فشار خلأ که به آن وکیوم (Vacuum) نیز گفته می‌شود، به معنای ایجاد شرایطی خاص برای کاهش شدید هوا در یک فضا است. این کار به‌منظور کمتر کردن فشار محفظه مورد نظر از فشار اتمسفری انجام می‌شود و کاربردهای گسترده‌ای دارد. به طور مثال در صنعت، از آن برای نگهداری طولانی‌مدت و جلوگیری از فساد مواد غذایی و دارویی استفاده شده، یا اینکه در صنایع داروسازی و پتروشیمی، با استفاده از فشار خلأ موادی با نقطه جوش بالا و متمایز را از یکدیگر جدا می‌کنند. برای انجام صحیح تمامی این فرایندها، بسیار ضروری است که اندازه گیری فشار خلاء به شیوه کاملاً دقیق و صحیحی انجام شود. به این منظور، ابزارها و دستگاه‌های مختلفی وجود دارند که در این مطلب به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.
آشنایی با فشار خلأ و دلایل اندازه گیری فشار خلاء
فشار خلأ در شرایطی به وجود می‌آید که فشار یک محفظه کمتر از فشار محیط اطراف آن باشد. در واقع کمتر بودن فشار یک فضا از فشار اتمسفر، شرایط فشار خلأ را به وجود می‌آورد. این شرایط، دو نوع خلأ را ایجاد خواهد کرد:
①خلأ مطلق که در آن فشار صفر مطلق است.
②خلأ نسبی که در آن فشاری کمتر از فشار اتمسفری داریم، اما دقیقاً صفر نیست.
این فشار کاربردهای بسیار گسترده و متنوعی در تمامی صنایع مثل صنعت غذا و دارو وحتی صنعت قطعات الکترونیکی دارد؛ بنابراین اندازه‌گیری میزان دقیق آن که با واحدهایی مثل پاسکال صورت می‌گیرد، می‌تواند نقش مهمی در حفظ کیفیت محصولات صنعتی و انجام صحیح فرایندهای فیزیکی و شیمیایی داشته باشد.
انواع ابزارهای اندازه گیری فشار خلاء
ندازه‌گیری فشار خلأ با استفاده از گیج‌های خلأ صورت می‌گیرد که انواع مختلفی دارند. هر کدام از این ابزارها برای یک محدود خاص از فشار خلأ کاربردی هستند. مکانیسم عملکرد در گیج‌های خلأ با هم تفاوت زیادی دارد و براین‌اساس به چندین دسته مختلف تقسیم می‌شوند. دسته‌های اصلی شامل انواع مکانیکی، حرارتی و یونیزاسیونی هستند و در ادامه به طور مفصل بررسی خواهند شد.
فشارسنج‌های مکانیکی
این دسته از فشارسنج‌ها با استفاده از نیروی مکانیکی واردشده بر روی یک سطح مشخص، فشار را اندازه‌گیری می‌کنند. این نوع از فشارسنج به دو نوع بوردن و دیافراگمی تقسیم می‌شود.
⦿ فشارسنج بوردون (Bourdon): این گیج یا فشارسنج اندازه گیری فشار خلاء، فشار مطلق را اندازه‌گیری کرده و به‌صورت عقربه‌ای ساخته می‌شود. تغییر فشار درون لوله باعث تغییر شکل منحنی شده و عقربه را حرکت می‌دهد و اندازه‌گیری به‌صورت دقیق انجام خواهد شد. به این گیج‌ها، گیج فشار عقربه ای هم گفته می‌شود و نصب و راه اندازی آن‌ها بسیار ساده است.
⦿ فشارسنج دیافراگمی (Diaphragm Gauge): یک دیافراگم از جنس سرامیک یا فلز در این دستگاه وجود دارد که تغییر فرم می‌دهد و در نتیجه آن، اختلاف فشار اندازه‌گیری خواهد شد. این فشارسنج‌ها می‌توانند در هر جهتی نصب شوند و به‌صورت مستقل از فشار محیطی و نوع گاز فشار را به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری خواهند کرد. به این روش اندازه‌گیری فشار به روش خازنی هم گفته می‌شود. چرا که در این روش، با استفاده از مدار پل، اندازه خازن نسبی تعیین شده و فشار اندازه‌گیری می‌شود.
مزایا و معایب استفاده از فشارسنج‌های دیافراگمی (ترانسمیتر خازنی):
مزایا
⦿
این فشارسنج، دقت بسیار بالایی دارد و در واقع دقیق‌ترین فشارسنج ساخته شده برای محدوده‌های کمتر از یک میلی بار است.
