20 نکته کاربردی در کالیبراسیون گیج فشار
فشار سنج ها ابزار مشترک در فرآیند های صنعتی به شمار می روند و همانند هر ابزار اندازه گیری نیاز به کالیبراسیون درفواصل منظم جهت دستیابی به تنظیم بودن دارند. نکات زیادی در خصوص کالیبراسیون گیج های فشار وجود دادرکه به 20 مورد از آن ها اشاره می شود:
- درستی کلاس
- مشخصاتی دستورالعمل فنی
- آلودگی
- اختلاف ارتفاع
- آزمون نشتی اتصالات
- اثر آدیاباتیک
- گشتاور
- موقعیت نصب
- تولید فشار
- اعمال فشار
- ریزنگری
- تعداد نقاط کالیبراسیون
- پسماند رفت و برگشت
- ضربه گیج
- تکرارپذیری
- تنظیمات
- گواهی نامه کالیبراسیون
- شرایط محیطی
- قابلیت ردیابی
- عدم قطعیت
فشار چیست؟
قبل از صحبت در خصوص کالیبراسیون فشار سنج ها ابتدا به صحبت در مورد مفاهیم آن می پردازیم.
فشار برابر نیروی عمود بر سطح یا . تعداد زیادی واحد اندازه گیری در سراسر جهان وجود دارد که می تواند گیج کننده باشد. در سیستم SI واحد اندازه گیری مهندسی فشار پاسکال (Pa) می باشد که بصورت نیروی یک نیوتن بر یک متر مربع
تعریف می شود.با توجه به اینکه مقدار پاسکال عدد کوچکی است اغلب به صورت هکتو پاسکال، کیلو پاسکال و مگاپاسکال استفاده می شود.برای کسب اطلاعات در خصوص واحد های اندازه گیری فشار می توانید به جدول زیر مراجعه کنید .
انواع فشار:
چندین نوع فشار برای گیج مانند مطلق ، خلاء، تفاضلی و بارومتریک وجود داردکه تفاوت اصلی آن در نقطه مرجع متفاوت اندازه گیری می باشد. بعضی از فشار سنج ها قابلیت اندازه گیری همه نوع فشارها و بعضی ها ترکیب از هر دو فشار مثبت و خلاء را دارند.
فشار سنج ها:
هنگامی که صحبت از فشار سنج به میان می آید معمولا فشار سنج های آنالوگ را به یاد می آوریم. آن ها بر اساس استانداردEN837 یا ASME B40.100ساخته می شوند که در اغلب آن ها از بودن تیوب یا دیافراگم و یا کپسول استفاده می شود. ساختار مکانیکی آن به شکلی است که با اعمال فشار عقربه در شروع به حرکت می کند.
فشارسنج ها با توجه به تفاوت کلاس ها به درستی ها مشخص می شود که جزء ویژگی های آن محسوب می شود که کلاس به طور معمول کلاس 6،4،2.5،1.6،1 دسته بندی می کنند. یک نوع دیگر از دسته بندی درخصوص گیج های فشار با توجه به قطر صفحه به ابعاد 160،115،100،80،63،50،40و 250 میلی متر ( 2/1 1 ، 2 ، 2/1 2، 4، 2/1 4 و6 اینچ )می باشد .گیج فشار های دقیق تر دارای صفحه نمایش بزرگتر هستند.
اتصالات فشار سنج ها بطور معمول به شکل موازی بسته می شوند و مطایق یا استاندارد ISO 228-1 و اتصال لوله ها هم بر طبق استاندارد ANSI/ASME B1.20.1 می باشد.
فشارسنج های دیجیتالی هم وجود دارد که به جای نشان دادن توسط عقربه مقادیر را بصورت اعداد برروی نمایشگر نمایش داده می شود. البته در این مقاله تمرکز بیشتر روی فشار سنج های آنالوگ می باشد ولیکن اصول کارکرد در هر دو نوع مشابه هستند و فشار سنج ها در بیشتر صنایع کاربرد دارند و کالیبره آن ها هم بطور معمولی انجام می شود.
