قياس الضغط ووحدات الضغط في الهندسة

1. مقدمة في قياس الضغط

القياسيلعب الضغط دورًا حيويًا في الصناعة الحديثة، والبحث العلمي، والتطبيقات اليومية. ففي الإنتاج الصناعي، يُعدّ الضغط، شأنه شأن درجة الحرارة والتدفق والمستوى، متغيرًا أساسيًا في العملية الإنتاجية، ويجب مراقبته والتحكم فيه. وتؤثر دقة قياسه بشكل مباشر على كفاءة الطاقة، وسلامة الإنتاج، والأداء الاقتصادي العام.

قياس ضغط البخار
 

على سبيل المثال، تتطلب أنظمة مولدات التوربينات البخارية بخارًا عالي الحرارة والضغط. وخلال التشغيل، تضمن العديد من أجهزة قياس الضغط استقرار النظام وكفاءته. في الصناعات الكيميائية، يُحدد التحكم الدقيق في الضغط نتائج التفاعل. فعلى سبيل المثال، في عملية تصنيع الأمونيا، يضمن الحفاظ على الضغط الصحيح سير التفاعل الكيميائي بأفضل إنتاجية. ويؤدي انخفاض الضغط إلى انخفاض كفاءة التحويل، بينما يزيد الضغط الزائد من مخاطر السلامة.

في البحث العلمي والتكنولوجيا الحديثة، يؤثر الضغط على التحول البنيوي أو الطوري للمواد. بعض المعادن لا يمكن تكريرها إلا في ظروف ضغط منخفض للغاية لتحقيق نقاء عالٍ. من ناحية أخرى، يتطلب إنتاج الماس الصناعي ضغوطًا عالية للغاية تصل إلى نطاق الجيجا باسكال (GPa). حتى في التقنيات الناشئة مثل الطلاءات الرقيقة، يُعد التحكم في الفراغ والضغط أمرًا بالغ الأهمية.

تحت الضغط العالي، تُظهر الخصائص الفيزيائية للسوائل والمعادن والمواد الأخرى - مثل الانضغاطية واللزوجة والتوصيل الكهربائي والبنية البلورية - سلوكيات تختلف عن تلك الموجودة في الظروف الجوية العادية. لذلك، تُعدّ التطورات في تكنولوجيا قياس الضغط بالغة الأهمية لفهم هذه التغيرات وإدارتها.

في الصناعات الدفاعية والفضائية، يُعدّ رصد الضغط بالغ الأهمية. وتشمل تطبيقاته اختبارات أنفاق الرياح، ورسم خرائط ضغط أسطح الطائرات، والتحكم في أنظمة الوقود والتشحيم، والأنظمة الهيدروليكية والهوائية، والتحكم في قوة دفع الطائرات النفاثة، وقياس الارتفاع. وفي جميع هذه الحالات، تُعدّ أجهزة قياس الضغط الدقيقة ضرورية للغاية.

2. تطوير ومتطلبات تكنولوجيا قياس الضغط

مطالبة أجهزة إرسال الضغط

مع التطور السريع للإنتاج الصناعي والبحث العلمي، ازداد الطلب على قياس الضغط بشكل كبير. تتطلب الصناعات الحديثة أجهزة قادرة على قياس الضغوط العالية جدًا والضغوط المنخفضة جدًا بدقة متناهية.

• يصل نطاق الضغط العالي للغاية القابل للقياس عالميًا الآن إلى عشرات الملايين من الباسكال.
• في الصين، تم قياس ضغوط تصل إلى 2.5 × 10⁵ ميجا باسكال بنجاح.
• في مجال الفراغ والضغط الدقيق، يبلغ أدنى ضغط مطلق قابل للقياس في جميع أنحاء العالم 10⁻¹² باسكال ، بينما حققت الصين 10⁻¹⁰ باسكال .

يشمل قياس الضغط مجموعة واسعة من التطبيقات: الغازات والسوائل، والضغط الساكن والديناميكي، والوسائط النظيفة واللزجة، وحتى السوائل السامة أو المزلقة. كما يجب على المهندسين ضمان دقة نقل قيم الضغط من المعايير المرجعية إلى أجهزة القياس، مع تطوير أساليب ومعدات جديدة لتلبية المتطلبات المستجدة.

