قصة اختراع جهاز قياس الضغط بوردون

تتضمن العديد من العمليات في العالم الحديث القياس والتحكم في أنظمة السائل والغاز المضغوط، تعكس هذه المراقبة معايير أداء معينة يجب التحكم فيها لتحقيق النتائج المرغوبة للعملية وضمان تشغيلها الآمن، الغلايات والمصافي وأنظمة المياه وأنظمة الغاز المضغوط ليست سوى عدد قليل من التطبيقات العديدة لمقاييس الضغط.، تتكون أداة بيان الضغط الميكانيكي، أو المقياس، من عنصر ضغط مرن؛ يسمّى “المقبس”؛ وآلة تروس تسمّى “الحركة”؛ وحافظة الحماية والقرص ومجموعة عدسات المشاهدة.

عنصر الضغط المرن هو العضو الذي يزيح أو يتحرك فعليًا بسبب تأثير الضغط، عندما يتم تصميمه بشكل صحيح، يكون عنصر الضغط هذا عالي الدقة وقابل للتكرار، يتم توصيل عنصر الضغط بآلية “الحركة” المسننة، والتي بدورها تقوم بتدوير المؤشر خلال قرص مدرج، إنّه موضع المؤشر بالنسبة إلى التدرجات التي يستخدمها العارض لتحديد مؤشر الضغط.

ما هي قصة اختراع جهاز قياس الضغط بوردون؟

كانت الثورة الصناعية مدعومة بثروات بضع عشرات من الممولين، ونتيجة جهود الملايين من عمال المصانع، وحفنة من الابتكارات التقنية الرئيسية، كان مقياس بوردون التصميم الأكثر شيوعًا لمقاييس الضغط ،في عام 1849م حصل المهندس يوجين بوردون على براءة اختراع لجهاز قياس الضغط المعروف اليوم باسم أنبوب بوردون، وهو أحد الاختراعات الرئيسية في منتصف القرن التاسع عشر، كان يوجين بوردون (1808م-1884م) صانع ساعات ومهندسًا فرنسيًا لامعًا اخترع مقياس ضغط بوردون في عام 1849م، أتاح هذا الجهاز الثوري الجديد لقياس الضغط قياسًا دقيقًا لضغوط أعلى بكثير من أجهزة القياس الحالية.

صمّم بوردون الجهاز لمحركات القاطرات البخارية، لكن جهاز قياس الضغط الأكثر فائدة وقوة سمح للمهندسين بتطوير مجموعة من الآلات الصناعية التي تعمل تحت ضغوط أعلى، إلى جانب بساطته ودقته النسبية، يمكن لمقياس بوردون قياس ضغوط أعلى بكثير من مقاييس ضغط المانومتر على شكل (U) المستخدمة في ذلك الوقت، باستخدام مقياس بوردون، يمكن للمهندسين الآن قياس الضغوط التي تزيد عن 100000 رطل لكل بوصة مربعة، قرر يوجين بوردون محاولة تطوير هذا النوع الجديد من أجهزة قياس الضغط في أواخر أربعينيات القرن التاسع عشر بسبب العدد المتزايد من الحوادث المروعة التي تنطوي على محركات قاطرة بخارية عالية الضغط للغاية.

انخفض معدل الحوادث وعدد الوفيات الناجمة عن انفجارات المحرك البخاري بشكل كبير في غضون عامين من إدخال مقياس بوردون، أسس بوردون شركته الخاصة في عام 1850م، لتصنيع مقياس الضغط الجديد الشهير، أنتجت شركة (Bourdon Sedeme) مجموعة من مقاييس الضغط الصناعية حتى انتهت حقوق براءة اختراع الجهاز في عام 1875م له، وفي ملاحظة تاريخية وتكنولوجية مثيرة للاهتمام، تمّ أيضًا تسجيل براءة اختراع أول مقياس ضغط حاجز ناجح تجاريًا في عام 1849م من قبل برنارد شيفر في ماغديبورغ، ألمانيا.

التقى بوردون وشيفر في الواقع في معرض لندن العالمي الشهير عام 1851م، بدأت شركة (Schaeffer وBudenberg)، أيضًا في تصنيع مقاييس أنبوب (Bourdon) في عام 1875م، وأصبحت في النهاية شركة تصنيع مقاييس ناجحة لا تزال تعمل حتى اليوم، في عام 1851م، منحت الحكومة الفرنسية بوردون وسامًا لاختراعه، على الرغم من وجود العديد من الطرق الأخرى لقياس الضغط، اليوم لا يزال يتم بيع الملايين من أجهزة قياس بوردون كل عام، تبيع (WIKA)، الشركة الرائدة في صناعة الأدوات، المزيد من أجهزة قياس الضغط عالية الدقة والمتخصصة أكثر من أي مصنع آخر في جميع أنحاء العالم.

