מבוא לחיישני לחץ

חיישן לחץ הוא רכיב אלקטרוני המנטר או מגלה לחץ (כוח) של גז או נוזל והופך את המידע הזה לאות חשמלי שניתן להשתמש בו כדי לנטר או לווסת כוח זה. עם זאת, כדי ליזום דיון נוסף על חיישני לחץ, כדאי להתחיל עם כמה הגדרות בסיסיות. לחץ הוא גודל הכוח שמפעיל גז או נוזל על יחידת שטח של משטח. הקשר בין לחץ (P), כוח (F) ושטח (A) ניתן על ידי המשוואה P=F/A. יחידת הלחץ המסורתית היא פסקל (Pascal), המוגדרת כניוטון אחד (N) למ"ר. ניתן לתאר לחץ גם ככוח הדרוש כדי לעכב התפשטות נוזל.

חיישני לחץ מגיעים במגוון טכנולוגיות, עליהן נדון בהמשך מאמר זה, וכל טכנולוגיה תקבע בסופו של דבר כיצד חיישן לחץ מסוים פועל. למרות שחיישני לחץ רבים הזמינים כיום יכולים לשמש עם מגוון רחב של נוזלים וגזים, חלק מהנוזלים שהם יותר צמיגים או עבים (עיסת נייר, אספלט, נפט גולמי וכו') עשויים לדרוש חיישני לחץ מותאמים-במיוחד. עם זאת, יש סוג חיישן לחץ המתאים כמעט לכל תרחיש.

התמודדות עם הבלבול בשמות

ברמה הבסיסית, חיישני לחץ, מתמרי לחץ ומשדרי לחץ דומים בתפקוד, ומכאן, המונחים משמשים לעתים קרובות לסירוגין. עם זאת, ההבדלים העיקריים ביניהם הם באותות היציאה שלהם.

חיישן לחץ חש את כוח הלחץ ומייצר אות יציאה התואם לגודל הכוח המופעל. מתמר לחץ הופך את הכוח שזוהה ליציאת מתח רציף (V), בעוד שמשדר לחץ הופך את הכוח שזוהה ליציאת זרם (mA).

בשימוש נפוץ, ניתן להתייחס לחיישני לחץ באמצעות מגוון רחב של מונחים, כגון מתמרי לחץ, משדרי לחץ, שולחי לחץ, מחווני לחץ, פייזומטרים ומנומטרים. ללא קשר למינוח הנתון, התקנים אלה משמשים עבור ניטור וויסות לחץ ביישומים רבים, וניתן להשתמש בהם גם למדידת משתנים אחרים, כגון זרימת נוזל/גז, גובה ומפלס מים.

סוגי מדידת לחץ

בתחום מדידת הלחץ וחיישני הלחץ, ישנו מגוון מונחים שיש להבין כדי להבטיח ביצועי מערכת ודיוק מדידה אופטימליים. הסוג הספציפי של חיישן הלחץ המשמש ביישום שלך יכול להשפיע באופן משמעותי על גורמים אלה, שכן לחץ נמדד בדרך כלל ביחס לערך ייחוס מסוים, כגון לחץ אטמוספרי בגובה פני הים.

מונח מכריע אחד הוא לחץ אטמוספרי, שהוא מדידה של לחץ ביחס ללחץ הסביבה או הלחץ האטמוספרי המקומי. הלחץ המצוין גבוה או נמוך מהלחץ האטמוספרי המקומי.

מונח משמעותי נוסף הוא לחץ אבסולוטי, שהוא מדידה של הלחץ ביחס לייחוס של אפס לחץ או ואקום. המדידה המתקבלת באמצעות חיישן לחץ אבסולוטי נשארת זהה ללא קשר למיקום שבו היא נמדדת.

הפרש לחץ נוגע להפרש הלחץ בין שתי נקודות שונות במערכת, המשמש לעתים לחישוב זרימת נוזלים או גזים בתוך צינורות.

לחץ ואקום מודד תחום של לחץ שלילי בהשוואה ללחץ אטמוספרי או מקומי.

לבסוף, לחץ מרוכב (Compound‏) כרוך במדידה של לחץ חיובי ושלילי או ואקום, בעצם שילוב של לחץ אטמוספרי ולחץ ואקום.

איור 1: המחשת היחס בין מגוון של מדידות לחץ. (מקור התמונה: Same Sky)

טכנולוגיות מדידת לחץ נפוצות

את המקורות של גילוי לחץ, הבנה ומדידה ניתן לייחס לעבודה החלוצית של גלילאו בסוף המאה ה-15 ושל טוריצ'לי באמצע המאה ה-16. צינור בורדון (Bourdon‏) , מד הלחץ הראשון, הומצא בשנת 1849, ורק בשנת 1930 הוצגו מתמרי הלחץ החשמליים הראשונים. עם עלייתה של טכנולוגיית המוליכים-למחצה, מספר הטכנולוגיות השונות המשמשות כדי לזהות את הכוח הבסיסי הזה עלה. להלן סקירה קצרה של טכנולוגיות מדידת הלחץ העיקריות והיישומים שלהן:

• קיבולית: מגלה שינויים בקיבוליות החשמלית הנגרמת על ידי לחץ הגורל לכיפוף דיאפרגמה בין לוחות של קבל.
• אינדוקטיבית: מגלה סטיות קלות של דיאפרגמה המקושרת לליבה מגנטית הגורמת לתנועה ליניארית בליבה. תנועה זו משנה את הזרם המושרה והופכת אותו לאות חשמלי.
• אופטית: מנצלת מקור אור שנחסם בהדרגה עקב העלייה בלחץ וחיישן המפיק אות פרופורציונלי לשינוי האור. חיישני סיבים אופטיים יכולים לשמש גם למדידת שינויים בנתיב ובפאזה של האור הנגרמים עקב לחץ.
• פייזואלקטרית: חומר קווארץ או קרמי מייצר מטען חשמלי המשתנה פרופורציונלית לכמות הדחיסה המופעלת עליו על ידי לחץ חיצוני. טכנולוגיה פייזו-התנגדותית מודדת לחץ על ידי שימוש בשינוי בהתנגדות החשמלית של חומר כאשר הוא נמתח.
• פוטנציומטרית: מנצלת התקן התנגדות (פוטנציומטר) וזרוע הזזה המחוברת לצינור בורדון. כאשר הלחץ משתנה, הזרוע נעה, ואות יחסי מופק על ידי הפוטנציומטר המבוסס על רמת הכוח.
• תהודתית: כוח המופעל על דיאפרגמה עם חוט רוטט משנה את תדר התהודה של החוט, המומר לאות חשמלי.
• מד מאמץ: הופך כוח מופעל (לחץ) לשינוי בהתנגדות החשמלית המשתנה עם הכוח המופעל. לאחר מכן ניתן למדוד התנגדות זו.

סוגי חיישן לחץ

כדי להבין חיישני לחץ, חשוב גם לסקור את הסוגים השונים הזמינים לשימוש. להלן הסוגים הבסיסיים, המוצגים בסדר אלפביתי:

• חיישני דיאפרגמה: משלבים לוחות מתכת דקים, גמישים ועגולים המתעוותים תחת לחץ.
• חיישנים אטומים: משתמשים בלחץ אטמוספרי בגובה פני הים כלחץ הייחוס.
• חיישני מצב-מוצק: ללא חלקים נעים, חיישנים אלה משתמשים באלמנט מיתוג מוליכים-למחצה, כגון טרנזיסטור אפקט-שדה, כדי לחוש לחץ.
• חיישני מד מאמץ: ההתנגדות הנגרמת משינוי באורך עקב כוח חיצוני נמדדת ומומרת לאות חשמלי.
• חיישני פילם דק: כפי שהשם מרמז, חיישנים אלה משתמשים בפילם דק המכיל אלמנטים התנגדותיים המשנים את ההתנגדות עקב שינויי אורך ועובי הנגרמים על ידי לחץ.
• חיישני ואקום: מיועדים למדידת לחצים הנמוכים מרמות הלחץ האטמוספרי. הם משתמשים בדרך כלל בטכנולוגיה פייזואלקטרית או מודדים את נפח הגז בחלל מסוים.
• חיישנים מאווררים: מדידת לחץ ביחס ללחץ הברומטרי של הסביבה.

איור 2‏: דוגמה של חיישן לחץ המשתמש בדיאפרגמה פייזואלקטרית. (מקור התמונה: Same Sky)

שיקולי תכנון סופיים

בהתחשב בטכנולוגיות, המדידות והסוגים הקודמים של חיישני הלחץ, הנה כמה קריטריונים לבחירה סופית שכדאי לזכור בעת אפיון חיישן לחץ עבור תכן מסוים. הפרמטר העיקרי הראשון הוא תחום לחץ הפעולה, המזהה את תחום הלחץ הבטוח בו יפעל ההתקן כפי שצוין על ידי היצרן. תחום טמפרטורות הפעולה, הלחץ המקסימלי שהחיישן יכול לסבול לפני תקלה וסוג היציאה (אנלוגית/דיגיטלית) גם הם שיקולים חשובים. יש לקחת בחשבון גם את רמת היציאה, הדיוק והסחיפה, רזולוציה, מתח ההספקה וגורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות, לחץ, חשיפה לנוזלים, קרינה והמרחק הפיזי בין החיישן לבין כל התקן קולט. בהתחשב בכל הפרמטרים הללו, ניתן לבחור חיישן לחץ מתאים עבור יישום ספציפי העונה על תנאי הפעולה ודרישות הביצועים.

סיכום

כמהנדס חשמל, חשוב להבין כי מדידת לחץ והשימוש בנתונים אלה עבור בקרת תהליכים וניטור הם חיוניים בתעשיות רבות, כגון ייצור ושירותי בריאות. חישת לחץ מדויקת ואמינה נחוצה כדי להבטיח איכות ובטיחות של המוצר והשירות. עם התקדמות הטכנולוגיה, חיישני לחץ זמינים כעת בסוגים, טכנולוגיות, גדלים, תפוקות ודיוקים שונים. בחירת חיישן הלחץ המתאים עבור יישום ספציפי דורשת שיקול דעת מדוקדק של פרמטרי פעולה, כגון סוג החיישן, תחום הלחצים, תחום הטמפרטורות, לחץ מקסימלי, סוג היציאה, דיוק, רזולוציה, מתח ההספקה וגורמים סביבתיים.

למרבה המזל, Same Sky מציעה שורה של חיישני לחץ מבוססי-פייזו היכולים לעמוד בדרישות אלו. החיישנים שלהם זמינים במספר סוגי לחצים ותחומי פעולה, המאפשרים מדידות גמישות ומדויקות.