در بخش دوم از مقاله آشنایی با فشارسنج‌های خلأ فشارسنج‌های لوله U، فشارسنج مک لود و فشارسنج گوی چرخان معرفی شده و نحوه عملکرد هریک بصورت جداگانه توضیح داده شد. در این مقاله به معرفی برخی دیگر از مهمترین و پرکاربردترین فشارسنج‌های خلأ می‌پردازیم.

فشارسنج‌های برپایه هدایت حرارتی Thermal Conductivity Vacuum Gauges

فشارسنج‌های برپایه هدایت حرارتی شامل یک فیلامان است که در یک لوله شیشه‌ای و یا استیل قرار می‌گیرد. در این فشارسنج‌ها، با عبور جریان از فیلامان، فیلامان گرم می‌شود. دمای فیلامان به عواملی مانند میزان جریان عبوری از فیلامان، میزان انتقال حرارتی هدایتی از فیلامان به هوای اطراف، میزان انتقال حرارتی جابجایی و تشعشعی به هوای اطراف و همچنین میزان انتقال حرارت از دو سر اتصال فیلامان بستگی دارد. در محدوده فشار کمتر از 1 میلی بار انتقال حرارتی با روش جابجابی وجود ندارد. با ناچیز کردن انتقال حرارت تشعشعی(با کم کردن سطح تشعشع و براق نمودن سطوح داخلی فشارسنج) و همچنین حداقل کردن انتقال حرارت از دو سر اتصال فیلامان، عمده انتقال حرارت از طریق هدایت حرارتی فیلامان با هوای اطراف انجام می‌گیرد. با توجه به اینکه در محدوده جریان ویسکوز نیز میزان انتقال حرارت هدایتی ثابت بوده و به فشار وابسته نیست، می‌توان یک رابطه خطی و مستقیم بین انتقال حرارت فیلامان و فشار تعیین نمود.(شکل 1) در این حالت، درصورتی که بتوان به روشی دمای فیلامان را مشخص نمود، می‌توان فشار را نیز تعیین کرد.

شکل 1- اتلاف دمای غالب در محدوده‌های فشاری مختلف در فشارسنج برپایه هدایت حرارتی

فشارسنج‌های برپایه هدایت حرارتی جزء پرکاربردترین فشارسنج‌های مورد استفاده در صنعت خلأ می‌باشند. این فشارسنج‌ها قادرند تا در محدوده خلأ پایین و خلأ متوسط فشار را با دقت قابل قبولی اندازه‌گیری کنند. از متداولترین فشارسنج‌های برپایه هدایت حرارتی، فشارسنج ترموکوپلی و فشارسنج پیرانی هستند.

فشارسنج ترموکوپلی Thermocouple Vacuum Gauge

فشارسنج‌های ترموکوپلی اولین بار در سال 1906 میلادی توسط Voege معرفی شدند. فشارسنج‌های ترموکوپلی شامل یک فیلامان هستند که معمولا به وسط آن یک ترموکوپل متصل شده است(معمولا جوش شده است). در این فشارسنج، یک جریان ثابت استاندارد از فیلامان عبور می‌کند و دمای فیلامان توسط ترموکوپل اندازه‌گیری می‌شود. با افزایش فشار، دما کاهش پیدا می‌کند و بالعکس و بدینصورت می‌توان فشار را اندازه‌گیری نمود.

شکل 2- نحوه عملکرد فشارسنج ترموکوپلی

محدوده اندازه‌گیری این فشارسنج‌ها در نمونه‌های معمولی از 100 میلی‌بار تا ^2-10 mbar است. در نمونه‌های اصلاح شده، این نوع فشارسنج‌ها قادرند از فشار اتمسفر تا فشارهای محدوده ^4-10 mbar را اندازه‌گیری نمایند.

