أنواع مختلفة من أجهزة قياس الضغط وكيفية اختيار واحد

تعد أجهزة قياس الضغط من بين الأدوات الأساسية في أي بيئة صناعية أو ميكانيكية أو عملية. وهي توفر قياسًا فوريًا لضغط السوائل أو الغاز، مما يتيح للمشغلين مراقبة أداء النظام، ومنع تلف المعدات، وضمان سلامة الموظفين. ومع ذلك، فإن مصطلح "مقياس الضغط" يغطي فئة واسعة بشكل مدهش من الأدوات، كل منها مصمم لمبدأ قياس محدد، وبيئة التشغيل، ومتطلبات الدقة. إن فهم الأنواع المختلفة من أجهزة القياس المتاحة — ومعرفة النوع الذي يناسب أي تطبيق — يعد معرفة أساسية للمهندسين، ومتخصصي المشتريات، وفنيي الصيانة على حدٍ سواء.

ما الذي يقيسه مقياس الضغط فعليًا؟

قبل استكشاف الأنواع المختلفة لأجهزة القياس، من المهم توضيح ما يتم قياسه بالفعل، لأن أنواع أجهزة القياس المختلفة يتم تحديدها جزئيًا من خلال النقطة المرجعية الخاصة بها. الضغط هو القوة المطبقة على وحدة المساحة، ويمكن التعبير عنه بالنسبة لخطوط أساس مختلفة اعتمادًا على التطبيق وتصميم الأداة.

ضغط المقياس هو القيمة الأكثر قياسًا ويمثل الضغط النسبي للضغط الجوي المحلي. إن قراءة مقياس الضغط البالغة صفر تعني أن ضغط النظام يساوي الضغط الجوي - ولا يعني ذلك عدم وجود ضغط على الإطلاق. يتم قياس الضغط المطلق بالنسبة إلى الفراغ المثالي ويستخدم في التطبيقات التي يؤدي فيها التغير الجوي إلى حدوث خطأ غير مقبول، كما هو الحال في العمليات الحساسة للارتفاع أو الفراغ. يقيس الضغط التفاضلي الفرق بين نقطتي ضغط داخل النظام، وهو أمر بالغ الأهمية لمراقبة معدلات التدفق، وظروف التصفية، والمستوى في الأوعية المضغوطة. يتوافق كل نوع من أنواع القياس هذه مع تصميمات أجهزة قياس محددة، لذا فإن تحديد النقطة المرجعية الصحيحة هو الخطوة الأولى في اختيار الأداة المناسبة.

أجهزة قياس ضغط أنبوب بوردون

يعتبر مقياس أنبوب بوردون هو المقياس الميكانيكي الأكثر استخدامًا مقياس الضغط في العالم. ويعتمد مبدأ تشغيله على أنبوب معدني منحني مجوف - عادةً على شكل حرف C، أو حلزوني، أو حلزوني - يستقيم قليلاً مع زيادة الضغط الداخلي. يتم تضخيم هذه الحركة ميكانيكيًا من خلال وصلة تروس وترس، والتي تترجم انحراف الأنبوب إلى حركة دورانية للمؤشر عبر قرص مُعاير. تتميز أجهزة قياس أنبوب بوردون بالقوة، والموثوقية، والقائمة بذاتها، ولا تحتاج إلى مصدر طاقة خارجي، مما يجعلها افتراضية في الصناعة لمراقبة الضغط للأغراض العامة عبر جميع القطاعات تقريبًا.