3. المفاهيم الأساسية للضغط

3.1 تعريف الضغط

في الفيزياء، يشير الضغط إلى القوة المؤثرة على وحدة المساحة على سطح ما. رياضياً، تُعبّر هذه العلاقة كما يلي:

أين:

• الضغط = p
• F = القوة المؤثرة
• أ = مساحة السطح

عندما تكون القوة المطبقة موزعة بشكل غير منتظم، يمكن تعريف الضغط على النحو التالي:

في الممارسة الهندسية، غالباً ما يتم التعبير عن الضغط بعدة طرق مختلفة اعتماداً على الظروف المرجعية وطرق القياس.

4. أنواع الضغط الشائعة

4.1 الضغط الجوي

الضغط الجوي ( p₀ ) هو القوة التي يمارسها وزن الهواء فوق سطح الأرض. ويتغير بتغير الارتفاع وخط العرض ودرجة الحرارة والظروف الجوية.

4.2 الضغط المطلق

يمثل الضغط المطلق ( pₐ ) إجمالي الضغط الذي يمارسه سائل أو غاز أو بخار عند نقطة معينة، بما في ذلك الضغط الجوي.

4.3 ضغط المقياس

ضغط المقياس ( p ) هو الضغط المقاس بالنسبة للضغط الجوي، أي:

4.4 الفراغ (الضغط السلبي)

الضغط السلبي

عندما يكون الضغط المطلق أقل من الضغط الجوي، يُطلق على الفرق اسم ضغط الفراغ ( pₕ )، ويُعبر عنه على النحو التالي:

4.5 درجة فراغ

تشير درجة الفراغ إلى مدى انخفاض الضغط المطلق مقارنةً بالضغط الجوي. في معظم التطبيقات الصناعية، تُصمَّم الأجهزة لقياس الضغط النسبي أو ضغط الفراغ مباشرةً.

يتم توضيح العلاقات بين أنواع الضغط المختلفة بشكل مفاهيمي في الشكل 1-1.

الشكل 1-1 : العلاقات بين الضغط المطلق، والضغط الجوي، وضغط القياس، وضغط الفراغ.

5. وحدات الضغط والتحويل

من تعريف الضغط، يتضح أن الضغط هو كمية مشتقة يتم التعبير عنها كقوة لكل وحدة مساحة .
وفقًا للمعايير الدولية (SI)، فإن الوحدة الأساسية للضغط هي الباسكال (Pa) ، والتي تُعرَّف على النحو التالي:

على الرغم من اعتماد لغة باسكال على نطاق واسع، لا تزال العديد من الوحدات التقليدية والخاصة بصناعات معينة مستخدمة في مختلف القطاعات. ومن أكثرها شيوعًا ما يلي:

5.1 بيئة هندسية

يُعرَّف بأنه الضغط الناتج عن قوة مقدارها 1 كيلوغرام تؤثر على 1 سم² ، ويُشار إليه بـ kgf/cm².

5.2 الغلاف الجوي القياسي

يمثل الضغط الذي يمارسه عمود من الزئبق بارتفاع 760 مم زئبق عند درجة حرارة 0 درجة مئوية والجاذبية القياسية (9.80665 م/ث²). ويُختصر عادةً إلى atm .

5.3 مليمتر زئبقي (mmHg)

الضغط الذي يمارسه عمود من الزئبق بسمك 1 مم في ظل الظروف القياسية.

5.4 مليمتر من الماء (mmH₂O)

الضغط الناتج عن عمود مائي بسمك 1 مم عند درجة حرارة 4 درجات مئوية.

5.5 وحدات مشتركة أخرى

تشمل وحدات الضغط الإضافية البار ، ومتر عمود الماء (mH₂O) ، والرطل لكل بوصة مربعة (psi أو lbf/in²) .

لتسهيل عملية التحويل، يقدم الجدول 1-1 معاملات التحويل بين وحدات الضغط المختلفة.

6. ملخص

القياسيشكل الضغط العمود الفقري للأتمتة الصناعية والتجارب العلمية والهندسة الحديثة. ويضمن فهم أنواع الضغط المختلفة ووحداته ومبادئ تحويله الدقة والسلامة والكفاءة في جميع التخصصات التقنية. ومع تزايد الطلب على دقة أعلى ونطاقات قياس أوسع في التقنيات الجديدة، ستستمر التطورات في أجهزة قياس الضغط في دفع عجلة التقدم في كل من الصناعة والبحث العلمي.

الجدول 1-1 عوامل تحويل وحدات الضغط