فشارسنج ها بطور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می گیرد و کالیبره آنها بطور معمول انجام می شود.همانند دیگر دستگاه های اندازه گیری کالیبره آنها نیز باید در یک فاصله زمانی مشخص انجام شود.تا اطمینان حاصل شود که دارای کارکرد مناسب می باشند. بعلت کارکرد سیستم مکانیکی فشارسنج ها انحراف از مقدار واقعی باید مقدار ریسک انحراف از اعداد واقعی را باید در نظر گرفت.
برای کسب اطلاعات در زمینه کالیبراسیون این تجهیزات به مبحث “چرایی کالیبراسیون” و برای کسب اطلاعات در مورد فاصله زمانی بین کالیبراسیون ها به مبحث “فاصله زمان برای کالیبراسیون ” لازم است مورد مطالعه قرار دهید.
اصول اولیه کالیبراسیون:
اگر بخواهیم بطور ساده اصول کالیبراسیون را بیان نماییم در این روش می خواهیم یک گیج فشار را کالیبره نماییم .ابتدا باید یک مقدار فشار به آن اعمال نماییم و مقدار نشان داده شده را از روی صفحه نمایش بخوانیم، سپس آن مقادیر را یاداشت نماییم. مقدار تفاوت بیش از مقدار فشار واقعی اعمال شده باشد و صفحه نمایشگر اختلاف و یا میزان خطای دستگاه را نشان خواهد داد.که این مقدار فشار نسبت به دقت عمل دستگاه بعنوان خطای دستگاه لحاظ خواهد شد.
“20 نکته که باید لحاظ شود”
در این قسمت 20 نکته بیان می شود که باید در مورد کالیبراسیون لحاظ شود.
-1دقت عمل :
برای گیج های فشار رده های مختلف دقت عمل وجود دارد. این رده ها در استاندارد ASME B40.100 (دقت عمل در رده از 0.1 تا 5 درصد گستره)که همانند رده دقت عمل در استاندارد EN837 (رده 0.1 تا 4 درصد گستره) می باشد.
مشخصه های دقت عمل ها بطور کلی از مقدار صفر گستره تا مقدار 100 آن گستره اگر 1 دصد باشد یعنی در صفر تا 100 psi مقدار خطا psi 1±خواهد بود اطمینان حاصل نمائید که با مفاهیم دقت عمل بخوبی به هنگام کالیبراسیون آشنا هستید.که این اطلاعات در زمینه قبول و یا رد نتیجه را مشخص مینماید.
2-سیال مورد استفاده برای اعمال فشار
برای اعمال فشار انواع فشارسنج ها یا از مایع و یا از هوا استفاده می شود . در بیشتر فشار سنج ها از اعمال فشار بوسیله هوا استفاده می شود. و برای یکسری از آنها از گاز نیتروژن استفاده می شود . برای اعمال فشار بوسیله، از روش استفاده از مایعات هم از روغن هیدرولیک و هم از آب استفاده نمود.هنگامی که یک سیستم کالیبراسیون برای اندازه گیری فشار بوسیله گیج فشار یک ماده سیال و یا هوا در نظر گرفته شود حتماً باید توجه نمود که اجزا کل مجموعه تحت فشار، همگی باید مشخص و تعیین شده باشد و همچنین باید توجه داشت که ماده مورد نیاز برای اعمال فشار را نباید تغییر داد چراکه این تغییر ماده برای اعمال فشار باعث ایجاد اشکال در اندازه گیری ها می گردد حتی انجام این کار می تواند باعث آسیب رسیدن به خود تجهیز هم شود.
3- آلودگی
گاهی وجود ذرات راه یافته به داخل گیج فشار میتواند باعث ایجاد اشکال و صدمه به تجهیز شود. در گیج فشار هایی که با هوا کار می کنند بوسیله عبور گاز و یا بخار میتوان این ذرات را خارج نمود.ولی برای گیج فشار هایی که با روغن کار می کنند حتما باید داخل آن از وجود ذرات پاک گردد.یکی از شرایط بسیار خاص در زمینه فشارسنج ها، گیج فشارهای اکسیژنی هستند اگر چنانچه در حین انجام کار به هر دلیل مقداری روغن به درون این گیج ها راه پیدا کند باعث بروز انفجار به خاطر ترکیب این ماده خواهد شد که بسیار خطرناک می باشد.