مزایای استفاده از فشارسنج ترموکوپلی

• مستقل از فشار محیط
• با دوام
• ارزان
• قابل نصب درهر جهت(در نمو‌نه‌های اصلاح نشده)
• فاقد اجزاء مکانیکی
• عدم حساسیت به شرایط محیطی

معایب استفاده از فشارسنج ترموکوپلی

• وابسته به نوع گاز
• نیاز به منبع توان
• خوانش فشار بصورت غیرمستقیم
• حساس نسبت به آلودگی
• تاثیر دمای محیط در اندازه‌گیری فشار(درصورتی که از جبران ساز استفاده نشود)

فشارسنج پیرانی Pirani Vacuum Gauge

فشارسنج‌های پیرانی که توسط Pirani در سال 1906 معرفی شدند از جمله پرکاربرد‌ترین فشارسنج‌های خلأ می‌باشند. این فشارسنج‌ها دارای یک فیلامان از جنسی با ضریب دمایی مقاومت الکتریکی(Temperature Coefficient of Electrical Resistance) بالا مانند تنگستن یا پلاتین هستند(به همین دلیل مقاومت الکتریکی آنها با تغییر دما تغییرات قابل توجهی دارد). با افزایش فشار، دمای فیلامان کاهش یافته و درنتیجه مقاومت الکتریکی آن نیز کاهش می‌یابد. با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی، می‌توان فشار را اندازه‌گیری نمود.

شکل 3- نحوه عملکرد فشارسنج پیرانی

در این نوع از فشارسنج‌ها مقاومت با استفاده از پل ویتسون(Wheatstone Bridge) اندازه‌گیری می‌شود(شکل 4). بدین صورت که فیلامان فشارسنج به عنوان یکی از چهار مقاومت پل ویتسون می‌باشد. در نمونه‌های قدیمی این فشارسنج، میزان جریان فیلامان ثابت بوده و با تغییر فشار تعادل پل ویتسون بهم خورده و با اندازه‌گیری جریان عبوری از پل، فشار تعیین می‌شد. در نمونه‌های جدید میزان ولتاژ فیلامان متغیر است به گونه‌ای که با تغییر فشار و بطبع آن تغییر دما و مقاومت فیلامان، تعادل پل ویتسون حفظ شود. در این روش سرعت پاسخ بسیار کوتاهتر است علاوه برآن که محدوده اندازه‌گیری نیز افزایش می‌یابد.

شکل 4- مدار پل ویتسون

محدوده اندازه‌گیری فشارسنج‌های پیرانی بین 100 میلی بار تا ^4-10 mbar است که در نمونه‌های اصلاح شده(Convection Enhanced) می‌توانند از فشار اتمسفر را اندازه‌گیری کنند. میزان خطا در این فشارسنج‌ها در محدوده 1 میلی بار تا ^3-10 mbar حدود 10% مقدار خوانده است و در خارج از این محدوده خطا بشدت افزایش می‌یابد.

بمنظور کم کردن اثرات دمای محیط بر عملکرد فشارسنج‌های پیرانی از یک مقاومت به عنوان مرجع دمایی مانند شکل زیر استفاده می‌شود.

شکل 5- نحوه کم کردن اثر دمای محیط بر خوانده فشار در فشارسنج پیرانی

مزایای استفاده از فشارسنج پیرانی

• مستقل از فشار محیط
• مستقل از دمای محیط(درصورت استفاده از مکانیزم جبرانی)
• محدوده اندازه‌گیری گسترده‌تر نسبت به فشارسنج ترموکوپلی
• قابل نصب درهر جهت
• فاقد اجزاء مکانیکی

معایب استفاده از فشارسنج پیرانی

• وابسته به نوع گاز
• نیاز به منبع توان
• خوانش فشار بصورت غیرمستقیم
• حساس نسبت به ورود آلودگی
• حساس نسبت به ضربه

نکات مربوط به استفاده از فشارسنج‌های پیرانی

• مطالعه کامل راهنمای فشارسنج
• ملاحظات مربوط به ساختار داخلی فشارسنج
• نصب فیلتر در ورودی فشارسنج
• جلوگیری از ورود آلودگی به داخل فشارسنج
• عدم قرارگیری در برابر تابش‌های گرمایی
• انجام کالیبراسیون دوره‌ای
• استفاده از جدول تصحیحات نوع گاز(شکل 6)

