فشار مطلق (Absolute Pressure) به فشار اندازه‌گیری‌شده نسبت به خلاء کامل (صفر مطلق فشار) گفته می‌شود. در خلاء کامل، هیچ مولکول گازی وجود ندارد تا نیرو یا فشاری وارد کند؛ بنابراین این نقطه مرجع، صفر مطلق نامیده می‌شود.

 رابطه ریاضی:

Pabs = Pgauge + Patm

• Pabs (فشار مطلق): فشار کل سیستم نسبت به خلاء کامل.


• Pgauge (فشار نسبی / گیج): فشاری که گیج‌های معمولی نشان می‌دهند.


• Patm (فشار جو / اتمسفر): فشار هوای محیط (حدود 101.3Kpas یا 1.013bar در سطح دریا).

ویژگی‌های کلیدی فشار مطلق

• ثبات مرجع سنجش: بر خلاف فشار نسبی که صفر آن با تغییر ارتفاع یا تغییرات آب‌وهوایی تغییر می‌کند، مرجع فشار مطلق (خلاء صفر) همواره ثابت است.


• عدم وجود مقدار منفی: مقدار فشار مطلق هرگز نمی‌تواند کمتر از صفر باشد، در حالی که فشار نسبی (گیج) می‌تواند مقادیر منفی (خلاء نسبی) داشته باشد.

مهم‌ترین کاربردها

• سیستم‌های بسته و تقطیر: واکنش‌های شیمیایی ایزوله و مخازنی که نباید تحت تأثیر تغییرات اتمسفر قرار گیرند.


• پمپ‌ها و سیستم‌های وکیوم: سنجش میزان خلاء ایجاد شده در خطوط بسته.


• هواشناسی و ساخت تجهیزات پرواز: بارومترها و ارتفاسنج‌های هواپیما که نیاز به مرجع کاملاً ثابت دارند.

 در موارد خاص، اندازه‌گیری فشار فیزیکی به صورت فشار مطلق (Absolute Pressure) — به ویژه در سیستم‌های بسته — ضروری می‌شود؛ با این حال، سنسورها و ترانسمیترهای مورد استفاده در این کاربردها باید به صورت ویژه کپسوله‌سازی (Hermetically Encapsulated) شده باشند.

لوله هوا یا کاپیلاری (Vent Tube) درون کابل سنسورهای غوطه‌ور، وظیفه انتقال فشار اتمسفر (فشار جو) به پشت دیافراگم سنسور را بر عهده دارد تا تغییرات فشار بارومتریک محیط، باعث بروز خطا در اندازه‌گیری ارتفاع مایع نشود.

نحوه کارکرد و اصول فیزیکی:

• خنثی‌سازی فشار جو: فشار کل واردشده به دیافراگم سنسور در کف مخزن برابر است با مجموع فشار مایع و فشار اتمسفر (Ptotal=Phydrostatic + Patm). لوله کاپیلاری فشار Patm را از بیرون مخزن به سمت پشت دیافراگم هدایت می‌کند تا اثر آن خنثی شده و سنسور فقط فشار خالص هیدرواستاتیک (Phydrostatic=ρ.g.h) را ثبت کند.


• مسیر هوارسان کابل: این لوله نازک پلاستیکی به همراه سیم‌های رابط الکتریکی در سراسر کابل آب‌بندی‌شده امتداد یافته و انتهای آن در جعبه تقسیم (Junction Box) بیرون از سیال قرار می‌گیرد.


• محافظت در برابر رطوبت و تعریق: برای جلوگیری از ورود رطوبت هوا یا میعان آب درون لوله (که باعث مسدود شدن مسیر هوا یا آسیب به تجهیز می‌شود)، در انتهای لوله از فیلترهای آب‌گریز (Hydrophobic Filter) یا کپسول‌های رطوبت‌گیر (Desiccant Cartridge) استفاده می‌شود.

سنسورهای سطح غوطه‌ور (Submersible Level Transmitters) و سنسورهای نصب‌شونده از بیرون (Externally Mounted) هر دو از اصل فشار هیدرواستاتیک برای تعیین ارتفاع مایع استفاده می‌کنند، اما در محل قرارگیری، درجه حفاظت، نوع اتصالات و سهولت دسترسی تفاوت‌های کلیدی دارند.

زمانی که مخزن تحت فشار (بسته) باشد، سیال دارای دمای بالا باشد، یا نیازمندی‌های بهداشتی و استریل (CIP/SIP) در صنایع دارویی و غذایی مطرح باشد، استفاده از سنسور نصب بیرونی الزامی است. این سنسورها امکان اتصال دیافراگم‌های ایزوله و نصب شیر ایزوله جهت سرویس‌دهی بدون تخلیه مخزن را فراهم می‌کنند.

