کنترل سطح فشار یکی از جنبه‌های حیاتی در سیستم‌های صنعتی و فرایندهای مهندسی است که به حفظ عملکرد بهینه تجهیزات، افزایش ایمنی و کاهش استهلاک کمک می‌کند. در این راهنمای گام‌به‌گام، به بررسی اصول، روش‌ها و ابزارهای مورد استفاده در کنترل سطح فشار پرداخته و راهکارهای عملی برای بهینه‌سازی این فرآیند ارائه خواهیم داد.

کنترل سطح فشارچیست؟

کنترل سطح فشار به فرآیند پایش، تنظیم و حفظ مقدار مشخصی از فشار در یک سیستم یا محیط مشخص گفته می‌شود تا عملکرد بهینه تجهیزات، ایمنی فرایندها و جلوگیری از آسیب‌های احتمالی تضمین شود. این فرآیند معمولاً با استفاده از حسگرهای فشار، کنترلرها، شیرهای تنظیم فشار و تجهیزات کنترلی دیگر انجام می‌شود تا از نوسانات غیرمجاز جلوگیری شده و فشار در محدوده‌ای مشخص باقی بماند.

ما در این مقاله به بررسی انواع کنترل سطح پرداخته ایم.

نحوه عملکرد کنترل سطح فشار

کنترل سطح فشار فرآیندی است که طی آن فشار یک محیط (مایع، گاز یا بخار) در یک محدوده مشخص تنظیم و پایدار نگه داشته می‌شود. این فرایند شامل سه مرحله اصلی است: اندازه‌گیری فشار، پردازش داده‌ها، و اعمال اقدامات کنترلی.

1. اندازه‌گیری فشار:
   در این مرحله، حسگرهای فشار (Pressure Sensors) یا ترانسمیترهای فشار مقدار فشار لحظه‌ای را اندازه‌گیری کرده و سیگنال الکتریکی متناسب با مقدار فشار را به سیستم کنترل ارسال می‌کنند. این حسگرها می‌توانند انواع مختلفی مانند حسگرهای خازنی، پیزوالکتریک، مقاومتی و دیجیتال باشند.

جهت آشنایی با ترانسمیترهای فشار کلیک کنید.

1. پردازش داده‌ها و تصمیم‌گیری:
   داده‌های دریافتی از حسگرها به یک کنترلر (مانند PLC یا میکروکنترلر) ارسال می‌شود. این کنترلر مقدار فشار اندازه‌گیری‌شده را با مقدار تنظیم‌شده (Set Point) مقایسه می‌کند. اگر فشار از محدوده مجاز بالاتر یا پایین‌تر باشد، کنترلر تصمیمات لازم را برای اصلاح فشار اتخاذ می‌کند. این فرآیند می‌تواند به‌صورت خودکار توسط الگوریتم‌های کنترلی مانند PID کنترلر انجام شود.
2. اعمال اقدامات کنترلی:
   بر اساس پردازش انجام‌شده، کنترلر فرمان‌های لازم را به اجزای کنترلی مانند شیرهای کاهش فشار، پمپ‌ها، کمپرسورها یا دمپرها ارسال می‌کند تا میزان فشار تنظیم شود. برای مثال، اگر فشار بیش از حد بالا باشد، یک شیر تخلیه فشار باز می‌شود تا مقدار اضافی را خارج کند، یا اگر فشار کاهش یابد، پمپ فعال می‌شود تا فشار به سطح مطلوب برسد.

انواع روش‌های کنترل سطح فشار

1. روش‌های مکانیکی کنترل فشار

این روش‌ها از قطعات مکانیکی برای اندازه‌گیری و کنترل فشار استفاده می‌کنند و معمولاً نیاز به برق ندارند.

الف) فشارشکن‌ها (Pressure Relief Valves)

این نوع شیرها برای جلوگیری از افزایش بیش از حد فشار در سیستم‌ها استفاده می‌شوند. هنگامی که فشار از حد تعیین‌شده فراتر رود، این شیر باز شده و بخشی از سیال را تخلیه می‌کند تا فشار به سطح ایمن بازگردد.

ب) فشارسنج‌های مکانیکی (Mechanical Pressure Gauges)

این تجهیزات شامل مانومترهای بوردون (Bourdon Gauge)، دیافراگمی و کپسولی هستند که تغییرات فشار را به جابجایی مکانیکی تبدیل کرده و مقدار آن را نشان می‌دهند.

ج) تنظیم‌کننده‌های فشار (Pressure Regulators)

این دستگاه‌ها برای کاهش فشار ورودی به مقدار مشخصی در خروجی استفاده می‌شوند. نمونه‌های رایج آن شامل رگولاتورهای فنری و دیافراگمی است که در صنایع گاز و هوا به‌کار می‌روند.