تتوفر مقاييس أنبوب بوردون في نطاقات قياس تتراوح من 0 إلى 0.6 بار وحتى عدة آلاف من البارات، اعتمادًا على مادة الأنبوب وسمك الجدار. تشتمل مواد الأنابيب القياسية على النحاس والبرونز الفوسفوري للخدمة العامة، بينما يتم تخصيص الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ للوسائط المسببة للتآكل، أو السوائل ذات درجة الحرارة العالية، أو التطبيقات الصحية. القيد الرئيسي لمقاييس أنبوب بوردون هو الحساسية للاهتزاز ونبض الضغط، وكلاهما يمكن أن يسبب تآكلًا مبكرًا للحركة وسلوك المؤشر غير المنتظم. تعالج المقاييس المملوءة بالسوائل - حيث يتم ملء العلبة بالغليسيرين أو زيت السيليكون - هذا القيد بفعالية عن طريق تثبيط الحركة الداخلية وتشحيم آلية التروس.

أجهزة قياس ضغط الحجاب الحاجز

تستخدم مقاييس الحجاب الحاجز غشاءًا مرنًا كعنصر استشعار بدلاً من الأنبوب المنحني. عندما يتم تطبيق الضغط على أحد جانبي الحجاب الحاجز، فإنه ينحرف، ويتحول هذا الانحراف إلى حركة المؤشر من خلال وصلة ميكانيكية. إن تصميم الغشاء يجعل هذه المقاييس مناسبة بشكل خاص لقياس الضغوط المنخفضة التي تقع تحت النطاق العملي لأدوات أنبوب بوردون، عادةً من بضعة مليبار إلى حوالي 40 بار. نظرًا لأن عنصر الاستشعار عبارة عن سطح كبير ومستوٍ نسبيًا، فإن مقاييس الحجاب الحاجز تكون أيضًا أكثر حساسية لتغيرات الضغط الصغيرة عند النطاقات المنخفضة من أنواع أنابيب بوردون.

إحدى المزايا الرئيسية لمقاييس الحجاب الحاجز هي ملاءمتها للوسائط شديدة اللزوجة أو الملوثة أو العدوانية. يمكن تصنيع الحجاب الحاجز من الفولاذ المقاوم للصدأ، أو Hastelloy، أو التنتالوم، أو المعدن المطلي بـ PTFE، أو غيرها من المواد المتخصصة التي تقاوم الهجوم الكيميائي. في العديد من التصميمات، لا يدخل وسيط المعالجة أبدًا إلى جسم المقياس نفسه - فهو يتصل فقط بوجه الحجاب الحاجز - مما يمنع انسداد الحركة ويسهل عملية التنظيف. وهذا يجعل مقاييس الحجاب الحاجز الخيار المفضل في المعالجة الكيميائية، والأغذية والمشروبات، وتصنيع الأدوية، وتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي.

أجهزة قياس ضغط الكبسولة

تم تصميم أجهزة قياس الكبسولة خصيصًا لقياس ضغوط الغازات المنخفضة جدًا، خاصة في نطاق 0-600 ملي بار. يتكون عنصر الاستشعار من أغشية معدنية مموجة ملحومة معًا في محيطها لتشكيل كبسولة محكمة الغلق. عندما يتم تطبيق الضغط على الجزء الخارجي من الكبسولة، يتم ضغط الغشاءين معًا، مما يؤدي إلى إزاحة ميكانيكية دقيقة. هذا التصميم حساس للغاية وخطي في استجابته عند نطاقات الضغط المنخفض، مما يجعله مثاليًا لأنظمة إمداد الغاز، ومراقبة ضغط التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، والتحكم في هواء الاحتراق، ومؤشر الضغط التفاضلي للمرشح في أنابيب الضغط المنخفض.

يجب استخدام أجهزة قياس الكبسولة فقط مع الغازات النظيفة والجافة وغير القابلة للتآكل. وهي غير مناسبة للوسائط السائلة وتكون حساسة لوجود المكثفات أو الجسيمات الملوثة في تيار الغاز. عند تركيب أجهزة قياس كبسولة في تطبيقات مراقبة الغاز، يوصى بشدة باستخدام مصيدة رطوبة أو مرشح مضمّن في أعلى المقياس لحماية عنصر الاستشعار والحفاظ على الدقة بمرور الوقت.