زیرا FSO بازه حرکتی واقعی سیگنال مفید را نشان می‌دهد. در یک خروجی استانداردی مانند 20-4 میلی آمپر، مقدار 4 میلی آمپر نقش صفر زنده (Live Zero) را ایفا می‌کند و تغییرات واقعی تجهیز تنها در بازه 16 میلی آمپر اتفاق می‌افتد. محاسبه خطا بر مبنای FSO ارزیابی کاملاً دقیق و واقعی از رفتار خطی، هیسترزیس و عملکرد سنسور در طول کل گستره کاری ارائه می‌دهد.

•  سنسورهای سیلیکونی پیزورزیستیو (Piezoresistive Silicon Sensors):


• 
  
  
  
  • بدون کپسوله‌سازی (Non-encapsulated): مناسب برای گازها و سیالات رقیق و غیرمهاجم.
  
  
  • با دیافراگم استیل ضدزنگ (Stainless Steel Membrane): مناسب برای کاربردهای عمومی و استاندارد صنعتی.
  
  
  
  


• سنسورهای فیلم نازک استیل (Stainless Steel Thin Film Sensors): مناسب برای سیستم‌های هیدرولیک و محیط‌هایی با بار فشار دینامیکی بالا (شوک و نوسانات شدید فشار).


• سنسورهای سرامیکی فیلم ضخیم (Thick Film Ceramic Sensors): مناسب برای محیط‌های شیمیایی مهاجم و خورنده.


• سنسورهای سرامیکی خازنی (Capacitive Ceramic Sensors): مناسب برای محیط‌های شیمیایی مهاجم/خورنده و بازه‌های اندازه‌گیری بسیار کوچک (فشارهای بسیار پایین).

مشخصات فنی انواع سنسورهای فشار را به تفصیل در بخش تکنولوژی سنسورها خواهید یافت.

اصطلاح FS به نقطه نهایی بازه سیگنال اشاره دارد (مثلاً 20 میلی آمپر، در حالی که FSO نشان‌دهنده «دامنه کل خروجی» یا همان اسپن است (در یک ترانسمیتر استاندارد 4 تا 20 میلی آمپر، مقدار FSO برابر با 20 - 4 = 16 میلی آمپر است). بیان دقت بر حسب درصد FSO (مانند 0.25%  FSO) به این معنی است که میزان خطای مجاز تجهیز بر اساس کل گستره تغییرات خروجی (16 میلی آمپر) محاسبه می‌شود.

میزان انحراف مجاز واقعی از منحنی مشخصه ایده‌آل تحت عنوان دقت (Accuracy) مشخص می‌شود.

• "FS" (Full Scale): مقیاس کامل / مقدار نهایی (برای مثال: 20 میلی آمپر)


• "FSO" (Full Scale Output): دامنه خروجی / اسپن (برای مثال: 16 میلی آمپر)


• مشخصات دقت همواره به صورت درصدی از گستره اندازه‌گیری (FSO) بیان می‌شوند.

فول اسکیل (FS) یا حد نهایی، بالاترین مقدار کمیت فیزیکی (مانند فشار یا ارتفاع) است که ترانسمیتر برای آن کالیبره شده و معادل حداکثر سیگنال خروجی (مثلاً ۲۰ میلی‌آمپر) است. در اکثر تجهیزات ابزار دقیق، درصد دقت (Accuracy) به صورت درصدی از Full Scale (مانند 0,5% FS) بیان می‌شود؛ به این معنی که میزان خطای مجاز بر اساس کل بازه اندازه‌گیری تجهیز محاسبه می‌گردد.

زمان پاسخ‌دهی (بر اساس استانداردهای DIN EN 61298 و DIN EN 60770) به فاصله زمانی بین شروع پاسخ پله‌ای تا زمانی گفته می‌شود که سیگنال خروجی به محدوده 1% از اسپن (دامنه) خروجیِ مقدار پایدار خود برسد و در آن باقی بماند. این پله معادل 80% تغییر در سیگنال خروجی است (شامل تغییر خروجی از 10% به 90% و سپس از 90% به 10%). در استانداردهای DIN EN 61298 و DIN EN 60770، دو عبارت «زمان پاسخ‌دهی» (Response Time) و «زمان تثبیت» (Settling Period) به صورت مترادف استفاده می‌شوند.

