مانومتر آزمایشگاهی چیست؟ – انواع و کاربرد آن کدام است؟

برای اندازه گیری فشار گازها با استفاده از مقایسه با فشار هوا از یک دستگاهی به نام مانومتر آزمایشگاهی استفاده می شود. با استفاده از فشارسنج می توان فشار گازی که در یک ظرف قرار دارد را اندازه گرفت. در این اندازه گیری ستون مایعی به کار می رود که از جیوه یا آب پر شده است. فشارسنج های ساده را می توان با استفاده از یک لوله U شکل پر از مایع ساخت. با اعمال فشار، سطح مایع در دو طرف لوله که در ابتدا یکسان بود، تغییر می کند. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با مانومتر آزمایشگاهی و انواع آن آشنا می کند.

فهرست مطالب :

۱- فشار چیست؟

۲- مانومتر آزمایشگاهی چیست؟

۳- نحوه عملکرد مانومترهای آزمایشگاهی

۴- دلایل استفاده از جیوه در مانومترها

۵- انواع مانومتر آزمایشگاهی بر اساس کاربرد آن ها

۱-۵- مانومتر دیجیتالی

۲-۵- مانومتر روغنی

۳-۵- مانومتر اکسیژن

۶- انواع مانومترها با توجه به نوع فشار آن ها

۷- کاربردهای مانومتر آزمایشگاهی

۱- فشار چیست؟

میزان نیروی وارد بر یک سطح را به عنوان فشار تعریف می کنند. واحد اندازه گیری فشار در سیستم SI پاسکال یا همان نیوتن برمتر مربع می باشد. یک پاسکال مقدار یک نیوتن نیرویی است که بر سطحی برابر یک متر مربع از جسم وارد می شود. فشار در مانومتر با فرمول P = hgd محاسبه می شود که h ارتفاع مایع، g نیروی جاذبه، d چگالی مایع و P فشار خواهد بود.

۲- مانومتر آزمایشگاهی چیست؟

ساده ترین مانومتر آزمایشگاهی، برای یک لوله U شکل پر از مایع به کار برده می شود که می توان اثر فشار را روی ستون مایع آن نشان داد. قبل از تحت فشار قرار گرفتن، ارتفاع مایع در دو طرف ستون مایع در یک موقعیت ثابت و با سطح یکی می باشد. در این لحظه گفته می شود، فشارسنج در موقعیت فشاری صفر قرار دارد و دو سمت تحت یک فشار ثابت هستند. وقتی مانومترتحت فشار قرار گرفت، ارتفاع در دو سمت ستون تغییر کرده و با مقیاس اندازه گیری که مانومتر روی آن قرار گرفته، تعیین می شود.

 نکته :

تمام فشارهای اندازه گیری شده توسط مانومترها، باید با انحراف درجه حرارت اصلاح شود. زیرا تغییرات دما در انبساط و انقباض مایعات تأثیر دارد.

۳- نحوه عملکرد مانومترهای آزمایشگاهی :

مهمترین بخش در مانومتر آزمایشگاهی لوله بوردون است که لوله ی توخالی است که یک پل ارتباطی بین منبع تحت فشار و بخش مقیاس نمایشگر مانومتر می باشد. این لوله به شکل C بوده و دارای سطح مقطع بیضی شکل می باشد که دو سر دارد. یک سر آن بسته و سر دیگر آن به مربوط به محیط تحت فشار است. مانومتر به این ترتیب اندازه فشار وارد شده به آن را نشان می دهد که اعمال فشار نوک آزاد لوله بوردون را حرکت می دهد. انتقال حرکت به چرخ دنده و عقربه با سیستم شفت و اهرم انجام گرفته و فشار روی صفحه با حرکت عقربه نشان داده می شود.

اما طرز عمل مانومترهای U شکل که داخل آن را مایعی (به طور معمول جیوه) پر می کند به این ترتیب است که یک سر لوله باز است و تحت فشار جو و ۱ اتمسفر قرار گرفته است. اما سر دیگر به ظرف دارای گاز متصل است  که با باز شدن شیر این ظرف، ارتفاع جیوه در اثر وارد شدن فشار گاز، تغییر کرده و فشار آن اندازه گیری می شود. اگر فشار گازی که از مخزن وارد می شود بیشتر از یک اتمسفر باشد، ارتفاع مایع جیوه در ستون متصل به مخزن پایین می آید و اما اگر فشار اعمالی کمتر از یک اتمسفر باشد، ارتفاع جیوه در ستون متصل به مخزن بالا می آید.

نکته :

از مانومترهای لوله بوردون در تبرید برای فشارهای بالا استفاده می شود و علت آن، طویل بودن لوله های توخالی بوردون می باشد. اما از فشارسنج های U شکل برای اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه، خلأ و فشار معمول استفاده می شود. مانومتر U شکل دقیق ترین و در عین حال ساده ترین روش اندازه گیری فشار می باشد.