تعتبر أنابيب قياس ضغط بوردون أكثر العناصر المرنة استخدامًا في مقاييس الضغط الميكانيكية اليوم، إنّ بساطة مقاييس بوردون تجعلها سهلة التشغيل والصيانة في حالة عمل مناسبة، تعمل أيضًا عبر نطاق ضغط واسع، وتوفر درجة عالية من الدقة (تصل إلى 0.1٪ انحراف كامل للمقياس)، نظرًا لأنّها لا تتطلب مصدر طاقة خارجي، فهي ليست عرضة لتقلبات الجهد وانقطاع التيار الكهربائي.

العمل الداخلي لمقياس ضغط أنبوب بوردون:

آلية عمل مقياس ضغط بوردون وتصميمه:

مقياس ضغط أنبوب بوردون عبارة عن أنبوب زنبركي مجوف على شكل حرف (C) مغلق من طرف واحد، يتم ربط الطرف المقابل بمقبس الاتصال بالوسيط للقياس، عندما يدخل وسيط الضغط أنبوب بوردون الذي يحمل نفس الاسم، يتسبب فارق الضغط في تحريك الأنبوب (الانقباض أو التمدد)، يتم تحديد اتجاه تحرك الأنبوب من خلال انحناء الأنبوب (نصف القطر الداخلي أقل من نصف القطر الخارجي)، اعتمادًا على تصميم أنبوب بوردون ستؤدي كمية محددة مسبقًا من الضغط إلى تحريك الأنبوب مسافة معينة، عندما يختفي الضغط، يعود الأنبوب إلى شكله الأصلي وتعود النهاية المتصلة بالمؤشر إلى موضعها الأصلي بالنسبة للمقبس.

في مقياس أنبوب بوردون، يتم إغلاق أنبوب زنبركي مجوف وإغلاقه في أحد طرفيه، الطرف المقابل مغلق بإحكام ومربوط بالمقبس، يعني الاتصال الملولب، عندما يدخل وسط الضغط (مثل الهواء أو الزيت أو الماء) الأنبوب من خلال المقبس، فإنّ فرق الضغط من الداخل إلى الخارج يتسبب في تحريك الأنبوب، يمكن للمرء أن يربط هذه الحركة بفك خرطوم عند الضغط عليه بالماء، أو الصافرة التي تنفجر عند نفخ الهواء فيها.

يتم تحديد اتجاه هذه الحركة من خلال انحناء الأنبوب، حيث يكون نصف القطر الداخلي أقصر قليلاً من نصف القطر الخارجي، تؤدي كمية معينة من الضغط إلى فتح الشكل (C) أو تمدده لمسافة معينة، عند إزالة الضغط  تعيد الطبيعة الزنبركية لمادة الأنبوب إلى شكله الأصلي والطرف إلى موضعه الأصلي بالنسبة للمقبس.

المواد الأولية المكونة لقياس الضغط وخصائصها:

تصنع أنابيب قياس الضغط من العديد من المواد، لكن عامل التصميم المشترك لهذه المواد هو مدى ملاءمتها لتقسية الزنبرك، هذا التقسية هو شكل من أشكال المعالجة الحرارية، إنّه يجعل المعدن يحتفظ بشكله الأصلي بشكل وثيق مع السماح بالثني أو “المرونة” تحت الحمل، تتمتع جميع المعادن تقريبًا بدرجة معينة من المرونة، لكن تلطيف الزنبرك يعزز تلك الخصائص المرغوبة، نحاس البريليوم والبرونز الفوسفوري وسبائك مختلفة من الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ كلها تصنع أنابيب بوردون ممتازة.

يعتمد نوع المادة المختارة على خصائص التآكل الخاصة بها فيما يتعلق بوسائط المعالجة (الماء، الهواء، الزيت)، يتمتع الفولاذ بعمر خدمة محدود بسبب التآكل ولكنه مناسب للزيت؛ تضيف سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ تكلفة إذا لم تكن مقاومة التآكل المحددة مطلوبة؛ وعادةً ما يتم حجز نحاس البريليوم لتطبيقات الضغط العالي، تستخدم معظم المقاييس المخصصة للاستخدام العام للهواء أو الزيت الخفيف أو الماء (برونز الفوسفور).

يتم تحديد نطاق ضغط الأنابيب بواسطة سمك جدار الأنبوب ونصف قطر الانحناء، يجب أن يستخدم مصممو الأدوات تصميمًا دقيقًا لاختيار المواد، لأنّ تجاوز حد المرونة سيؤدي إلى تدمير الأنبوب وسيفقد الدقة، عادةً ما يكون المقبس مصنوعًا من النحاس أو الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ، تستخدم المقاييس خفيفة الوزن أحيانًا الألومنيوم، ولكن هذه المادة لها خدمة ضغط محدودة ويصعب الانضمام إلى أنبوب بوردون عن طريق اللحام أو اللحام بالنحاس.