2. روش‌های الکترونیکی کنترل فشار

این روش‌ها از حسگرها و تجهیزات الکترونیکی برای اندازه‌گیری و کنترل فشار استفاده می‌کنند و دقت بالایی دارند.

الف) حسگرهای فشار (Pressure Sensors & Transmitters)

این سنسورها تغییرات فشار را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کرده و به سیستم‌های کنترلی ارسال می‌کنند. انواع مختلف آن شامل:

• حسگرهای پیزوالکتریک (بر پایه کریستال‌های پیزوالکتریک)
• حسگرهای مقاومتی (Strain Gauge Pressure Sensors)
• سنسورهای خازنی

مطالعه کنید:سنسور خازنی چیست؟نحوه ی نصب سنسور خازنی

ب) سیستم‌های کنترلی مبتنی بر PLC و PID

در صنایع پیشرفته، از کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) و الگوریتم‌های کنترل PID برای تنظیم خودکار فشار استفاده می‌شود. این سیستم‌ها بر اساس داده‌های حسگرها، فرمان‌های مناسب را برای تنظیم فشار صادر می‌کنند.

ما در این مقاله در رابطه با کنترلرهای منطقی پذیر PLC به صورت جزئی صحبت کرده ایم.

ج) سوئیچ‌های فشار (Pressure Switches)

این تجهیزات، تغییرات فشار را تشخیص داده و در صورت عبور از حد مجاز، مدار الکتریکی را باز یا بسته می‌کنند.

3. روش‌های ترکیبی (الکترومکانیکی)

برخی از سیستم‌های کنترل فشار ترکیبی از روش‌های مکانیکی و الکترونیکی هستند. نمونه‌های آن شامل:

• ترانسمیترهای فشار دیجیتال با خروجی مکانیکی و الکتریکی
• کنترلرهای فشار هیدرولیکی یا نیوماتیکی با فیدبک الکتریکی

رنج دمایی کنترل سطح فشار

رنج دمایی در کنترل سطح فشار به بازه دمایی‌ای اشاره دارد که در آن ابزارهای کنترل فشار می‌توانند به‌طور مؤثر عمل کنند. دما تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سنسورها، رگولاتورها، شیرهای کنترل و سایر تجهیزات کنترلی دارد، زیرا تغییرات دمایی می‌توانند موجب انبساط، انقباض، تغییر ویسکوزیته سیالات و حتی خرابی تجهیزات الکترونیکی و مکانیکی شوند. در ادامه، عوامل مؤثر بر رنج دمایی و انواع تجهیزات کنترلی متناسب با شرایط دمایی مختلف بررسی می‌شوند.

۱. تأثیر دما بر تجهیزات کنترل فشار

• اثر انبساط حرارتی: افزایش دما ممکن است باعث انبساط قطعات مکانیکی مانند دیافراگم‌ها و سنسورها شود و منجر به خطای اندازه‌گیری گردد.
• تغییر خواص سیالات: افزایش دما می‌تواند ویسکوزیته و چگالی سیالات را تغییر دهد، که این امر عملکرد ابزارهای اندازه‌گیری فشار را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
• خرابی الکترونیکی: سنسورهای فشار و مدارهای الکترونیکی ممکن است در دماهای بسیار بالا یا پایین از کار بیفتند.

۲. دسته‌بندی تجهیزات کنترل فشار بر اساس رنج دمایی

الف) تجهیزات کنترل فشار در دمای پایین (Low-Temperature Applications)

• رنج دمایی: از -200°C تا 0°C
• کاربردها: صنایع کرایوژنیک (Cryogenics)، نگهداری گازهای مایع مانند نیتروژن مایع، هلیوم مایع و سیستم‌های برودتی.
• تجهیزات متناسب:
  • سنسورهای فشار مبتنی بر خازنی که در دماهای پایین پایداری بهتری دارند.
  • شیرهای کنترل فشار مخصوص گازهای کرایوژنیک که از مواد مقاوم در برابر انجماد ساخته شده‌اند.
  • گیج‌های فشار روغنی (Liquid-Filled Pressure Gauges) برای جلوگیری از انجماد در محیط‌های سرد.