شکل 6- نمودار تصحیح خوانده فشارسنج پیرانی براساس نوع گاز

فشارسنج‌های برپایه یونیزاسیون Ionization Vacuum Gauges

 فشارسنج‌های برپایه یونیزاسیون مهمترین و پرکاربردترین فشارسنج‌ها جهت اندازه‌گیری فشار در محدوده خلأ بالا هستند. این نوع فشارسنج‌ها براساس چگالی ذرات باردار میزان فشار را اندازه‌گیری می‌کنند. ابتدا ذرات وارد دهانه فشارسنج شده، سپس این ذرات تحت بمباران الکترون‌هایی قرار می‌گیرند که در میدان الکتریکی شتاب داده شده‌اند. با برخورد الکترون‌های پرانرژی به ذرات، ذرات باردار شده و سپس یون‌های مثبت به سمت الکترود مشخصی حرکت می‌کنند. با بررسی جریان حاصل از جذب یون‌ها در الکترود، می‌توان تعداد ذرات باردار(که متناسب با تعداد ذرات است) را مشخص و براساس آن فشار را تعیین نمود.

بمباران الکترونی ممکن است توسط یک میدان الکتریکی حاصل شود که به آن گسیل میدانی(Field Emission) می‌گویند(کاتد سرد) و  یا ممکن است با استفاده از کاتد گرم ایجاد شود که به آن روش ترمیونیک(Thermionic) می‌گویند.

شکل 7- انواع روش گسیل الکترون در فشارسنج‌های برپایه یونیزاسیون

فشارسنج کاتد سرد یا فشارسنج پنینگ(Cold Cathode Vacuum Gauge, Penning Vacuum Gauge)

شکل 8- فشارسنج کاتد سرد یا پنینگ

فشارسنج کاتد سرد اولین بار توسط Penning و در سال 1937 میلادی طراحی گردید. در فشارسنج کاتد سرد از روش گسیل میدانی استفاده می‌شود. در این فشارسنج جهت گسیل الکترون‌ها از دو صفحه کاتد و آند استفاده می‌شود که بین دو صفحه اختلاف پتانسیل حدود 2 کیلوولت دی سی بصورت پیوسته وجود دارد. علاوه برآن با ایجاد یک میدان مغناطیسی که میدان الکتریکی را قطع می‌کند، سبب حرکت مارپیچی الکترون‌ها شده و درنتیجه الکترون مسیر طولانی‌تری طی کرده و احتمال برخورد بیشتر می‌شود.

شکل 9- نحوه عملکرد فشارسنج کاتد سرد

اجزاء مختلف فشارسنج کاتد سرد در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 10- اجزاء مختلف فشارسنج کاتد سرد

محدوده اندازه‌گیری این فشارسنج از ^2-10 mbar تا پایین‌تراز ^9-10 mbar می‌باشد.(توصیه می‌شود فشارسنج حتما در فشار بالاتر از ^2-10 mbar روشن شود) این فشارسنج‌ دارای 30% تا 50% خطا از عدد اندازه‌گیری شده خود است. مهمترین علت این خطا ایجاد لایه جاذبی است که براثر برخورد یونها با کاتد درطول زمان بوجود می‌آید.

مزایای استفاده از فشارسنج کاتد سرد

• مستقل از فشار محیط
• با دوام
• امکان نصب در هر جهت
• اندازه‌گیری فشار خلأ بالا و خیلی بالا
• سرویس و نگهداری نسبتا ساده
• حساس نبودن به ضربه و لرزش
• آسیب‌پذیری کم درصورت ورود ناگهانی هوا
• ارزانتر از کاتد گرم

معایب استفاده از فشارسنج کاتد سرد

• شروع اندازه‌گیری از محدوده خلأ متوسط
• زمان راه‌اندازی بالا
• دارای میدان مغناطیسی(برای کاربردهای حساس به میدان مغناطیسی)
• نیاز به ولتاژ بالا(2-5 KV)
• محدوده اندازه‌گیری کمتر نسبت به کاتد گرم
• دقت پایین‌تر نسبت به کاتد گرم
• وابسته به نوع گاز

شکل 11- نمودار تصحیح خوانده فشارسنج کاتد سرد براساس نوع گاز

فشارسنج کاتد گرم(Hot Cathode Vacuum Gauge)

در فشارسنج کاتد گرم شامل سه الکترود است(کاتد، آنود و جمع کننده یونها). کاتد که همان کاتد گرم است معمولا از جنس تنگستن و یا اکسید ایریدیم ساخته می‌شود. فشارسنج کاتد گرم نیازی به ولتاژ بالا و یا میدان مغناطیسی ندارد. در شکل ساختمان فشارسنج کاتد گرم ملاحظه می‌شود.