⦿
از این دستگاه می‌توان برای کالیبراسیون فشارسنج‌های دیگر در محدوده خلأ متوسط و پایین استفاده کرد.
⦿
این ابزار به‌صورت مستقل از نوع گاز و فشار محیطی عمل می‌کند.
⦿
این دستگاه را می‌توان در هر جهتی به‌راحتی نصب کرد. همچنین خوانش فشار در این دستگاه به‌صورت مستقیم انجام می‌شود.
معایب
⦿قطر این فشارسنج‌ها بزرگ است و ممکن است نصب و استفاده از آن کمی دشوار باشد.
⦿
قیمت ترانسمیتر خازنی نسبت به سایر ابزارها بالاتر است.
.
⦿
این دستگاه نسبت به مواد خورنده، ورود ذرات خارجی و آلودگی، آسیب‌های بیرونی و ارتعاشات حساس است.
⦿
این دستگاه حساسیت بالایی داشته و توانایی تحمل فشارهای بالای اتمسفری را ندارد.
⦿
این ابزار برای اندازه گیری فشار خلاء، به دمای محیط وابسته است
.
گیج پیرانی
گیج پیرانی که به گیج ترموکوپلی شباهت زیادی دارد، از پرکاربردترین انواع گیج‌هاست که نوعی گیج هدایت حرارتی به شمار می‌رود. در واقع اندازه‌گیری هدایت حرارتی گاز، تابعی از فشار بوده و توسط این دستگاه اندازه‌گیری می‌شود. در ابتدا با استفاده از جریان الکتریکی، یک سیم که معمولاً جنس آن از تنگستن است، گرم می‌شود. مولکول‌های گاز با سیم برخورد می‌کنند و دمای سیم کاهش می‌یابد. هرچه فشار بیشتر باشد، برخورد مولکول‌های گازی با سیم بیشتر شده و کاهش دمای بیشتری خواهیم داشت. در فشارهای کمتر نیز، مولکول‌ها برخورد کمتری دارند و در نتیجه کاهش دما هم کمتر است.
این سیم بخشی از یک مدار پل اصلی در گیج پیرانی است و با تغییراتی که در دمای سیم رخ می‌دهد، تغییر مقاومت را اندازه‌گیری کرده و در نهایت فشار کل سیستم را به دست می‌آورد. مکانیسم عملکرد گیج ترموکوپلی هم شباهت زیادی با این گیج دارد. در حالی در این ابزار، اتصال مستقیم ترموکوپل به سیم، باعث اندازه‌گیری مستقیم دما و در نهایت فشار خواهد شد.
برای استفاده از این نوع فشارسنج باید به چندین نکته مهم توجه داشته باشید. در ابتدا دفترچه راهنمای فشارسنج را به طور کامل مطالعه کنید تا بتوانید استفاده صحیحی از آن داشته باشید. ساختار داخلی دستگاه را بررسی کرده و در صورت وجود هرگونه مشکل ظاهری و داخلی، از آن استفاده نکنید. فشارسنج را در معرض تابش‌های گرمایی قرار ندهید و از ورود انواع آلودگی به داخل آن نیز جلوگیری کنید. در نهایت کالیبراسیون دوره‌ای را به طور منظم انجام دهید تا همواره اندازه گیری فشار خلاء به صورت دقیق انجام شود.
مزایا و معایب استفاده از گیج پیرانی
مزایا
⦿این دستگاه مستقل از فشار و دمای محیط است.
⦿
محدوده اندازه‌گیری این ابزار نسبت به ابزارهای دیگر مثل فشارسنج ترموکوپلی گسترده‌تر است.
⦿
این ابزار به‌صورت مستقل از نوع گاز و فشار محیطی عمل می‌کند.
معایب
⦿این فشارسنج به نوع گاز وابسته است.
⦿
حساسیت این ابزار به ورود انواع آلودگی و انواع ضربه بالاست
.
⦿
عملکرد صحیح این سیستم نیازمند یک منبع توان است و در نهایت فشار را به‌صورت غیرمستقیم اندازه‌گیری می‌کند.