ب) تجهیزات کنترل فشار در دمای متوسط (Normal-Temperature Applications)

• رنج دمایی: از 0°C تا 200°C
• کاربردها: صنایع پتروشیمی، نیروگاه‌ها، خطوط انتقال گاز و آب، سیستم‌های بخار و فرآیندهای صنعتی معمولی.
• تجهیزات متناسب:
  • ترانسمیترهای فشار پیزوالکتریک و استرین گیج
  • رگولاتورهای فشار مکانیکی و دیافراگمی
  • شیرهای کنترل فشار بر پایه مواد مقاوم به دما (استیل ضدزنگ، آلیاژهای مقاوم)

ج) تجهیزات کنترل فشار در دمای بالا (High-Temperature Applications)

• رنج دمایی: از 200°C تا 1000°C
• کاربردها: صنایع نفت و گاز، توربین‌های گازی، فرآیندهای متالورژی، نیروگاه‌های حرارتی و سیستم‌های بخار با دمای بالا.
• تجهیزات متناسب:
  • سنسورهای فشار مقاوم در برابر حرارت (High-Temperature Pressure Sensors) با استفاده از ترموکوپل‌های مقاوم در برابر دما.
  • ترانسمیترهای فشار با سیستم‌های خنک‌کننده (Cooling Elements) برای محافظت در برابر دمای بالا.
  • شیرهای کنترلی با آلیاژهای مقاوم به حرارت مانند اینکونل (Inconel) و تیتانیوم.

خواندن این مقاله را از دست ندهید: ترموکوپل چیست؟انواع ترموکوپل در ابزار دقیق

۳. ملاحظات انتخاب تجهیزات بر اساس دما

• جنس قطعات: برای دماهای بالا از آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت (مانند استیل ضدزنگ 316 و Hastelloy) استفاده می‌شود.
• پوشش‌های محافظ: در محیط‌های سرد، استفاده از پوشش‌های حرارتی برای جلوگیری از یخ‌زدگی سنسورها ضروری است.
• سیستم‌های جبران‌سازی دما: برخی سنسورها مجهز به مدارهای جبران‌ساز دمایی (Temperature Compensation) هستند تا اثرات تغییر دما را کاهش دهند.

مشکلات رایج در سیستم‌های کنترل سطح فشار

۱. مشکلات مربوط به سنسورها و ترانسمیترهای فشار

الف) خطای کالیبراسیون (Calibration Errors)

• علت: تغییرات دمایی، استهلاک قطعات، نصب نادرست
• تأثیر: ایجاد اختلاف بین مقدار واقعی فشار و مقدار اندازه‌گیری‌شده، که منجر به عملکرد نادرست سیستم کنترل می‌شود.
• راه‌حل: کالیبراسیون دوره‌ای مطابق با استانداردهای صنعتی مانند ISA و ANSI

ب) نویز الکترومغناطیسی (Electromagnetic Interference – EMI)

• علت: مجاورت با موتورهای الکتریکی، اینورترها، رله‌ها و سیستم‌های مخابراتی
• تأثیر: ایجاد سیگنال‌های کاذب در سنسور فشار که موجب قرائت نادرست و تصمیم‌گیری غلط سیستم کنترل می‌شود.
• راه‌حل: استفاده از کابل‌های شیلددار، فیلترهای EMI و نصب تجهیزات در فواصل ایمن از منابع نویز

ج) انسداد مسیر فشار (Pressure Port Blockage)

• علت: تجمع رسوبات، ذرات معلق، یا خوردگی در مجاری سنسور
• تأثیر: تأخیر در پاسخ‌دهی سنسور و اندازه‌گیری نادرست فشار
• راه‌حل: استفاده از فیلترهای مناسب، انجام بازرسی و نگهداری دوره‌ای، و طراحی مسیرهای فشار خودتمیزشونده

د) خطای ناشی از تغییرات دما (Temperature Drift)

• علت: انبساط و انقباض المان‌های حسگر، تغییر خواص مواد سازنده سنسور در دماهای بالا یا پایین
• تأثیر: کاهش دقت اندازه‌گیری فشار و ایجاد نوسانات در سیستم کنترلی
• راه‌حل: انتخاب سنسورهای دارای جبران‌سازی دمایی (Temperature Compensation)، استفاده از المان‌های خنک‌کننده یا گرم‌کننده

۲. مشکلات مربوط به شیرهای کنترل فشار

الف) گرفتگی یا سایش داخلی شیر (Valve Clogging & Erosion)

• علت: عبور ذرات جامد، سایش ناشی از فشار بالا، رسوب‌گذاری سیالات
• تأثیر: کاهش دقت کنترل فشار، ایجاد افت فشار ناخواسته و حتی خرابی کامل شیر
• راه‌حل: استفاده از شیرهای مقاوم در برابر خوردگی و سایش (مانند آلیاژهای Hastelloy و Inconel)، فیلترگذاری مناسب، نصب شیرهای خودتمیزشونده