شکل 12- اجزاء یک فشارسنج کاتد گرم

الکترون‌های گسیل‌شده از کاتد گرم تحت تاثیر میدان الکتریکی بین کاتد و آند شتاب گرفته و پس از برخورد با مولکول‌ها تولید یون مثبت می‌کنند. یون‌ها در جمع کننده یون جمع‌آوری شده و براساس جریان حاصل از آن میزان فشار اندازه‌گیری می‌شود.

محدوده اندازه‌گیری این فشارسنج از ^2-10 mbar تا  ^12-10 mbar می‌باشد.(حتما باید در فشار بالاتر از ^2-10 mbar روشن شود) این فشارسنج‌ دارای دقت بالاتری نسبت به فشارسنج کاتد سرد است.

مزایای استفاده از فشارسنج کاتد گرم

• مستقل از فشار محیط
• با دوام
• امکان نصب در هر جهت
• اندازه‌گیری فشار خلأ بالا و خیلی بالا
• دقت نسبتا بالا
• عدم وجود ولتاژ بالا
• عدم وجود میدان مغناطیسی
• زمان راه‌اندازی کوتاه

معایب استفاده از فشارسنج کاتد گرم

• شروع اندازه‌گیری از محدوده خلأ متوسط
• حساس نسبت به لرزش و ضربه
• حساس به ورود ناگهانی هوا
• وابسته به نوع گاز

نکات مهم در استفاده از فشارسنج‌ها

در ورودی فشارسنج‌ها حتما از فیلتر مناسب استفاده شود.

در فشارسنج‌های خلأ پایین و متوسط معمولا از دهانه کوچک استفاده می‌شود تا میزان ورود آلودگی به حداقل برسد اما در فشارسنج‌های خلأ بالا معمولا از دهانه‌های بزرگتری استفاده می‌شود زیرا ابعاد دهانه در جریان مولکولی بسیار اهمیت دارد. به همین دلیل از کوچک کردن دهانه این فشارسنج‌ها اکیدا خودداری کنید.(جهت اطلاعات بیشتر می‌توانید این مقاله و همچنین این مقاله را مطالعه کنید)

در فشارسنج‌های بهینه شده پیرانی یا ترموکوپلی(Convection Enhanced) حتما به راستای نصب فشارسنج دقت شود(معمولا بصورت افقی نصب می‌شوند).

پیش از استفاده از فشارسنج‌ها حتما دفترچه راهنمای فشارسنج‌ها را مطالعه کنید.

فشارسنج‌ها لازم است تا بصورت دوره‌ای و مطابق دفترچه راهنما تمیزکاری شوند. سپس لازم است تا فشارسنج‌ها از نظر عملکرد صحیح بررسی گردند.

فشارسنج‌های پیرانی و ترموکوپلی لازم است تا بصورت دوره‌ای و مطابق دفترچه راهنما تنظیم(Adjust) شوند.

از قرار دادن فشارسنج‌ها در مسیر جریان شدید هوا(مانند مسیر شیر هوادهی) خودداری شود.

با توجه به اهمیت دقت در فرآیند ساخت سیستم‌های اندازه‌گیری، حتما فشارسنج‌های خود را از برندهای شناخته شده و مرغوب تهیه نمایید.

در مقاله بعدی به بررسی سایر اجزاء سیستم فشارسنجی مانند کنترلر‌های فشار و سوئیچ‌های فشار خواهیم پرداخت و همچنین درباره فشارسنج‌های اکتیو و پسیو صحبت می‌کنیم.

شرکت پایاصنعت خلأ ارائه دهنده انواع خدمات تعمیر، کالیبراسیون، تنظیم و صحت سنجی انواع فشارسنج های خلأ از خلأ پایین تا خلأ بالا می باشد. این شرکت همچنین امکان تهیه انواع فشارسنج های خلأ از بهترین برندهای دنیا را دارا می باشد.