משדרי לחץ דיפרנציאליים – מדריך למתחילים

1. מהו לחץ?

לחץ בא לידי ביטוי כאשר כוח לוחץ על שטח. מה שאומר שאנחנו יכולים להגדיל לחץ: על ידי הגדלת כוח, או על ידי צמצום השטח. אנחנו גם נוטים לחשוב על כוח במונחים של משקל (והדבר אכן נכון, בדיוק כפי שכוח המשיכה הוא קבוע).

ולדוגמא, כוח המיוצר על ידי משקל ליברה אחת, פועל עקב כוח הכבידה על 1 אינץ’ X 1 אינץ’ (1 אינץ’ בריבוע) מייצר לחץ של 1lb/sq, נכתב לעתים קרובות כ: Psi 1 (פאונד אחד לכל אינץ’ מרובע). אם lb 1 הייתה מפעילה כוח על חצי מהשטח בלבד, היינו אומרים שהלחץ שווה ל-Psi 2. ואם לתת דוגמה מחיי היום יום שלנו – אפשר לחשוב על צמיגי הרכב, שאותם אנו מנפחים בלחץ של כ- Psi 26.

אנו מדברים על לחץ גם בהקשר של מזג האוויר (או לחץ אטמוספרי). אפשר לחשוב על הלחץ הזה ככוח שמופעל ע”י האטמוספרה על הראש שלנו. ככל שהלחץ האטמוספרי משתנה, כך גם מזג האוויר. לחץ גבוה מגיע בדרך כלל עם ימים בהירים ומלאי שמש, בעוד שלחץ נמוך מייצר עננות.

ואם נחזור לדוגמת צמיגי המכונית שלנו, שני לחצים שונים פועלים על דפנות הצמיג. לחץ האטמוספרה בצד החיצוני של הצמיג והלחץ שהופיע על המד כשניפחנו את הצמיג.

2. מהם הסוגים השונים של מדידת לחץ?

באמצעות הדוגמה של הלחצים המופעלים על צמיגי המכונית, אנו יכולים להמחיש שלושה סוגים של מדידות לחץ:

א. מד לחץ Gauge Pressure – הלחץ בצמיג או ההבדל בין לחץ מוחלט ללחץ אטמוספרי
ב. לחץ מוחלט Absolute Pressure – הלחץ המשולב בין לחץ אטמוספרי ללחץ הצמיגים
ג. לחץ דיפרנציאלי Differential Pressure – ההפרש בין שני הלחצים שנמדדו

אולם יש להבין, כי כולם קשורים זה בזה.

א. מד לחץ נמדד עם התייחסות ללחץ אטמוספרי

לחץ המודד את ההבדל בין לחץ אטמוספרי לבין הלחץ בצמיג – נקרא מד לחץ. כדי למנוע בלבול אנחנו בדרך כלל מוסיפים “g” ליחידות המדידה. למשל, פאונד לכל אינצ’ מרובע בלחץ מד (Psig).
כל מדי הלחץ, החיישנים, המתמרים והמשדרים אשר מודדים מד לחץ – מודדים למעשה את ההבדל בין הלחץ האטמוספרי לבין הלחץ שיש למדוד.

ב. הלחץ המוחלט נמדד תוך התייחסות ל- ואקום

ביישומים מסוימים השינויים בלחץ האטמוספרי עשויים להיות משמעותיים. במקרים אלה, אנו יכולים למדוד את ההבדל בין הוואקום לבין הצמיג. מדידה זו נקראת מדידת לחץ מוחלט, והיא משפיעה באופן שיש להוסיף את הלחץ האטמוספרי ללחץ הצמיגים. כפי שמוצג.
אם-כן, הלחץ המוחלט שווה למד לחץ וללחץ האטמוספרי.

ג. לחץ דיפרנציאלי אינו נמדד תוך התייחסות ללחץ ספציפי

שלא כמו משדר מד לחץ או משדר לחץ מוחלט, משדרי לחץ דיפרנציאלי לא מנסים לתקן את ההתייחסות. חשוב לציין כי עלייה בהפרש יכולה להיות תוצאה של הגדלת אחד הלחצים או הפחתת האחר.

עלייה בלחץ דיפרנציאלי תתרחש אם P1 הפך קטן יותר או אם P2 הפך גדול יותר. באופן דומה, ירידה בלחץ דיפרנציאלי תתרחש אם P1 הפך גדול יותר או אם P2 הפך קטן יותר. למדידת הלחץ הדיפרנציאלי אין זה משנה אם הנמוך מבין שני הלחצים הוא לחץ ואקום, אטמוספרי או כל לחץ אחר. מה שמשנה במדידת הלחץ הדיפרנציאלי הוא רק ההבדל בין השניים, כפי שניתן לראות.

3. היכן נעשה שימוש במדידת לחץ דיפרנציאלי (DP)?

מדידת לחץ דיפרנציאלי משמשת בעיקר ביישומים ביתיים ותעשייתיים. מדידה זו מהווה לעתים קרובות את הבסיס למדידות אחרות כגון: זרימה, מפלס, צפיפות, צמיגות ואפילו טמפרטורה. המדידות הנפוצות ביותר הן, מדידות מפלס וזרימה.

מדידת קצב זרימה DP היא אחד היישומים הנפוצים ביותר עבור משדרי לחץ דיפרנציאליים. על ידי מדידת ההבדל בלחץ הנוזל, בעוד שהנוזל זורם דרך צינור, ניתן לחשב את קצב הזרימה.