4- اختلاف فشار ناشی اختلاف از سطح دریا
گیج های فشار و وسایل مربوطه برای اندازه گیری چنانچه درمکان های مختلف با توجه به مقدار اختلاف از سطح دریا می توانند باعث ایجاد تغییرات در مقادیر اندازه گیری بشود که این تغییر در مقادیر خوانده شده بدلیل خاصیت هیدرواستاتیکی است که در زمان استفاده از فشار سنج ها با سیال هوا اثرات متفاوت را نشان می دهند.
وجود مایع سیال در سیستم اندازه گیری فشارسنج ها بدلیل وزن مایع به کار رفته در آن می تواند باعث بروز خطا در اندازه گیری شود. محدوده خطا به هنگام اندازه گیری بستگی به غلظت مایع و اختلاف سطح از دریا دارد. به دلیل اینکه فشار جاذبه زمین باعث به پایین کشیده شدن مایع در سیلندر تجهیز اندازه گیری می شود.اگر در یک فرآیند اندازه گیری مرجع کالیبره و گیج فشار در یک مکان مشابه از نظر اختلاف سطح از دریا قرار نداشته باشند حتماً می بایست در محاسبات عددی را برای این منظور در محاسبات در نظر گرفت .
یک مثال از نحوه محاسبه فشار هیدرواستاتیک :
فشار هیدرواستاتیک با فرمول ذیل محاسبه می شود:
فشار هیدرواستاتیک
چگالی سیال استفاده شده
g= شتاب گرانش زمین
h =اختلاف ارتفاع از سطح دریا
به عنوان مثال، اگر آب به عنوان سیال با چگالی 9997.56 و با شتاب گرانش 9.8 و با اختلاف ارتفاع یک متر بین تجهیز تحت آزمون و مرجع می تواند باعث ایجاد 9.8 kpa خطا شود که میزان خطا چشمگیری می باشد.
5- نشتی بین اتصالات
چنانچه در بین اتصالات و لوله ها در هنگام کالیبراسیون نشتی وجود داشته باشد باعث ایجاد خطای غیرمحاسباتی در حین فرآیند کالیبراسیون خواهد شد.لذا قبل از انجام آزمون حتما باید بین اتصالات یک آزمون نشتی باید انجام شود.یکی از راه های انجام اینکار آن است که سیستم را تحت آزمون فشار قرار داد و تا زمان یکنواخت ماندن فشار از انجام آزمون خودداری نمود و میزان فشار را در این زمان مورد پایش و کنترل قرار داد.برخی از سیستم های فشار ( همانند کنترلر های فشار ) وجود دارند که تغییرات جزیی فشار بدلیل نشتی را کنترل می نمایند. این ویزگی کنترلر های فشار باعث آن می شود که امکان ردیابی و یا اطلاع از نشتی در سیستم میسر نباشدو برای رفع این مشکل اقداماتی دیگری را در این زمینه انجام داد.
6-اثر آدیاباتیک
در یک سیستم بسته از مدار اندازه گیری برای فشار در فشارسنج هایی که از سیال گاز برای ایجاد فشار درون مجموعه استفاده میکنند، دمای گاز محیط می توانند باعث ایجاد تغییر در حجم هوا یا گاز شود که این مطلب خود باعث تاثیر در مقدار فشار اعمال شده، خواهد شد. هنگامیکه میزان فشار را در سیستم هایی که با سیال هوا یا گاز کار می کنند، افزایش می دهیم افزایش فشار باعث ایجاد تغییر در دمای گاز یا هوا داخل سیستم می شود که این افزایش دما باعث افزایش حجم و در نتیجه باعث افزایش مقدار فشار خواهد شد. به همین ترتیب وقتی دمای رو به کاهش میرود حجم آن کاهش و در نتیجه افت فشار را به دنبال آن خواهیم داشت. این افت فشار کارکردی مشابه به وجود نشتی در سیستم خواهد داشت. این پدیده افت فشار به عنوان اثر ادیاباتیک و یا تغییر دمای ناشی از تغییر فشار می نامیم. از اثرات این پدیده آن است که با تغییرات فشار شاهد تغییرات دما را خواهیم بود.بدلیل وجود این اثر، برای رسیدن به یک نتیجه ثابت و قابل استناد داشته باشیم باید مدت زمانی را برای دفع اثر این پدیده را باید لحاظ نمود.