زمان پاسخ‌دهی نشان‌دهنده سرعت واکنش سنسور به تغییرات ناگهانی فشار ورودی است. در فرآیندهای صنعتی سریع مانند پایش شوک‌های هیدرولیکی (ضربه قوچ) یا خطوط تزریق، پایین بودن این زمان (در حد چند میلی‌ثانیه) برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات بسیار حیاتی است.

Span = Final Value – Initial Value

• مثال: اگر یک ترانسمیتر فشار برای بازه 2 تا 10 بار تنظیم شده باشد:


• Initial Value (Offset): دو بار معادل 4 میلی آمپر


• Final Value: ده بار معادل 20 میلی آمپر


• Span: تفاوت دو مقدار: 2-10=8 بار

کمترین مقدار اندازه‌گیری‌شده‌ای که تجهیز اندازه‌گیری روی آن کالیبره و تنظیم شده است (برای مثال: ۴ میلی‌آمپر در خروجی‌های استاندارد ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر، یا ۲۰ میلی‌آمپر در خروجی‌های معکوس).

مقدار اولیه یا آفست، پایین‌ترین حد بازه اندازه‌گیری تجهیز است که به سیگنال خروجی مبنا (معمولاً ۴ میلی‌آمپر) نگاشت می‌شود. اگر در نقطه صفرِ فرآیند، سنسور عددی غیر از صفر خروجی دهد، دچار «خطای آفست» شده است. عدم تنظیم دقیق این نقطه (Zero Adjustment) باعث می‌شود تمام اندازه‌گیری‌های بعدی در طول بازه کارکرد تجهیز، به همان میزان دچار انحراف یکنواخت و خطا شوند.

• هیسترزیس (Hysteresis): هیسترزیس عبارت است از اختلاف در مقدار خروجی برای یک مقدار اندازه‌گیری‌شده ثابت، در دو حالت افزایش فشار و کاهش فشار.


• انحراف از خطی‌بودن (Deviation from the Linear): میزان انحراف منحنی مشخصه واقعی تجهیز نسبت به یک خط مرجع مستقیم است.


• تکرارپذیری (Reproducibility): تکرارپذیری، بزرگ‌ترین میزان انحراف منحنی مشخصه را نسبت به یک خط مرجع در اندازه‌گیری‌های مکرر تعریف می‌کند.


• خطای دمایی (Temperature Error): خطای دمایی نشان‌دهنده حداکثر انحراف منحنی مشخصه از حالت ایده‌آل — برای اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در دماهای مختلف — در محدوده جبران‌سازی‌شده (Compensated Sector) است. خطای دمایی معمولاً به صورت یک عدد کلی برای کل بازه جبران‌سازی بیان می‌شود، نه به ازای تغییرات 10K یا 1K.


• انحراف منحنی مشخصه FSO بر اساس استاندارد IEC 60770: این پارامتر، حداکثر خطای کلی تجهیز را طبق استاندارد IEC 60770 تعریف می‌کند که از مجموع خطاهای غیرخطی بودن، هیسترزیس و تکرارپذیری بر اساس تنظیم نقاط انتهایی (یعنی انحراف مقادیر ابتدا و انتهای بازه از خط مستقیم) تشکیل شده است. در مقایسه با روش تنظیم نقطه اولیه یا روش «خط مستقیم با بهترین انطباق» (BFSL)، این تعریف بزرگ‌ترین مقدار انحراف منحنی مشخصه را به دست می‌دهد، اما درک آن برای کاربر ساده‌تر است. از این رو، هنگام درج جزئیات دقت (Accuracy) در دیتاشیت تجهیزات، حتماً باید روش تعریف خطا نیز مشخص گردد.

رابطه بین مقدار اندازه‌گیری‌شده (ورودی فرآیند) و سیگنال خروجی تجهیز، توسط منحنی مشخصه (Characteristic Curve) توصیف می‌شود. این منحنی در حالت ایده‌آل و استاندارد، یک خط مستقیم (خطی / Linear) است.

منحنی مشخصه نشان‌دهنده نحوه تبدیل کمیت فیزیکی ورودی (مانند فشار یا ارتفاع سطح) به سیگنال الکتریکی خروجی (مانند ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر) است. خطی بودن این منحنی (ایجاد یک خط مستقیم) باعث می‌شود که سیستم کنترل (مانند PLC) بتواند بدون نیاز به محاسبات ریاضی پیچیده یا فرمول‌های غیرخطی، تغییرات ورودی را با دقتی ثابت و یکنواخت در تمام بازه اندازه‌گیری محاسبه کند. انحراف منحنی واقعی سنسور از این خط ایده‌آل را «خطای عدم خطی‌بودن» (Non-linearity Error) می‌نامند.