انواع گیج‌های یونی یا فشارسنج‌های یونیزاسیون
این فشارسنج‌ها یکی دیگر از پرکاربردترین انواع فشارسنج خلأ هستند و بر اساس پارامتری به نام چگالی ذرات باردار، میزان فشار را اندازه‌گیری می‌کنند. در ابتدا این ذرات وارد دهانه گیج یونی می‌شوند و بمباران الکترونی بر روی آن‌ها انجام می‌شود. بمباران الکترونی توسط الکترون‌هایی انجام می‌شود که با استفاده از روش‌های مختلف در میدان الکتریکی، شتاب‌دار شده‌اند. با انجام بمباران و برخورد الکترون‌ها به ذرات مختلف، این ذره‌ها باردار شده و به سمت الکترودها حرکت می‌کنند. بررسی این جریان توسط انواع گیج‌های یونی، تعداد ذرات باردار را مشخص کرده و در نهایت فشار را اندازه‌گیری می‌کند. بر اساس نوع بمباران الکترونی، فشارسنج‌های یونیزاسیون را به دو دسته مختلف تقسیم می‌کنیم. اگر بمباران توسط گسیل‌های میدانی سرد انجام شود، ابزار موردنظر کاتد سرد نامیده می‌شود و درصورتی‌که روش ترمویونیک صورت بگیرد، کاتد مورد نظر، کاتد گرم است.
فشارسنج کاتد گرم (Hot Cathode Vacuum Gauge)
فشارسنج کاتد گرم یا همان پنینگ گرم دارای سه الکترود مختلف از نوع جمع‌کننده یون، کاتد و آند است. کاتد این فشارسنج اندازه گیری فشار خلاء از نوع گرم بوده و از جنس تنگستن یا اکسید ایریدیم است. الکترون‌ها تحت‌تأثیر میدان الکتریکی دارای شتاب می‌شوند و به مولکول‌های مختلف برخورد می‌کنند تا یون مثبت تولید شود. این یون‌های مثبت در الکترود جمع‌آوری‌کننده یون‌ها جمع می‌شوند و با استفاده از جریان حاصل از آن‌ها، فشار دقیق اندازه‌گیری خواهد شد. این پنینگ گرم احتیاجی به میدان مغناطیسی یا ولتاژ بالا ندارد و دقت آن نسبت به پنینگ سرد بالاتر است.
مزایا و معایب استفاده از فشارسنج پنینگ گرم
مزایا
⦿این ابزار به طور مستقل از فشار محیط عمل می‌کند و دقت نسبتاً بالایی دارد.
⦿
کاتد گرم دوام بسیار بالایی دارد و می‌توان آن را به‌سادگی در هر جهتی نصب کرد.
⦿
با استفاده از فشارسنج کاتد گرم می‌توان فشار خلأ خیلی بالا را هم اندازه‌گیری کرد.
⦿
در این دستگاه ولتاژ بالا و میدان مغناطیسی وجود ندارد
.
⦿
زمان راه اندازی این دستگاه بسیار کوتاه و فرایند آن ساده است.
معایب
⦿ فشارسنج کاتد گرم به نوع گاز وابسته است.
⦿
این دستگاه می‌تواند از محدوده خلأ متوسط به بالا را اندازه‌گیری کند و در محدوده کم، کاربرد ندارد.
.
⦿ این ابزار نسبت به مواردی مانند لرزش، ضربه و ورود ناگهانی هوا حساس است.
.
فشارسنج کاتد سرد یا فشارسنج پنینگ سرد
فشارسنج کاتد سرد ابزاری است که از روش گسیل میدانی برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌کند. در واقع دو صفحه کاتد و آند در این ابزار وجود دارند که اختلاف‌پتانسیلی در حدود ۲ کیلو ولت دی سی بین آن‌ها وجود دارد. علاوه بر این اختلاف‌پتانسیل، یک میدان مغناطیسی هم هست که میدان الکتریکی را قطع می‌کند و احتمال برخورد الکترون‌ها با ذرات را بیشتر خواهد کرد.
مزایا و معایب استفاده از فشارسنج پنینگ سرد
مزایا
⦿این ابزار از فشار محیط مستقل است و دقت خوبی در اندازه‌گیری دارد.
⦿
این دستگاه فشار خلأ بالا و خیلی بالا را نیز اندازه‌گیری می‌کند و دقت و صحت اندازه گیری فشار خلاء در تمامی این موارد بالاست.
⦿ولتاژ بالا و میدان مغناطیسی در این ابزار اندازه‌گیری وجود ندارد.
⦿این دستگاه را می‌توان در جهت‌های مختلف نصب کرد. همچنین عمر طولانی و دوام بالایی دارد
.
⦿زمان راه اندازی این دستگاه کوتاه بوده و استفاده از آن آسان است.
معایب
⦿این دستگاه به نوع گاز وابسته است..
⦿
این ابزار می‌تواند اندازه‌گیری خود را از محدوده خلأ متوسط آغاز کند.