7- نیروی گشتاور
به هنگام استفاده از گیج ها از اعمال گشتاور زیاد به آن خودداری نمایید.جهت کاهش آسیب به گیج در هنگام قرار گیری در مدار از کتاب راهنمای آن استفاده نمایید.
8- موقعیت نصب جهت کالیبراسیون
از آنجا که گیج ها فشار تجهیزات مکانیکی محسوب می شوند. جهت قرار گرفتن صفحه نمایش آنها جهت قرائت مقادیر خوانده شده ، حائز اهمیت می باشد. به همین دلیل نحوه بستن آن به کالیبراتور برای کالیبراسیون مشابه وضعیت آن در مدار اصلی بایست باشد. هم چنین توصیه های سازنده را هم در هنگام کالیبراسیون مد نظر داشته باشیم.یکی از ویژگی ها متداول در موقعیت نصب انحراف صفحه نمایش کمتر از 5 درجه از حالت اصلی می باشد.
9- تولید فشار
برای انجام فرآیند کالیبراسیون گیج فشار شما نیازمند یک منبع تولید فشار هستید. راه های گوناگونی برای اعمال فشار وجود دارد که میتوان از پمپ های دستی، کامپراتور و ترازو فشار نام برد. از ترازو فشار (DWT) به عنوان یک منبع فشار بسیار دقیق میتوان استفاده نمودولی بدلیل قیمت بالا و عدم جابجایی و حساس بودن به گرد و غبار در مقایسه با دیگر منبع فشار کمتر بکار گرفته میشود.پمپ های دستی فشار به دلیل ویزگی های خاص( سبکی، قابلیت جابجایی و…) ابزار متداول در آزمایشگاه ها استفاده میشوند.
10- اعمال فشار پیش از آزمون
از آنجاکه سیستم داخلی گیج های فشار تشکیل شده از قطعات مکانیکی می باشد لذا لازم است که قبل از فرایند کالیبراسیون جهت کاهش میزان خطا تحت فشار قرار گیردو در چند نقطه اعمال فشار شود تا برای آزمون کالیبراسیون آماده شوند. انجام این عمل ناشی از آن است که احتمال دارد تجهیز ما برای مدتی مورد استفاده قرار نگرفته باشد و با این عمل آماده انجام کالیبراسیون می شود.
11- ریزنگری
صفحه نمایش گیج های فشار به دلیل اندازه کوچک آنها امکان نمایش اعداد مختلف را محدود می سازد و به همین دلیل امکان قرائت دقیق مقادیر فشار را بسیار محدود می کند به خصوص زمانی که عقربه مابین دو عدد قرار میگیرد. برای جلوگیری از این مشکل و قرائت آسان مقادیر فشار بهتر است که میزان اعمال فشار به گونه باشد تا عقربه بروی اعداد درج شده بر روی صفحه نمایش قرار بگیرد و میزان عدد فشار را از روی مرجع ثبت می کنیم.
با دقت به بعضی از صفحه نمایشگر ها دیده میشود که در زیر قسمت انتهایی عقربه یک آینه تعبیه شده که به شما کمک میکند تا با دقت بالاتری مقادیر اندازه گیری را قرائت کنیم. برای خواندن صحیح باید تصویر عقربه دقیقا زیر قسمت عقربه قرار گرفته باشد . با این روش شما می توانید مقادیر فشار را واقعی را از روی صفحه بخوانید ولی زمانی که با گیج های فشار دیجیتالی اندازه گیری می نمایید مقدار فشار همان اعداد است که توسط صفحه نمایشگر نشان داده می شود.
