مقايس الضغط

يعرّف الضغط P بأنه القوة F على السطح A أي: P= F/A. وبحسب اختيار واحدات القوة وواحدات المساحة، يعبر عن واحدات الضغط بالباوند على الإنش المربعpsi، أو بالدينة على السنتمتر المربع dyne/cm2، أو بالنيوتن على المتر المربع N/m2 أو غير ذلك. ويعبر عادة عن الضغط الجوي بدلالة ارتفاع عمود الزئبق مقدراً بميلمترات الزئبق، أي بالـ تور Torr، كما يعبر عنه بالبار bar وبالميلي بار.mbar.أو بالباسكال أو بالكيلو باسكال (1بار=100كيلو باسكال) يسمى الضغط القياسي gauge pressure الضغط الفائض عن الضغط الجوي. ومقاييس الضغط عموماً هي من أحد صنفين: يشمل الصنف الأول مقاييس الضغط ذات الشعبتينmanometers ومقياس الضغط الجوي الزئبقي الذي يقيس ارتفاع عمود الزئبق الذي يوازن الضغط الجوي. أما الصنف الآخر فيشمل مقياس الضغط الجوي الجاف aneroid barometer ومقياس بوردون Bourdon Gauge اللذين يقيسان مقدار التغير في علبة معدنية مجوفة أو أنبوب معدني مجوف. وبإمكان هذين النوعين الأخيرين قياس الضغط القياسي أو الضغط المطلق. ثمة أنواع أخرى خاصة بقياس الضغوط المنخفضة مثل مقياس التأين ومقياس بيراني ومقياس ماكلويد.

الشكل (1) الأنبوب ذو الشعبتين لقياس الضغط الذي  يمكن أن يكون  أعلى من الضغط الجوي أو أخفض منه	الشكل (2) مقياس الضغط الجوي الزئبقي إن ارتفاع  عمود الزئبق في الأنبوب يوازن ضغط عمود الهواء فوق سطح حوض الزئبق	الشكل (3) مقياس الضغط الجاف

يستخدم الأنبوب ذو الشعبتين manometer لقياس ضغط الغاز، وهو أكثر دقة من مقياس بوردون Bourdon، إذا أُريد قياس ضغوط منخفضة نسبياً. وهو يأخذ كما هو ظاهر في الشكل (1) شكل أنبوب على هيئة الحرف U يحتوي على الزئبق أو سائل آخر بحيث تكون سوية السائل في شعبتيه واحدة عندما يكون الضغط على شعبتي الأنبوب واحداً. توصل إحدى شعبتي الأنبوب بالغاز، وتتصل الشعبة الأخرى عادة بالجو. ويقاس ضغط الغاز بملاحظة الفرق بين سويتي السائل في الشعبتين. وتدرج مسطرة تتوضع بين الشعبتين بحيث يقابل التدريج 1 ضغطاً جوياً واحداً على سطحي الشعبتين.

الشكل (4) تسجيل تغيرات الضغط الجوي بمرور الزمن

وهناك نوع آخر بسيط ودقيق من الأنبوب ذي الشعبتين، تكون فيه إحدى شعبتيه مائلة على الشاقول بزاوية كبيرة، وفي هذه الحالة يولد تغير صغير في الضغط في الشعبة الشاقولية تغيراً كبيراً يسهل قياسه في الشعبة المائلة. أما مقياس الضغط الجوي الزئبقي barometerفقد ابتكره توريشلي ويستعمل لقياس الضغط الجوي. ولما كان الضغط الجوي يتناقص بالارتفاع عن سطح الأرض، فإن مقاييس الضغط الجوي تدرج عادة لتعطي الارتفاع عن سطح الأرض كذلك. وهو نوعان: زئبقي وجاف aneroid. ففي النوع الأول يقاس الضغط الجوي عن طريق قياس ارتفاع عمود الزئبق الذي يوازن ضغط الهواء، وأما في النوع الثاني فتستعمل أغشية معدنية لهذه الغاية. فإذا ملئ أنبوب مغلق من أحد طرفيه طوله متر بالزئبق، ثم نكس على حوض منالزئبق من دون السماح للهواء بالدخول إلى الأنبوب، كما هو مبين في الشكل (2)، فإنه يحصل على مقياس للضغط الجوي. وهنا يوازن الهواء على الطرف الحر من حوض الزئبق عمود الزئبق في الأنبوب. فإذا زاد الضغط الجوي انخفضت سوية الزئبق في الحوض قليلاً وازداد ارتفاع الزئبق في الأنبوب المنكس بوضوح. ويقاس الضغط الجوي عندها بمقدار ارتفاع عمود الزئبق فوق سطح الحوض.

الشكل (5) مقياس بوردون

الشكل (5) مقياس التأين

أما مقياس الضغط الجوي الجاف aneroid barometer فيتألف كما هو مبين في الشكل (3) من علبة مفرغة من الهواء غطاءاها غشاءان معدنيان رقيقان مرنان ومجعَّدان.

فإذا تغير الضغط خارج الغشاءين تغيرت تبعاً لذلك المسافة بين غشاءي العلبة تغيراً صغيراً يضخم عن طريق جملة عتلات، وينتهي المقياس بمؤشر يتحرك أمام تدريج.