.
⦿
این دستگاه نسبت به لرزش، ضربه و ورود ناگهانی هوا حساس است.
.
نکات مهم در خصوص استفاده از انواع گیج‌های اندازه گیری فشار خلاء
⦿پیش از استفاده از تمامی گیج‌های اندازه‌گیری، دفترچه راهنمای آن‌ها را به دقت مطالعه کرده و نکات گفته شده را رعایت کنید. به طور مثال در گیج‌های پیرانی، رعایت راستای نصب که معمولاً به‌صورت افقی است، اهمیت بسیار بالایی دارد..
⦿
قبل از به راه انداخت فشارسنج‌ها، در ورودی آن‌ها یک فیلتر مناسب نصب کنید.
⦿
به‌هیچ‌عنوان فشارسنج‌ها را در مسیر جریان شدید هوا قرار ندهید.
⦿اندازه دهانه‌ها در انواع مختلف فشارسنج با یکدیگر متفاوت است. فشارسنج‌های خلأ پایین تا متوسط دهانه کوچک‌تری دارند و میزان ورود آلودگی در آن‌ها به حداقل می‌رسد. در مقابل فشارسنج‌های خلأ بالا دهانه بزرگ‌تری برای جریان مولکولی بهتر دارند. به همین دلیل ضروری است که هیچ‌گونه تغییری در اندازه دهانه‌ها ایجاد نکنید.
⦿
تمیزکاری منظم و دوره‌ای گیج‌ها مطابق با دفترچه راهنما و بررسی عملکرد صحیح آن‌ها، یکی از مهم‌ترین نکات در نگهداری این ابزارها است.
⦿
تنظیم‌کردن یا Adjust گیج‌های اندازه‌گیری فشار نیز از دیگر نکات مهمی است که باید به آن توجه داشته باشید و به‌صورت دوره‌ای و با رعایت نکات دفترچه راهنما برای انجام آن اقدام کنید.
نکات مهم در خصوص استفاده از انواع گیج‌های اندازه گیری فشار خلاء
برای انتخاب یک گیج خوب برای اندازه گیری فشار خلاء، باید در ابتدا اهداف و شرایط خودتان را در نظر بگیرید. به طور مثال بررسی کنید که شرایط محیط شما چگونه است، به چه میزان از دقت در اندازه‌گیری نیازمندید و چه محدوده‌ای از خلأ را می‌خواهید اندازه بگیرید. سایر نکات قابل‌توجه نیز به شرح زیر هستند:
⦿ نوع و ترکیب گاز موجود در محفظه بی‌اثر.
⦿
نوع گیج مدنظر شما (رومیزی، پنلی و...)
.
⦿
سیگنال و توان خروجی مدنظر شما
.
قیمت محصول نیز یکی دیگر از معیارهای مهم است. شما باید با توجه به بودجه خودتان نوع مناسب را خریداری کنید. به طور مثال، قیمت ترانسمیترهای خازنی، اندکی بالاتر از انواع دیگر است و ممکن است برای بودجه شما مناسب نباشد. در نهایت توجه داشته باشید که دقت اندازه‌گیری فشار یکی از موارد مهم در صنعت است و می‌تواند نقش‌های تعیین‌کننده‌ای داشته باشد، به همین دلیل ضروری است که فشارسنج‌های خلا مورد نیازتان را پس از مشورت با کارشناسان خبره و از برترین و مرغوب‌ترین برندهای بازار تهیه کنید.
جمع‌بندی
در این مطلب به بررسی کامل ابزارهای مورد نیاز برای اندازه‌گیری فشار خلأ پرداختیم. اندازه‌گیری فشار خلأ، دارای اهمیت بسیاری از صنایع مختلف است و می‌تواند بر روی کیفیت محصولات صنعتی تولید شده و یا انجام درست عملکردها تأثیر بگذارد. به همین دلیل بسیار مهم است که ابزار باکیفیت و مناسبی را برای این کار خریداری کنید. اگر شما به ابزارهای مختلف در زمینه فشار خلأ و اندازه‌گیری آن نیاز دارید، می‌توانید به سایت https://freezedryer.ir/ مراجعه کنید. صنعت‌پرداز دنا، تأمین‌کننده تمامی ابزارهای صنعتی مانند تغلیظ‌کننده چرخشی تحت خلأ، با قیمت مناسب و بالاترین کیفیت ممکن است. کارشناسان این شرکت نیز به‌خوبی شما را برای خرید محصولات صحیح و اندازه گیری فشار خلاء راهنمایی خواهند کرد.