در گیج سمت چپ خواندن میزان فشار بدلیل اینکه بین نقاط مندرج قرار گرفته شده است صحیح و دقیق نیست. بهتر است زمانی که غقربه روی اعداد منطبق می شود میزان فشار قرائت شود.
برای خواندن صحیح مقدار فشار باید عقربه درست روبه روی زاویه دید ما قرار بگیرد و ما هیچ فاصله بین عقربه و سایه آن مشاهده ننماییم.
12- تعداد نقاط اندازه گیری شده
تعداد نقاط اندازه گیری باید متناسب با کلاس گیج های فشار باشد. برای گیج های دارای دقت عمل بالاتر تعداد ( بهتر از 0.05% )نقاط اندازه گیری باید 11 نقطه ( نقطه صفر و 10% گام )را در کل گستره گیج فشار برای 3 دوره به صورت رفت و برگشت انجام داد ولی برای گیج های فشار های با دقت عمل پایین تر ( 0.05% تا 0.5%) 11 نقطه را دریک دوره انجام دهید. برای فشار سنج های معمولی ( کلاس 0.5% و بالاتر ) با 6 نقطه اندازه گیری به صورت رفت و برگشت ( نقطه صفر و 20% گام) انجام داد.
تعداد نقاط اندازه گیری کمتر از تعداد ذکر شده فوق را به دلیل پدیده پسماند که بخش بعدی توضیح داده خواهد شد نباید کاهش داد.
13-پسماند
بدلیل ساختار مکانیکی در فشارسنج شاهد پدیده هیسترسیس هستیم. به طوری که مقدار خوانده شده در حالت رفت با مقادیر در حالت برگشت مشابهت ندارد. جهت دست یابی به این اختلاف باید هنگام انجام آزمون، فشار را ابتدا در جهت افزایش فشار از مقدار کم گستره به سمت قسمت بالای فشار اعمال می کنیم. لازم است که از روند افزایشی فشار اطمینان حاصل نمود و برگشت در فشار نداشته باشیم تا زمانی که به بالاترین نقطه فشار یا نقطه هدف رسیدیم سپس در جهت برگشت فشار یا کاهش فشار اقدام میکنیم و مقادیر برگشت و رفت دو نقطه ثابت را باهم مقایسه کنیم تا میزان پسماند رفت و برگشت بدست آید.گاهی لازم است که این عمل تکرار شود تا به هدف رسید.
14- ضربه آرام به فشارسنج
لازم است که قبل از استفاده ازگیج فشار ، ابتدا ضربه آرامی به آن وارد نمایید به منظور جلوگیری از هرگونه اصطکاک و اتصال بین قطعات ممکن است باعث عدم حرکت آرام بین قطعات مکانیکی داخل گیج شود. به خصوص برای فشار سنج هایی که مدت زمان زیادی مورد استفاده قرار نگرفته باشند. توجه داشته باشید که ضربه وارد به گیج فشار باید به آرامی باشد تا از هرگونه صدمه خودداری شود.
15- تکرار پذیری
به هنگام انجام کالیبراسیون تعداد انداره گیری ها باید به دفعات تکرار شود. تا به مرحله تکرار پذیری برای گیج ها رسید. فشار سنج می باید دارای تکرار پذیری مثبت باشد. چنانچه عمل تکراری در اندازه گیری انجام نشود نتایج اندازه گیری را نمی توان بطور قطع پذیرفت. همانطور که قبلا ذکر شده در خصوص گیج ها با دقت عمل بالاتر این عمل تکرار پذیری باید در سه دوره انجام شود. در آزمون تکرارپذیری میتوان گیج فشارهایی را به عنوان نمونه مشخص کرد. ولی برای انجام کالیبراسیون یک دوره اندازه گیری هم کفایت می کند و چنانچه تکرارپذیری هم انجام شود. نتیجه بدست آمده همانند نتیجه کالیبراسیون خواهد بود.