أجهزة قياس الضغط التفاضلي

تحتوي أجهزة قياس الضغط التفاضلي على منفذي ضغط — جانب الضغط العالي وجانب الضغط المنخفض — وتعرض الفرق بين الاثنين. وهذا يجعلها مختلفة بشكل أساسي عن أدوات القياس أو الضغط المطلق، التي تقيس الضغط عند نقطة واحدة. تُستخدم مقاييس الضغط التفاضلي حيثما تحمل العلاقة بين قيمتين للضغط أهمية تشغيلية أكبر من القيمة الفردية وحدها.

تشمل التطبيقات الشائعة مراقبة انخفاض الضغط عبر المرشحات والمصافي للإشارة إلى وقت الحاجة إلى التنظيف أو الاستبدال، وقياس معدلات التدفق من خلال ألواح الفتحات وأجهزة قياس الفنتوري (حيث يرتبط الضغط التفاضلي مباشرة بسرعة التدفق)، ومراقبة مستوى السائل في الخزانات المضغوطة المغلقة. يمكن إنشاء أجهزة قياس الضغط التفاضلي باستخدام عناصر استشعار الحجاب الحاجز أو المكبس أو أنبوب بوردون، اعتمادًا على نطاق الضغط والوسائط المعنية. يجب أن يتم اختيارهما بعناية للتوافق مع كلا وسائط المعالجة في وقت واحد، حيث قد يتعرض كلا المنفذين لسوائل مختلفة أو نفس السائل في ظروف مختلفة.

أجهزة قياس الضغط الرقمية والإلكترونية

تستخدم مقاييس الضغط الرقمية محول ضغط إلكتروني - عادةً ما يكون عنصر استشعار كهرضغطية أو سعوية أو مقياس ضغط - لتحويل الضغط إلى إشارة كهربائية، والتي تتم بعد ذلك معالجتها وعرضها كقراءة رقمية على شاشة LCD أو LED. على عكس المقاييس الميكانيكية، توفر الأدوات الرقمية العديد من المزايا المتميزة بما في ذلك الدقة العالية، والقدرة على تسجيل البيانات، ومخرجات الإنذار القابلة للتكوين، ووحدات القياس القابلة للتحديد، والقدرة على نقل القراءات إلى أنظمة المراقبة عن بعد عبر بروتوكولات الاتصال التناظرية أو الرقمية مثل 4-20 مللي أمبير، أو HART، أو Modbus.

يتم تحديد أجهزة القياس الرقمية بشكل متزايد في المنشآت الصناعية الحديثة حيث يلزم دمج بيانات العملية في SCADA أو أنظمة التحكم الموزعة. كما أنها ذات قيمة في تطبيقات المعايرة والاختبار حيث تكون دقة ودقة المقياس الميكانيكي غير كافية. وتتمثل العيوب الأساسية في اعتمادها على طاقة البطارية أو مصدر خارجي، وقابلية تعرضها للتداخل الكهرومغناطيسي، وارتفاع تكلفتها الأولية مقارنة بالبدائل الميكانيكية. في التطبيقات الحرجة للسلامة، غالبًا ما يتم تثبيت مقياس احتياطي ميكانيكي جنبًا إلى جنب مع أداة رقمية لتوفير إشارة مرئية آمنة من الفشل في حالة انقطاع التيار الكهربائي.

مقارنة الأنواع الرئيسية لأجهزة قياس الضغط

يبدأ تحديد نوع المقياس الصحيح بمطابقة خصائص تصميم الجهاز مع المتطلبات المحددة للتطبيق. يقدم الجدول أدناه مقارنة عملية لأنواع أجهزة القياس الرئيسية عبر معايير الاختيار الرئيسية:

أنواع أجهزة القياس المتخصصة لتطبيقات محددة

بالإضافة إلى الفئات الرئيسية، تم تصميم العديد من أنواع المقاييس المتخصصة لظروف التشغيل الصعبة أو غير العادية حيث قد تفشل الأدوات القياسية أو يكون أداؤها غير كافٍ.