يتم استخدام أشكال السحب والأعمدة المدرفلة بشكل شائع، آلية الحركة مصنوعة من البولي المملوءة بالزجاج أو النحاس أو الفضة النيكل أو الفولاذ المقاوم للصدأ، أيًا كانت المادة المستخدمة، يجب أن تكون مستقرة وتسمح بتجميع خالٍ من الاحتكاك، النحاس الأصفر وتركيبات النحاس والبولي تعد كربونات وهي الأكثر شيوعًا.

لحماية أنبوب بوردون وحركته، يتم وضع التجميع داخل علبة وعدسة عرض، القرص والمؤشر، اللذان يستخدمان لتزويد المشاهد بمؤشر الضغط، مصنوعان من جميع المعادن الأساسية والزجاج والبلاستيك تقريبًا، يصنع الألومنيوم والنحاس والفولاذ وكذلك البولي علب وأقراص قياس ممتازة، معظم العدسات مصنوعة من البولي كربونات أو الأكريليك، والتي تفضل على الزجاج لأسباب أمنية واضحة.

أنواع مقاييس الضغط:

مقاييس الضغط المطلق:

يتم قياس الضغط المطلق بالرجوع إلى الضغط الموجود في فراغ كامل، الضغط في الفراغ الكامل هو صفر، لذلك يطلق عليه الضغط “المطلق”، يتكون مقياس الضغط المطلق الميكانيكي النموذجي من خلية قياس، مفصولة بغشاء، جزء واحد من الجهاز هو الغرفة المرجعية وهو فراغ، يمكن أيضًا استخدام البارومتر، وهو مقياس هيدروستاتيكي لقياس الضغط المطلق، يمكن استخدام مقاييس الضغط المطلق لقياس ضغط بخار السوائل، والمفاعلات الفراغية، وللتحقق من التسرب في الخزانات والدوائر، ولقياس انخفاض ضغط أعمدة فراغ التقطير، ولرصد ضغط التشبع الساقي من قبل خبراء الأرصاد الجوية وللقيام بذلك عمليات التقطير في صناعة تكرير النفط.

مقياس الضغط:

يقاس مقياس الضغط بالرجوع إلى الضغط الجوي القياسي عند مستوى سطح البحر (حوالي 1013.25 ملي بار)، يكون مقياس الضغط موجبًا عندما يكون أكثر من الضغط الجوي، ويكون سالبًا عندما يكون أقل من الضغط الجوي، وهو الجهاز الأكثر استخدامًا لقياس ضغط المقياس هو نفسه مقياس بوردون وهو جهاز ميكانيكي يتكون من أنبوب تم تشكيله على شكل (C) ومغلق من طرف واحد.

يكون الطرف المختوم حرًا في تحريك المؤشر فوق مقياس وفقًا للضغط المطبق داخل الأنبوب، والدخول من خلال الطرف المفتوح، يمكن للأجهزة الميكانيكية الأخرى مثل الأغشية والمنفاخ أيضًا قياس ضغط المقياس، أجهزة قياس الضغط هي أكثر أدوات قياس الضغط استخدامًا للأغراض الصناعية، لا سيما في صناعات الطاقة والمصافي والصناعات الكيماوية والبتروكيماوية والأدوية والغذاء والتبريد وتكييف الهواء والصرف الصحي.

مقاييس الضغط التفاضلي:

قياس الضغط التفاضلي هو فقط قياس الفرق بين قراءتين للضغط، لكنه لا يقدم أي معلومات حول مستويات الضغط في النقطتين الفرديتين التي يقارنها، عادةً ما تكون مقاييس الضغط التفاضلي ميكانيكية بطبيعتها، الأنواع الرئيسية للمقاييس لقياس الضغط التفاضلي هي مقاييس الضغط التفاضلي من نوع المكبس ونوع الحجاب الحاجز ومقاييس الضغط التفاضلي الخوار لكل منها تطبيق متخصص في العمليات الصناعية المختلفة، تستخدم مقاييس الضغط التفاضلي تطبيقات في مختلف الصناعات لمراقبة الترشيح ومستوى السائل وتدفق السائل، هذه مفيدة في المصافي وكذلك في مصانع البتروكيماويات والكيماويات ومحطات الطاقة.

مقاييس الضغط في المستقبل:

يبدو أنّ استخدام مقاييس الضغط في المستقبل يعتمد على صناعة المستشعرات الإلكترونية سريعة النمو، هذه المستشعرات عبارة عن مكونات إلكترونية توفر إشارة كهربائية ولا تحتوي بشكل أساسي على أجزاء متحركة، تحتوي العديد من أجهزة القياس اليوم بالفعل على هذه المستشعرات المركبة داخل العلبة لإرسال المعلومات لمعالجة أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التحكم، هذه المستشعرات آمنة في جوهرها، ممّا يسمح باستخدامها في البيئات القابلة للاشتعال أو المتفجرة.