۴- دلایل استفاده از جیوه در مانومترها :

یکی از دلایلی که از جیوه به جای مایعات دیگر استفاده می شود، چگالی بالای این مایع می باشد. در غیر این صورت باید از لوله های شیشه ای استفاده شود که دارای ارتفاع زیادی هستند (داشتن چگالی کم). به عنوان مثال با به کار بردن آب به جای جیوه، لوله مانومتر باید دارای ارتفاع بیشتر از ۱۰ متری باشد. دلیل دیگر استفاده از این مایع چگال، داشتن فشار بخار کم آن است. مایعات دیگر با داشتن فشار بخار زیاد می توانند روی فشار اندازه گیری شده اثر بگذارند. ولی فشار بخار جیوه به حدی کم است که قسمت بالای آن در ستون مانومتر را می توان تقریبا خلأ کامل تصور کرد. البته از آب برای اندازه گیری اختلافات فشاری جزئی و کم استفاده می شود.

۵- انواع مانومتر آزمایشگاهی بر اساس کاربرد آن ها :

مانومترها با توجه به نوع استفاده ای که دارند به شکل های مختلفی چون مانومترهای دیجیتالی، روغنی، اکسیژن و … ساخته می شوند.

۱-۵- مانومتر دیجیتالی :

فشار اندازه گیری شده روی یک صفحه نمایش دیجیتالی نمایش داده شده و توسط کاربر مشاهده می شود. این فشار سنج مشکلات مربوط به مانومترهای معمولی که داشتن لوله ی شیشه ای، جیوه و مکانی با سطح دقیق برای قرار گرفتن مانومتر در آن است، را ندارد. اساس ساخت مانومترهای دیجیتال، میکروپروسسور بوده و به راحتی قابل حمل و انتقال می باشند.

۲-۵- مانومتر روغنی :

مانومترهای روغنی از دقیق ترین فشارسنج ها هستند که فشار در دستگاه هایی با لرزش زیاد توسط آن ها به طور دقیق اندازه گیری می شود.

۳-۵- مانومتر اکسیژن :

به رگولاتور، مانومتر اکسیژنی گفته می شود. این وسیله در قسمت خروجی کپسول اکسیژن نصب شده و می تواند هم مقدار اکسیژنی که وارد یا خارج می شود را تنظیم کند و هم می تواند آن را اندازه گیری کند.

۶- انواع مانومترها با توجه به نوع فشار آن ها :

سنسور فشار مطلق :

فشار یک نقطه نسبت به فشار صفر پاسکال (خلأ کامل) توسط سنسور مطلق اندازه گیری می شود. این فشار به نام فشار آزمایشگاهی بوده و در محاسبات استفاده می شود.

سنسور فشار گیج :

کالیبراسیون سنسور فشار گیج با اندازه گرفتن فشار یک نقطه نسبت به فشار اتمسفریک در نقطه دیگر انجام می شود و به همین دلیل می تواند برای کارهای مختلفی چون گرفتن فشار باد لاستیک در خودروها و موتورها استفاده شود.

سنسور فشار خلأ :

اندازه گیری فشار در نقاطی که دارای فشاری کمتر از فشار اتمسفر هستند، به سنسور فشار خلأ انجام می شود. مختلف بودن مرجع در سنسور خلأ صنعت می تواند اشتباهاتی را سبب شود.

سنسور فشار تفاضلی :

اختلاف فشار بین دو یا چند نقطه، مانند تعیین افت فشار فیلتر روغن و اندازه گرفتن سطح مخازن، توسط سنسور فشار تفاضلی انجام می شود.

سنسور فشار مهر شده :

عملکرد سنسور فشار مهر شده و گیج یکی است. اما در سنسور فشار مهر شده، قبل از مهر و موم شدن، اول کالیبراسیون آن نسبت به فشار دریا، انجام می شود.

۷- کاربردهای مانومتر آزمایشگاهی :

از مهمترین کاربردهای مانومترها تعیین فشار در هواپیما، اتومبیل، مخازن، دیگ ها، تجهیزات هواشناسی و موارد بسیار دیگر فشاردار می باشد. از کاربردهای دیگر این دستگاه تعیین سطح ارتفاع می باشد. به این طریق که با استفاده از رابطه ای که بین فشار و ارتفاع از سطح دریا وجود دارد، می توان با اندازه گیری فشار و قرار دادن در رابطه، میزان ارتفاع را به دست آورد. بین ارتفاع و فشار رابطه عکس وجود دارد. این روش در هواپیماها، موشک ها، بالن های هواشناسی، ماهواره و موارد دیگر استفاده می شود.

یکی دیگر از کاربردهای تعیین فشار، اندازه گیری عمق می باشد که برای تعیین مکان زیردریایی ها، غواص ها و …، با اندازه گیری فشار می توان ارتفاع سطح مایع را تعیین کرد. همچنین نشتی یک سیستم می تواند با تعیین افت فشار (اختلاف فشار سیستم و فشار سیستم با نشتی معلوم و یا بررسی مقدار فشار در یک مدت زمان معلوم) به دست آید. اندازه گیری فیزیولوژیکی مانند فشار خون، نظارت طرز کار سیستم کمپرسور، پایش فشار گاز در سیستم های لوله کشی نیز از موارد استفاده مانومترهاست.