أجهزة قياس عالية النقاء وصحية

في بيئات الصناعات الدوائية والتكنولوجيا الحيوية وتجهيز الأغذية، تكون تصميمات المقاييس القياسية غير مقبولة لأنها تحتوي على شقوق وأرجل ميتة ومواد غير صحية تؤوي البكتيريا وتمنع التنظيف الفعال. تم تصميم مقاييس الضغط الصحي بأسطح غشائية متدفقة، وأسطح داخلية مصقولة، ووصلات تتوافق مع المعايير الصحية 3-A أو EHEDG. يتم تصنيع جميع الأجزاء المبللة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L مع قيم خشونة سطح محددة، عادةً Ra ≥ 0.8 ميكرومتر، لضمان قابلية التنظيف الكاملة بموجب إجراءات CIP (التنظيف في المكان) وSIP (التعقيم في المكان).

أجهزة قياس الضغط العالي والضغط العالي للغاية

تتطلب التطبيقات مثل الاختبار الهيدروليكي، والقطع بنفث الماء، والمفاعلات الكيميائية عالية الضغط، وأنظمة ضغط الغاز، أجهزة قياس مصنفة للضغوط القصوى التي تتجاوز 1000 بار أو أكثر. تستخدم هذه الأدوات أنابيب بوردون الحلزونية - تكوين أنبوبي زنبركي ملفوف بإحكام يوفر دورات متعددة من الانحراف للحصول على دقة أكبر في النطاقات العالية - مقترنة بحالات شديدة التحمل من الفولاذ المقاوم للصدأ ووصلات معالجة متخصصة عالية الضغط مثل المخروط والمقبس أو تركيبات الضغط المتوسط. تعتبر أنماط السلامة مع الألواح الخلفية المنفجرة إلزامية في تركيبات قياس الضغط العالي لحماية المشغلين في حالة تمزق الأنبوب.

أجهزة قياس الاختبار والمعايرة

مقاييس الاختبار هي أدوات دقيقة بفئات دقة تبلغ 0.25% أو أفضل، وتستخدم للتحقق من قراءات مقاييس العمليات المثبتة، ومعايرة الأجهزة، وإجراء اختبار القبول على أنظمة الضغط. تتميز بأقطار كبيرة للميناء - عادةً 150 مم أو 250 مم - للسماح باستيفاء المؤشر الدقيق، وأقراص ذات نطاق مرآة للتخلص من خطأ قراءة المنظر، وآليات المؤشر القابلة للتعديل. يجب تخزين أجهزة قياس الاختبار بعناية في حالات وقائية عند عدم استخدامها وإعادة معايرتها على فترات منتظمة وفقًا للمعايير التي يمكن تتبعها للحفاظ على دقتها المعلنة.

العوامل الرئيسية عند اختيار مقياس الضغط المناسب

يتطلب اختيار مقياس الضغط الصحيح من بين العديد من الأنواع المختلفة المتاحة تقييم عدة عوامل مترابطة. غالبًا ما يؤدي التسرع في هذا القرار إلى فشل مبكر للأداة، أو قراءات غير دقيقة، أو مخاطر على السلامة. تغطي القائمة المرجعية التالية معايير الاختيار الأكثر أهمية:

• نطاق الضغط: يجب أن يتراوح ضغط التشغيل الطبيعي للنظام بين 25% و75% من النطاق الكامل للمقياس. يؤدي التشغيل المستمر في الجزء العلوي من المقياس إلى تسريع إجهاد عنصر الاستشعار، في حين أن النطاق الواسع جدًا يقلل من إمكانية القراءة والدقة في ظروف التشغيل العادية.
• توافق الوسائط: يجب أن تكون جميع المواد المبللة - الأنبوب والمقبس وأي مكونات داخلية - متوافقة كيميائيًا مع سائل أو غاز العملية. راجع مخطط المقاومة الكيميائية وحدد درجة المادة الصحيحة لكل تطبيق لمنع الفشل المرتبط بالتآكل.
• درجة حرارة العملية: تؤثر درجات حرارة العملية المرتفعة على دقة القياس ويمكن أن تلحق الضرر بعنصر الاستشعار. بالنسبة للوسائط التي تزيد درجة حرارتها عن 60 درجة مئوية، يجب استخدام أنبوب سيفون (للبخار)، أو عنصر تبريد، أو مجموعة سدادة غشائية عن بعد لحماية جسم المقياس من التعرض للحرارة.
• الاهتزاز والنبض: تتطلب الأنظمة التي تحتوي على مضخات أو ضواغط أو تقلبات ضغط عالية التردد إما أجهزة قياس مملوءة بالسائل أو تركيب جهاز صد (مثبط النبض) في وصلة مدخل المقياس لحماية الحركة من التحميل الدوري السريع.
• تصنيف حماية البيئة: يجب أن تحمل أجهزة القياس المثبتة في الخارج أو في البيئات الرطبة أو المتربة أو العدوانية كيميائيًا تصنيف IP (حماية الدخول) المناسب. عادةً ما يكون IP65 أو أعلى مطلوبًا للتركيبات الخارجية لمنع دخول الرطوبة والملوثات إلى العلبة.
• فئة الدقة: تعتمد فئة الدقة المطلوبة على مدى أهمية القياس. تتطلب المراقبة الصناعية العامة عادةً فئة دقة تبلغ 1.6% أو 2.5%، بينما قد تتطلب تطبيقات التحكم في العمليات فئة 1.0% أو أفضل. تتطلب تطبيقات السلامة والمعايرة الحرجة أدوات دقيقة من فئة 0.25% إلى 0.6%.

ممارسات التثبيت والصيانة التي تحمي أداء جهاز القياس

حتى أفضل مقياس ضغط محدد سيكون أداؤه ضعيفًا أو سيفشل قبل الأوان إذا تم تركيبه بشكل غير صحيح أو إهماله أثناء الخدمة. يجب دائمًا تثبيت المقياس في وضع رأسي مستقيم حيثما أمكن ذلك، حيث يؤثر التثبيت المائل أو المقلوب على توازن المؤشر، وفي المقاييس المملوءة بالسائل، يمكن أن يتسبب في تسرب السوائل من العلبة. يجب إجراء اتصالات العملية باستخدام مانع التسرب الصحيح للوسائط - يُستخدم شريط PTFE على نطاق واسع ولكن لا ينبغي تطبيقه على الخيط الأول لمنع دخول الأجزاء إلى مدخل المقياس. يسمح صمام العزل اليدوي المثبت بين خط المعالجة والمقياس بعزل المقياس للاستبدال أو المعايرة دون مقاطعة تشغيل النظام.

يجب أن يتحقق الفحص المنتظم لأجهزة القياس المثبتة من انحراف المؤشر، والأقراص المتشققة، وتسرب العلبة، وتآكل اتصال العملية. يجب إعادة معايرة أو استبدال أجهزة القياس التي تظهر خطأ إزاحة ثابت. في التطبيقات ذات الأهمية الحيوية للسلامة، يجب توثيق المعايرة الرسمية للمقياس وجدول الاستبدال - عادةً على أساس سنوي أو كما هو محدد في تقييم المخاطر - والالتزام به بدقة. إن فهم الأنواع المختلفة من أجهزة القياس المتاحة وتطبيق ممارسات اختيار الصوت والتركيب والصيانة يضمن أن يظل قياس الضغط دقيقًا وموثوقًا وآمنًا طوال عمر أي نظام مضغوط.