فشار سیستم کمتر از Atmospheric Pressure است و Hydrostatic Pressure اساس بسیاری از روش‌های اندازه‌گیری سطح مایعات محسوب می‌شود.

در نتیجه هنگام انتخاب Pressure Gauge یا Pressure Transmitter، تنها Range فشار کافی نیست و باید نوع فشار یعنی Gauge، Absolute یا Differential نیز به‌درستی مشخص شود.