ب) تأخیر در عملکرد (Response Time Delay)

• علت: خرابی عملگرهای پنوماتیکی یا الکتریکی، تغییرات ناگهانی فشار، اصطکاک بالا در قطعات متحرک
• تأثیر: افزایش نوسانات فشار، کاهش دقت تنظیم فشار، ایجاد استرس مکانیکی در تجهیزات پایین‌دستی
• راه‌حل: تنظیم پارامترهای PID در کنترل‌کننده، استفاده از عملگرهای سریع‌تر مانند سولنوئید ولوها، روانکاری مناسب قطعات

ج) نشتی در شیر کنترل (Valve Leakage)

• علت: خرابی اورینگ‌ها و گسکت‌ها، خوردگی، فرسودگی دیافراگم‌ها
• تأثیر: کاهش دقت در تنظیم فشار، هدررفت سیال، کاهش راندمان سیستم
• راه‌حل: استفاده از آلیاژهای مقاوم به خوردگی، بازرسی و تعویض دوره‌ای اورینگ‌ها و دیافراگم‌ها، تست فشار استاتیک و دینامیک

۳. مشکلات مربوط به کنترلرهای فشار (PID، PLC و DCS)

الف) تنظیم نامناسب ضرایب PID (Improper PID Tuning)

• علت: مقداردهی اولیه نادرست، عدم تطبیق سیستم کنترلی با تغییرات دینامیکی فرآیند
• تأثیر: ایجاد نوسانات فشار (Oscillation)، تأخیر در رسیدن به مقدار مطلوب، افزایش استهلاک شیرها و پمپ‌ها
• راه‌حل: تنظیم بهینه ضرایب PID با روش‌های زیگلر-نیکولز (Ziegler-Nichols) یا روش‌های خودتنظیم (Auto-Tuning)

ب) خطای حسگر و اثرات آن بر کنترلر (Sensor Drift & Controller Error)

• علت: کهنگی حسگر، تغییرات دمایی، خطای داخلی الکترونیکی
• تأثیر: تصمیم‌گیری نادرست کنترلر، ارسال سیگنال‌های اشتباه به عملگرها
• راه‌حل: استفاده از سیستم‌های تشخیص خطای حسگر (Sensor Fault Detection Systems)، جایگزینی حسگرهای معیوب

ج) تأخیر در ارسال داده‌ها در سیستم‌های DCS و SCADA

• علت: ازدحام داده‌ها در شبکه صنعتی، تأخیر پردازشی در کنترلرهای مرکزی
• تأثیر: کند شدن واکنش سیستم کنترلی به تغییرات فشار، کاهش پایداری فرآیند
• راه‌حل: افزایش پهنای باند شبکه صنعتی، استفاده از پروتکل‌های ارتباطی سریع‌تر مانند Profinet و EtherCAT

کلیک کنید:DCS و PLC: راهنمای انتخاب سیستم کنترل مناسب

۴. مشکلات مرتبط با شرایط محیطی و عملیاتی

الف) خوردگی و اکسیداسیون تجهیزات کنترلی (Corrosion & Oxidation)

• علت: تماس با مواد شیمیایی خورنده، بخارات اسیدی، محیط‌های مرطوب و نمکی
• تأثیر: کاهش طول عمر سنسورها، رگولاتورها و شیرهای کنترلی، افزایش هزینه‌های تعمیرات
• راه‌حل: استفاده از پوشش‌های مقاوم به خوردگی (مانند پوشش‌های تفلونی PTFE)، انتخاب مواد مقاوم مانند Duplex Stainless Steel

ب) تأثیر تغییرات ناگهانی فشار (Pressure Spikes & Surges)

• علت: تغییرات سریع در نرخ جریان، خرابی ناگهانی تجهیزات، ضربات قوچ (Water Hammer)
• تأثیر: آسیب به تجهیزات، افزایش تنش‌های مکانیکی
• راه‌حل: استفاده از دمپرهای فشار (Pressure Dampers)، استفاده از سیستم‌های جلوگیری از ضربه قوچ

ج) یخ‌زدگی در دماهای پایین (Freezing Issues in Low Temperatures)

• علت: قرار گرفتن تجهیزات در محیط‌های بسیار سرد، حضور رطوبت در مسیرهای کنترلی
• تأثیر: مسدود شدن مسیرهای فشار، خرابی دیافراگم‌ها و شیرهای کنترلی
• راه‌حل: استفاده از عایق‌های حرارتی، هیترهای صنعتی برای گرم نگه‌داشتن تجهیزات

مشاوره قبل از خرید

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با خرید محصولات می‌توانید با شماره تلفن‌های زیر تماس بگیرید: