فشار پیمانه‌ای یا فشار گیجی (Gauge Pressure) یکی از مفاهیم اصلی و مهم در مهندسی و علم فیزیک است. به‌طور گسترده در صنایع مختلف به‌ویژه در حوزه‌های هیدرولیک، پزشکی، خودروسازی و فرآیندهای صنعتی به‌کار می‌رود. فشار پیمانه‌ای معیاری است که فشار داخل یک سیستم را در مقایسه با فشار اتمسفری اندازه‌گیری می‌کند. این نوع فشار زمانی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند که عملکرد دقیق سیستم‌های مختلف بر اساس آن تنظیم و کنترل شود. در این مقاله به بررسی مفهوم فشار پیمانه ای، تفاوت آن با فشار مطلق و نحوه محاسبه آن می‌پردازیم.
فشار پیمانه ای چیست؟
فشار پیمانه‌ای (Gauge Pressure) نوعی از فشار است که بر اساس تفاوت میان فشار داخلی یک سیستم و فشار اتمسفر اندازه‌گیری می‌شود. به عبارتی، فشار پیمانه‌ای نشان‌دهنده فشار واقعی یک محیط نسبت به فشار اتمسفری است. در حالت عادی، فشار اتمسفری در سطح دریا حدود ۱۰۱.۳ کیلوپاسکال (kPa) است که به‌عنوان مرجع یا نقطه صفر در اندازه‌گیری فشار پیمانه‌ای در نظر گرفته می‌شود.
به‌عنوان مثال، اگر فشاری داخل یک مخزن برابر با ۱۵۰ کیلو پاسکال باشد و فشار اتمسفر ۱۰۱.۳ کیلو پاسکال، فشار پیمانه ای برابر با:
۱۵۰ kPa – 101.3 kPa = 48.7 kPa
خواهد بود. در نتیجه، فشار پیمانه‌ای همیشه تفاوت فشار داخلی یک سیستم با فشار محیط را نشان می‌دهد و می‌تواند مثبت یا منفی باشد.
تفاوت فشار پیمانه ای با فشار مطلق
تفاوت اصلی میان فشار پیمانه‌ای و فشار مطلق در مرجعی است که برای اندازه‌گیری آن‌ها استفاده می‌شود.
فشار مطلق: فشار مطلق (Absolute Pressure) به‌طور کامل از فشار صفر (خلاء کامل) اندازه‌گیری می‌شود. این نوع فشار به‌طور معمول در شرایط خلاء کامل تعریف می‌شود، یعنی جایی که هیچ مولکول گازی وجود ندارد.
فشار پیمانه‌ای: فشار پیمانه ای با استفاده از فشار اتمسفری به‌عنوان مرجع اندازه‌گیری می‌شود. به همین دلیل، فشار پیمانه‌ای در مقایسه با فشار مطلق می‌تواند منفی هم باشد، یعنی در شرایطی که فشار داخل یک سیستم کمتر از فشار اتمسفری است، فشار پیمانه‌ای منفی خواهد بود.
برای روشن‌تر شدن تفاوت بین این دو فشار می‌توان گفت؛ اگر فشاری که در داخل یک مخزن است، فشار پیمانه‌ای مثبت داشته باشد، یعنی فشار داخلی بیشتر از فشار اتمسفر است. اگر فشار پیمانه‌ای منفی باشد، فشار داخلی کمتر از فشار اتمسفر است. فشار مطلق همیشه مقداری مثبت دارد و از صفر تا بالا اندازه‌گیری می‌شود.
نحوه محاسبه فشار پیمانه ای
محاسبه فشار پیمانه ای بسیار ساده است و تنها به دانستن فشار مطلق و فشار اتمسفری نیاز دارد. برای محاسبه فشار پیمانه‌ای از فرمول زیر استفاده می‌شود:
فشار پیمانه‌ای = فشار مطلق – فشار اتمسفری
در این معادله، فشار مطلق به فشاری اشاره دارد که در یک سیستم به‌طور کامل اندازه‌گیری شده است و فشار اتمسفری نیز مقداری است که به‌عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شود. برای مثال، اگر فشار مطلق یک سیستم ۲۰۰ کیلو پاسکال و فشار اتمسفری ۱۰۱.۳ کیلو پاسکال باشد، فشار پیمانه‌ای به این صورت محاسبه می‌شود:
فشار پیمانه‌ای = ۲۰۰ kPa – 101.3 kPa = 98.7 kPa
بنابراین، فشار پیمانه‌ای در این مثال برابر با ۹۸.۷ کیلو پاسکال است.
عوامل تأثیر گذار بر فشار پیمانه ای
فشار پیمانه‌ای تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد که در زیر به برخی از مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم:
- فشار اتمسفری: تغییرات فشار اتمسفری به‌طور مستقیم بر فشار پیمانه ای تأثیر می‌گذارد. در ارتفاعات بالا که فشار اتمسفری کاهش می‌یابد، فشار پیمانه‌ای ممکن است بیشتر به نظر برسد، حتی اگر فشار مطلق ثابت باشد.
- دما: تغییرات دما می‌تواند به‌طور مستقیم بر فشار داخل یک سیستم تأثیر بگذارد. افزایش دما منجر به افزایش فشار و کاهش دما باعث کاهش فشار می‌شود.
- حجم سیستم: تغییر در حجم سیستم می‌تواند فشار داخلی را تغییر دهد. در سیستم‌های بسته، کاهش حجم منجر به افزایش فشار و افزایش حجم باعث کاهش فشار می‌شود.
- نوع سیال: نوع سیالی که در سیستم وجود دارد نیز می‌تواند بر فشار پیمانه‌ای تاثیر گذار باشد. سیالات با ویسکوزیته بالا ممکن است فشار بیشتری را به سیستم وارد کنند.
کاربرد های فشار پیمانه ای
فشار پیمانه ای در بسیاری از صنایع و سیستم‌ها کاربرد دارد و می‌تواند در کنترل عملکرد تجهیزات و سیستم‌های مختلف نقشی کلیدی ایفا کند. برخی از کاربردهای مهم فشار پیمانه‌ای عبارتند از:
صنایع هیدرولیک: در سیستم‌های هیدرولیک، اندازه‌گیری فشار پیمانه‌ای به‌منظور تنظیم و کنترل عملکرد پمپ‌ها و سیلندرها بسیار حیاتی است.
تجهیزات پزشکی: در دستگاه‌های پزشکی مانند دستگاه‌های فشارسنج، فشار پیمانه‌ای برای اندازه‌گیری فشار خون و سایر داده‌های فیزیولوژیکی استفاده می‌شود.
صنایع شیمیایی و نفت و گاز: در فرآیندهای شیمیایی، اندازه‌گیری دقیق فشار پیمانه‌ای به‌منظور کنترل واکنش‌ها و فرآیندهای تولیدی اهمیت زیادی دارد.
تاسیسات صنعتی: فشار پیمانه ای برای کنترل و مانیتورینگ سیستم‌های تهویه، بخار و آب در تاسیسات صنعتی استفاده می‌شود.
خودروسازی: سیستم‌های ترمز، تعلیق و سایر بخش‌های خودرو به اندازه‌گیری دقیق فشار پیمانه‌ای برای عملکرد صحیح وابسته هستند.
ابزار های اندازه‌گیری فشار پیمانه ای
برای اندازه‌گیری دقیق فشار پیمانه‌ای، از ابزارهای متنوعی استفاده می‌شود که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره شده است:
گیج‌های فشار: گیج‌های فشار یکی از رایج‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری فشار پیمانه ای هستند که به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم می‌شوند
گیج‌های آنالوگ: دارای عقربه‌ای هستند که با تغییر فشار حرکت می‌کند و مقدار فشار را نشان می‌دهد.
گیج‌های دیجیتال: داده‌های فشار را به‌صورت عددی نمایش می‌دهند و دقت بیشتری نسبت به گیج‌های آنالوگ دارند.
سنسورهای فشار
این ابزارها به سیستم‌های دیجیتالی متصل می‌شوند و اطلاعات فشار را به سیستم‌های کنترل و مانیتورینگ ارسال می‌کنند. سنسورهای فشار انواع مختلفی دارند مانند سنسورهای پیزوالکتریک و سنسورهای خازنی.
مبدل‌های فشار: این دستگاه‌ها فشار را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که می‌توانند در سیستم‌های کنترل اتوماتیک استفاده شوند.
سخن پایانی
فشار پیمانه ای به‌عنوان یکی از اصول اساسی در مهندسی و علم فیزیک، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. از سیستم‌های هیدرولیکی گرفته تا تجهیزات پزشکی و خودروسازی، اندازه‌گیری دقیق این فشار نقش کلیدی در عملکرد صحیح تجهیزات و فرآیندها ایفا می‌کند. با درک بهتر تفاوت فشار پیمانه‌ای و فشار مطلق و استفاده از ابزارهای مناسب برای اندازه‌گیری، می‌توان کارایی سیستم‌های مختلف را بهبود بخشید.
سوالات متداول
فشار پیمانه ای چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
فشار پیمانه‌ای با استفاده از ابزارهایی مانند گیج‌های فشار و سنسورهای فشار که فشار داخلی سیستم را نسبت به فشار اتمسفری می‌سنجند، اندازه‌گیری می‌شود.
تفاوت فشار پیمانه‌ای با فشار مطلق چیست؟
فشار پیمانه‌ای بر اساس فشار اتمسفری به‌عنوان مرجع اندازه‌گیری می‌شود، درحالی‌که فشار مطلق از خلاء کامل به‌عنوان مرجع استفاده می‌کند.
چه عواملی بر فشار پیمانه ای تاثیر گذار هستند؟
فشار اتمسفری، دما، حجم سیستم و نوع سیال از جمله عواملی هستند که می‌توانند بر فشار پیمانه‌ای تأثیر بگذارند.