16- تنظیمات
چنانچه نتیجه اندازه گیری ها مطابق با الزامات استاندارد نباشد برای اینکه نتیجه اندازه گیری ها مطابق حد مجاز باشد ضروری است که اقدام به تنظیم فشار سنج نمائیم. بعد از اینکه عمل تنظیم انجام شد لازم است که گیج فشار دوباره مورد کالیبراسیون قرار گیردتا بدانیم تنظیمات انجام شده گیج فشار در شرایط مطلوب قرار داده است. چنانچه میزان خطای وسیله مورد آزمون زیاد باشد بهتر است که مورد استفاده قرار نگیرد چون ممکن است دوباره به همان میزان خطا بعد از تنظیمات برسد.
17-مستند سازی
یکی از نکات کلیدی در فرآیند کالیبراسیون مستند سازی نتایج کالیبراسیون می باشد. دریک گواهینامه کالیبراسیون اطلاعات مربوط به میزان فشار اعمال شده مرجع مقدار خوانده توسط گیج فشار و میزان اختلاف نتیجه بین تجهیز و مرجع می باید محاسبه گردیده و در گواهینامه صادره درج گردد. هم چنین در گواهینامه تجهیز منابع و مراجع به کار گرفته شده می بایست درج گردد.
18- شرایط محیطی
برای کالیبراسیون فشار سنج ها شرایط محیطی باید در نظر گرفت. این گیج ها در شرایط محیطی مشابه شرایط محیطی محل کارکرد مناسبی دارند. چنانچه از گیج ها در شرایط محیطی خاصی استفاده می شود باید توجه داشت شرایط محیطی متفاوت باعث تغییر کارکرد و یا تغییر میزان دقت عمل گیج های فشار گردد. ضروری است که در گواهینامه مربوط به تجهیز کالیبرهشده حتما شرایط محیطی مثل دما و میزان رطوبت محیط درج گردد.
19- ردیابی مراجع اندازه شناسی
هنگام انجام آزمون کالیبراسیون باید حتما توجه داشته باشید وسایل تجهیزات بکار گرفته شده در فرآیند کالیبراسیون باید دارای گواهینامه کالیبراسیون معتبر باشد و این گواهینامه باید فابلیت ردیابی به مراجع معتبر اندازه شناسی را دارا باشد. برای درک بهتری از ردیابی مراجع اندازه شناسی به نحوه ارتباط با آن ها توجه نمائید.
I آزمایشگاه بین المللی
II آزمایشگاه ملی
III آزمایشگاه محلی
20- عدم قطعیت اندازه گیری
در انجام کالیبراسیون میزان عدم قطعیت یکی از فاکتور هایی است که باید در نظر داشت. فاکتور عدم قطعیت پارامتری است که هر روز بر میزان استفاده از آن افزوده می شود .دربرخی موارد از نسبت عدم قطعیت و در برخی موارد از نسبت بین درستی به جای میزان عدم قطعیت استفاده می شود. توجه به این نکات بدین دلیل است که حتما مطمئن شویم منابع و مراجع بکار گرفته شده در فرآیند کالیبراسیون دارای درستی بهتر از تجهیز مورد آزمون داشته باشد. یکی از مثال های متداول نسبت 1:4 می باشد. یعنی وسیله ای که به عنوان مرجع برای فرایند کالیبراسیون بکار گرفته شده است چهار برابر دقیق تر از تجهیز تحت آزمون می باشد. هرگاه میزان و مقدار درستی بکار گرفته شده برای ما نامشخص و نامعین باشد. با احتساب نسبت TUR و TAR میتوان با اطمینان از میزان درستی مراجع و منابع بکار گرفته شده اطلاع حاصل نمود. بنابراین توصیه محاسبه عدم قطعیت برای رسیدن به میزان درستی تجهیزات ضروری به نظر می رسد. برای اطلاع بیشتر در این زمینه به مباحث و مقالات که در این زمینه موجود است مراجعه نمائید.
با تشکر از مهندس میلاد شبیری