 إن رسم تغيرات الضغط بمرور الزمن مفيد للتنبؤ بأحوال الطقس. تستعمل في الجهاز المبين في الشكل (4) مجموعة من العلب المفرغة من الهواء، موصولة على التسلسل، مما يزيد من حساسية مقياس الضغط الجوي الجاف، ويجعله قادراًَ على تحريك إبرة تحمل قلماً أمام أسطوانة دوارة ثبتت عليها ورقة.

 تسجل عادة قيم الضغط الجوي بواحدات هي إنشات أو سنتمترات الزئبق، إضافة إلى الميلي بار mbar. إن الضغط الجوي النظامي بهذه الواحدات هو 29.92إنش زئبق أي 76سنتمتر زئبق أو 1013.2ميلي بار، أي ما يقارب 1بار.

ابتكر العالم الفرنسي بوردون Eugéne Bourdon مقياساً للضغط عام 1847 عرف باسمه، وتظهر أجزاؤه في الشكل (5). يستخدم في مقياس بوردون أنبوب معدني مجوف مرن مغلق من إحدى نهايتيه، يحنى بشكل دائري أو أي شكل آخر. إن تغير الضغط الواقع على جدار الأنبوب الأجوف يسبب تغير انحنائه. فإذا ازداد الضغط داخله تحرك الطرف الحر والمغلق من الأنبوب بعيداً مما يزيد من نصف قطر انحنائه، وإذا انخفض الضغط صغر نصف قطر انحناء الأنبوب. وترتبط النهاية الحرة من المقياس بجملة عتلات ومسننات ثم بمؤشر يتحرك أمام تدريج. ويدرج المقياس ويعاير بحيث يقرأ عليه الضغط بالواحدات المرغوبة. يُشار إلى أنه بالاختيار المناسب لسماكة جدار أنبوب بوردون يمكن الحصول على مقاييس للضغوط العالية جداً والمتوسطة والمنخفضة.

يستخدم لقياس الضغوط المنخفضة التي تُصادف في مجال تخلية الهواء بواحدة هي ميلمترات الزئبق أي بالـTorr وأجزائه. وقد اختيرت هذه التسمية لواحدة الضغط تكريماً للعالم الإيطالي توريشلي. ويستعمل لقياس الضغوط التي هي من رتبة أجزاء الـ Torr مقاييس من أنواع مختلفة يُذكر منها ثلاثة مقاييس هي:

مقياس التأين Ionization Gauge ومقياس بيراني Pirani Gauge ومقياس ماكلويد.Mcleod Gauge

ليس مقياس التأين إلا نوعاً خاصاً من الأنابيب أو الصمامات الإلكترونية[ر] ثلاثي المساري، فهو يحتوي على مهبط Cathode وشبكة Grid ومصعد anode وهو مجهز بفتحة يتصل من خلالها بالوعاء الذي يراد قياس الضغط المتبقي فيه عند تخليته. يصدر المهبط سيلاً من الإلكترونات ثابتاً يتجه نحو الشبكة التي تجعل موجبةالكمون بالنسبة له. تتجه الإلكترونات نحو المصعد وتصطدم، وهي في طريقها إليه، بذرات الغاز المتبقي في الأنبوب، فتؤينه. ويعد قياس تيار الشبكة معياراً لجودة الخلاء المتولد؛ إذ كلما انخفض ضغط الغاز في الوعاء الذي نقوم بتخليته، نقص هذا التيار، وهذا ما يوضحه الشكل (6).

الشكل (7) مقياس بيراني

الشكل (8) مقياس ماكلويد

أما مقياس بيراني فيتألف من سلك من التنغستين يجري تسخينه بتيار كهربائي ضعيف لا يؤدي إلى توهجه، وهو موضوع في حوجلة تتصل بالوعاء الذي نقوم بتخليته. تصطدم جزيئات الغاز بالسلك فتنتزع منه الحرارة، وكلما انخفض الضغط قل عدد هذه الجزيئات وبقي السلك ساخناً. ولما كانت مقاومة السلك تتبع درجة حرارته وتزداد بازديادها فإن قياس مقاومته بجسر كهربائي كجسر وطسطن يدل على مدى تعرض السلك لانتزاع الحرارة منه أو انعدام ذلك، ويتم عادة تدريج هذا المقياس بدلالة مقياس آخر للضغط، مثل مقياس ماكلويد الذي يعتمد على ارتفاع عمود الزئبق مقيساً بالميلمترات، يبين الشكل (7) جسر وطسطن وقد ركب في أحد أذرعه مقياس بيراني وفي ذراع آخر سلك مكافئ للمقارنة.

وأخيراً يظهر في الشكل (8) مقياس ماكلويد في وضعين: أفقي وشاقولي. إن جعل المقياس في وضع شاقولي يحبس كمية قليلة من الغاز في الأنبوب الصاعد الأوسط. يضغط الزئبق هذا الغاز، ويخضع الغاز هنا إلى قانون بويل وماريوط الذي ينص على أن جداء ضغطه بحجمه ثابت عند درجة حرارة معينة. ويعد قياس الفرق بين سوية الزئبق في الأنبوب الذي احتبس فيه الغاز وبين أنبوب شعري مثبت بجواره، مؤشراً للضغط الذي وصلت إليه عملية التخلية.

مراجع

- The Measurement, Instrumentation &Sensors Handbook (CRC Press 1999).

- Understanding Science No. 105 (A Sampson Low Publication).