•  1mbar = 100pas


• 1bar = 14.5psi


• 1psi = 68.95mbar


• 1bar = 100kpas


• 1bar = 750mmHg


• 1bar = 10.19mH₂O

اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک (Hydrostatic Level Measurement) بر پایه سنجش فشاری انجام می‌شود که توسط ستون سیال در یک عمق مشخص و بالای نقطه اندازه‌گیری اعمال می‌گردد. برای آب با چگالی 1g/cm³، فشار به ازای هر متر افزایش عمق، حدود 100mbar افزایش می‌یابد. با کالیبراسیون تجهیز بر اساس چگالی مخصوص سیال مورد نظر، سیگنال خروجی پروب سطح هیدرواستاتیک (Hydrostatic Level Probe) متناسب با عمق مایع تنظیم می‌شود.

اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک (Hydrostatic Level Measurement) یکی از پرکاربردترین، قابل‌اعتمادترین و ساده‌ترین روش‌های تماس مستقیم برای تعیین ارتفاع مایعات در مخازن باز، بسته، چاه‌ها و کانال‌ها است.

 این روش بر اصل سنجش فشار ستون مایع در اثر نیروی جاذبه زمین استوار است.

فرمول و مبنای علمی:

فشار ایجادشده در کف مخزن یا عمق مشخصی از مایع، مستقیماً با ارتفاع مایع و چگالی آن رابطه مستقیم دارد:

P=ρ.g.h

• P (فشار هیدرواستاتیک): فشار اندازه‌گیری‌شده در کف مخزن (در واحد پاسکال یا بار)


• ρ (چگالی سیال): جرم حجمی مایع در واحد (Kg/m³)


• g (شتاب جاذبه زمین): ثابت جاذبه (حدود 9.81)


• h (ارتفاع ستون مایع): فاصله سطح مایع تا سنسور (m)

با توجه به این رابطه، اگر چگالی سیال (ρ) مشخص و ثابت باشد، ارتفاع مایع (h) مستقیماً از تقسیم فشار بر چگالی و جاذبه محاسبه می‌شود:

(h = P/(ρ.g

مزایا و معایب روش هیدرواستاتیک:

مزایا:

• مقاوم در برابر کف و تلاطم: وجود کف، حباب روی سطح مایع یا تلاطم سطح، تأثیری بر سنجش فشار هیدرواستاتیک در کف ندارد.


• تکنولوژی اثبات‌شده و اقتصادی: نصب، راه‌اندازی و نگهداری آن بسیار آسان و مقرون‌به‌صرفه است.


• تنوع در نصب: امکان نصب سنسور از دیواره خارجی مخزن (فلنجی/دنده‌ای) یا آویزان کردن سنسور غوطه‌ور از بالای مخزن/چاه.

معایب:

• وابستگی شدید به چگالی: در صورت تغییر دما یا ترکیب شیمیایی مایع که باعث تغییر چگالی شود، بدون جبران‌سازی دچار خطای اندازه‌گیری می‌شود.


• روش تماسی: سنسور در تماس مستقیم با سیال قرار دارد و برای سیالات بسیار خورنده، چسبنده یا رسوب‌دهنده نیاز به دیافراگم‌های ایزوله خاص دارد.*

* برای اندازه گیری ارتفاع سیال داخل مخازنی که روش تماسی امکانپذیر نیست، از سنسورهای اولتراسونیک، لیزر و رادار استفاده می کنند. در صورت نیاز به اطلاعات یا راه حلهایی در این زمینه با دفتر سپاهان الکتریک تماس بگیرید.

فشار تفاضلی (Differential Pressure) یا فشار دیفرانسیلی (ΔP) به اختلاف فشار بین دو نقطه از یک سیستم گفته می‌شود. در این اندازه‌گیری، هیچ مرجع مطلقی مانند خلاء کامل یا فشار جو وجود ندارد؛ بلکه ترانسمیتر دو فشار فرآیندی مختلف را دریافت کرده و تفاضل آن‌ها را محاسبه می‌کند.

فرمول ریاضی:

ΔP=P₁-P₂

• P₁ (طرف High / HP): فشار ورودی اول (معمولاً فشار بالاتر).


• P₂ (طرف Low / LP): فشار ورودی دوم (معمولاً فشار پایین‌تر).


• ΔP: میزان اختلاف فشار خروجی.

مهم‌ترین کاربردهای صنعتی:

• پایش انسداد و گرفتگی فیلترها: با اندازه‌گیری فشار قبل (P₁) و بعد (P₂) از فیلتر، میزان گرفتگی مشخص می‌شود. اگر ΔP از حد مجاز فراتر رود، زمان تعویض فیلتر فرا رسیده است.