למדי לחץ דיפרנציאלי לקצב זרימה יש מרכיב ראשוני ומשני. באופן כללי, האלמנט העיקרי נועד לייצר הבדל בלחץ, ככל שהזרם עולה. ישנם סוגים רבים ושונים של האלמנט העיקרי, הנפוצים ביותר הם: פתח הצינור, צינור ונטורי, זרבובית הזרימה וצינור פיטו.

האלמנט המשני של מד הזרימה הוא משדר הלחץ הדיפרנציאלי. הוא נועד למדוד את הלחץ המיוחד המיוצר על ידי האלמנט העיקרי, באופן מדויק ככל האפשר. חשוב לציין כי מדידת לחץ דיפרנציאלי לא צריכה להיות מושפעת משינויים בלחץ הנוזל, בטמפרטורה או במאפיינים אחרים כגון טמפרטורת הסביבה.

משדר DP טוב יבטיח שהלחץ הדיפרנציאלי יימדד באופן בלתי תלוי של פרמטרים משתנים אחרים, ויעביר אות באופן מהימן לייצג את הלחץ הדיפרנציאלי. במקרה של משדר זרימה DP – אות הפלט עשוי לכלול גם הוצאת שורש ריבועי. אופן זה, נפוץ במערכות מחשב Dcs.

אות הפלט ממשדר DP תעשייתי יכול להיות בין 4-20mA, והוא עשוי לכלול גם תקשורת דיגיטלית, כגון:HART Profibusm Fieldbus, Modbus 485 RTU או אחד מפרוטוקולי תקשורת רבים אחרים. המטרה היא לספק אות חשמלי עבור שידור לכלי בקרת תהליכים מרחוק.

4. מהו משדר לחץ דיפרנציאלי?

כלי המדידה התעשייתי הנפוץ והשימושי ביותר הוא הוא משדר הלחץ הדיפרנציאלי. מכשיר זה יחוש את ההבדל בלחץ בין שתי יציאות, וייצור אות פלט עם התייחסות לטווח לחץ מכויל.

משדרי הלחץ הדיפרנציאלי התעשייתיים עשויים משתי שכבות. אלמנט חישת לחץ נמצא במחצית התחתונה, ורכיבי האלקטרוניקה נמצאים במחצית העליונה. למכשיר ישנן שתי יציאות לחץ, המסומנות כ: יציאה עליונה ותחתונה. אין חובה שהיציאה הגבוהה תהיה תמיד בלחץ גבוה והיציאה התחתונה תמיד בלחץ נמוך. נקודה זו מובהרת.

בשלב זה ננסה להסביר את המבנה הפנימי של המשדר.

5. מבנה משדר לחץ דיפרנציאלי:

למשדר לחץ דיפרנציאלי יש שלושה חלקים פונקציונליים.

א. אלמנט חישת לחץ ישיר (הממוקם בחלק התחתון)

רוב משדרי ה- DP התעשייתיים מצוידים בדיאפרגמה, כאלמנט חישת הלחץ. דיאפרגמה זו היא מכשיר מכני. היא ממוקמת בין שתי יציאות כניסת הלחץ. הסרעפת תוסט על ידי הלחץ המופעל. סטייה זו מומרת לאות חשמלי, והדבר נעשה בדרך כלל על ידי חיישנים. החיישנים הנפוצים הם (א) מד מתח (ב) קיבול דיפרנציאלי (ג) תיל רוטט. פלט החיישן הוא יחסי ללחץ המופעל.

ב. יחידה אלקטרונית: האות החשמלי שנוצר בתא התחתון על ידי החיישן הוא בטווח של מילי וולט בלבד.

אות זה יוגבר לטווח של 0-5V או 0-10V ויומר ל 4-20mA לצורך העברה הלאה אל מכשיר מרוחק. חלק עליון זה הוא חלק המשדר של משדר ה- DP, אשר מכיל את היחידה האלקטרונית..

ג. משדר זרם שני חוטים 4-20mA:

זרם DC נוצר ביחס ישיר לטווח הלחץ של משדר הלחץ הדיפרנציאלי. הטווח התחתון הוא 4mA, והטווח העליון הוא 20mA. פלט שוטף מבוקר זה אינו מושפע מעיכובי עומס ומתנודות במתח האספקה. פלט זה שבין 4-20mA מוצג בפרוטוקולים של תקשורת דיגיטלית של BRAIN או HART FSK.

6. יישומים תעשייתיים של משדרי לחץ דיפרנציאלי:

ישנם יישומים תעשייתיים רבים של משדרי לחץ דיפרנציאלי. למשל:
• מדידת זרימה של נפט וגז ביבשה, בחוף ותחת הים.
• מתקני טיפול במים ושפכים. במתקנים אלה משמש המשדר בעיקר לפיקוח על המסננים.
• משמש למעקב אחר מערכות של ממטרות.
• חיישנים מרחוק של מערכות חימום לקיטור או מים חמים.
• ניתן לפקח באמצעות משדרים אלה על טיפות לחץ על פני שסתומים.
• בקרת משאבות ניטור.

חלק מקטלוג המוצרים של רונאר מערכות מדידה:

• שירותי כיול מקצועיים
• מתמרי שקילה
• מתמר מומנט פיתול
• מתמרים וחיישני מרחק