• اندازه‌گیری دبی و جریان سیالات (Flow): با نصب یک تجهیز کاهنده مانند صفحه اوریفیس (Orifice Plate) یا لوله ونچوری در مسیر لوله، بر اساس فرمول برنولی، اختلاف فشار ایجادشده نسبت مستقیم با سرعت و دبی عبوری سیال دارد.


• اندازه‌گیری سطح مخازن بسته (Level): در مخازن تحت فشار، ترانسمیتر تفاضلی با مقایسه فشار کف مخزن (فشار هیدرواستاتیک + فشار گاز) و فشار بالای مخزن (فشار گاز)، ارتفاع دقیق مایع را فارغ از فشار گاز بالای آن محاسبه می‌کند.


• کنترل فشار اتاق تمیز (Cleanroom): ایجاد اختلاف فشار مثبت خفیف در اتاق‌های تمیز بیمارستانی و داروسازی نسبت به راهروها، از ورود هوای آلوده بیرون به داخل اتاق جلوگیری می‌کند.

اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک در پایه و اساس بر اصول فیزیکی یکسانی استوار است (P=ρ.g.h)، اما وجود یا عدم وجود فشار گاز یا بخار در بالای مایع (فشار سرپوش / Blanket Pressure)، نحوه سنجش و نوع تجهیزات مورد نیاز در مخازن باز و بسته را کاملاً متفاوت می‌سازد.

۱. مخازن باز (Open Tanks / Vent to Atmosphere)

در مخازن باز، فضای بالای مایع با فشار جو (اتمسفر) در تماس است.

فرمول فشار کف مخزن:

Phydrostatic=Patm+Ptotal

• نحوه کارکرد: فشار اتمسفر هم به سطح مایع و هم به دیافراگم مرجع سنسور (از طریق ورودی هوای آزاد یا لوله کاپیلاری) وارد می‌شود؛ در نتیجه اثر فشار جو کاملاً خنثی شده و تجهیز فقط فشار حاصل از وزن ستون مایع را ثبت می‌کند:
  
  
  

  Pmeasured = Phydrostatic = ρ.g.h

  
  
  
  


• تجهیز مورد نیاز: سنسور فشار نسبی (Gauge Pressure) ساده (نصب‌شده از بیرون به دیواره یا کف) یا سنسور سطح غوطه‌ور (Submersible).

۲. مخازن بسته / تحت فشار (Closed / Pressurized Tanks)

در مخازن بسته، فضای بالای مایع آب‌بندی شده و ممکن است حاوی گاز تحت فشار یا وکیوم باشد (Pgas).

فرمول فشار کف مخزن:

• نحوه کارکرد: اگر از سنسور تک‌پورت ساده استفاده شود، هرگونه تغییر در فشار گاز بالای مخزن، به عنوان تغییر در ارتفاع مایع به اشتباه محاسبه خواهد شد. برای حل این مشکل، باید فشار فضای بالای مخزن از فشار کل کف مخزن کسر شود:
  
  
  

   

  
  

  ΔP = Pbottom - Pgas = Phydrostatic

  
  

   

  
  
  
  


• تجهیزات مورد نیاز:
  
  
  
  1. ترانسمیتر فشار تفاضلی (Differential Pressure / DP Transmitter): تجهیز دارای دو ورودی است؛ پورت فشار بالا (HP) به کف مخزن و پورت فشار پایین (LP) به بالای مخزن متصل می‌شود تا تفاضل مستقیم آن‌ها محاسبه گردد.
  
  
  2. سیستم فشار تفاضلی الکترونیکی (Electronic DP / eDP): استفاده از دو سنسور فشار مجزا (یکی در بالا و یکی در پایین مخزن) که داده‌های خود را به صورت دیجیتالی به یک پردازنده ارسال می‌کنند تا مقدار تفاضل را محاسبه کند.
  
  
  
  

سنسورهای غوطه‌ور فقط فشار کل واردشده به کف مخزن را می‌سنجند و لوله هوای (Vent Tube) کابل آن‌ها با فشار اتمسفر بیرون ارتباط دارد. در یک مخزن بسته، تغییرات فشار گاز یا بخار بالای مایع روی دیافراگم سنسور اثر گذاشته اما در کابل جبران نمی‌شود؛ این امر باعث ایجاد خطای بسیار بزرگ در محاسبه سطح واقعی مایع می‌گردد. برای این مخازن حتماً باید از سیستم‌های فشار تفاضلی (DP) استفاده شود.