מדידות לחץ בשילוב בתי דיאפרגמה

מדידת לחץ היא אחת המדידות החשובות בתעשייה. המדידה מתבצעת על-ידי שני עקרונות מדידה עיקריים: שיטה מכנית - תגובתה בתנועה קווית או זוויתית, ושיטה שמערבת חיישניים אלקטרוניים בעלי יציאת זרם/מתח או אחר, אשר מאפשרים מדידה מדויקת יותר.

בשיטה מכנית, מדי לחץ בעיקר משמשים במגוון שיטות בנפח פנימי גדול, כך שבשימוש עם בית דיאפרגמה יש למלא כמות גדולה של שמן כדי ליצור תנועה. לעומתם, בעבודה עם חיישני לחץ אלקטרוניים, דרוש מינימום של נוזל כדי לייצר תנועה, וכל כמות מעבר לכמות המינימלית הדרושה בבית דיאפרגמה, עלולה לגרום לשגיאה בדיוק.

דוגמאות לשיטות מדידה מכניות

ארבעה חיישני לחץ אלקטרוניים מהנפוצים בשוק שמשתמשים בהם לייצור רגשי לחץ:

* Piezoresistive Silicon Sensors

* Metal Strain Gauge Thin Film Sensors

* Ceramic Thick Film Sensors

* Capacitive Ceramic Sensors

לכל חיישן יתרון וחיסרון משלו. ההבדלים העיקריים הם אלה: חומרי מבנה, רמות דיוק, תחום לחצים, עלויות ומחיר.

דגמים במבנה סופי של החיישן - משדר לחץ

בעשורים האחרונים חדרו חיישני הלחץ האלקטרוניים ליישומים רבים כגון מדידת מפלס, ספיקה, צפיפות, פאזה ולחץ וליישומים בדיוק גבוה. כדי לשמור על הדיוק, גם בתי הדיאפרגמה היו צריכים להיבנות בהתאם.

בית דיאפרגמה נועד להפריד בין המכשיר המודד לתהליך באמצעות דיאפרגמה מחומרים שונים ונוזל מילוי. המכשיר המודד יכול להיות מבוסס על מנגנון מכני כגון בורדון, מפוחית או דיאפרגמה מכנית, או על חיישן אלקטרוני.

אלו הסיבות להשתמש בבתי דיאפרגמה: חומר חם או קורוזיבי, חומר צמיג, תהליך אשר יכול לקפוא או אבקתי ומתמצק, תהליכים סניטרים והעברת תנועה.

בשימוש עם בתי הדיאפרגמה וחיישני לחץ אלקטרוניים/משדרי לחץ, נדרשת רמת דיוק גבוהה יותר מאשר בעת שימוש במדי לחץ. כדי להגיע לרמת דיוק גבוהה, חשוב לשמור על כמה דגשים.

סוגי שמנים: כמות השמנים רבה מאוד, ולעתים לתהליכים מסוימים נחוץ לערבב מספר שמנים. בעת בחירת שמן המילוי יש לבדוק את צמיגותו, התפשטותו ועמידתו בתנאי לחץ, ואקום וטמפרטורה. בתנאים מסוימים ובתהליכים מסוימים השמן עשוי לההופך לגז, ואז לא תתבצע המדידה. כמו כן טווח הטמפרטורה של כל אחד מהשמנים מוגבל.

שיטות מילוי: כדי להגיע לרמת דיוק גבוהה בידיעה שנעשה שימוש בכמות שמן מינימלית, דרושות שיטות מילוי מתקדמות. בין השאר, השמן עובר תהליכים מיוחדים. לדוגמה, מניעת חדירה של אוויר לתהליך, עשויה לגרום להיסטריזס בקריאה ועקב כך לאי יציבות ולשגיאה בקריאה.

אפקט הטמפרטורה: השפעת הטמפרטורה על נוזל המילוי היא החלק הבעייתי ביותר. כדי להוריד את השפעת השמן על המדידה, יש לצרף יחד מספר גורמים: סוג השמן והתפשטותו וכמות שמן מינימלית. לשם כך מיוצרים בתי דיאפרגמה מיוחדים בעלי חריטה פנימית אשר מעתיקה את הדיאפרגמה, קפילרה בעובי חור מינימלי, התקנה לא תחת השמש ועוד.

גודל דיאפרגמה: פקטור חשוב מאוד הוא בחירת גודל הדיאפרגמה. ידוע כי:

A (שטח) x P (לחץ) = F (כוח)

לפיכך מדידה בלחץ נמוך, כגון מדידת מפלס, מצריכה דיאפרגמה בעלת קוטר אשר ייתן מספיק כוח לביצוע תנועה מדויקת.

זמני תגובה: הפרמטרים לקביעת זמן התגובה הם צמיגות השמן, קוטר קפילרה, אורך קפילרה, דגם ותחום של המכשיר. שיפור בזמן התגובה יגרום לעלייה בכמות השמן ולבעיה באפקט הטמפרטורה. גם חומרי המבנה, הדגם ושיטת התקנתו בשטח חשובים מאוד בתהליך המדידה.

חומרי מבנה: בגלל מספר היישומים הרב כיום יש דרישה להתאים חומרי מבנה שונים לתהליך הנמדד.

להלן מספר דוגמאות של חומרי מבנה של דיאפרגמות בלבד (בנוסף אפשר לבצע ציפוי):

DIAPHRAGMS (Wetted Material)

304L SS (304L), Silver (SILV), 316L SS (316L), Tantalum (TANT), 321 SS (321), Teflon Coated Metal, Carpenter 20 (C20) (for anti-stick purposes only), Gold (GOLD), Titanium GR4 (TIT), Hast - C22 (HAS2), Zirconium 702 (ZIRC), Hastelloy B-2 (HASB), Buna N (NBR) (1250 PSI; 2500F), Hastelloy C-276 (HASC), Kalrez 1050LF (KALR), Inconel 600 (INC), Kel-F (KELF) (1250 PSI; 4000F), Monel 400 (MON), Teflon (TFE) (1250 PSI; 3500F), Nickel 200 (NICK), Viton A (VIT) (1250 PSI; 3500F), Nickel 201 (N201).

דגם ייצור: קיימים דגמים רבים, מעל 5,500 סוגים. למעשה, במפעלים רבים לקוחות דורשים דגמים אשר יתאימו לתהליך שלהם. דגם הייצור מורכב מהגורמים האלה: חומרי מבנה, שיטת חיבור, הארכות, שימוש בקפילרות, תקנים למיניהם וכדומה.

שיטת התקנה וחישובים: ההתקנה היא חלק חשוב בתהליך לא פחות מבחירת הדגם. לדוגמה, התקנה בוואקום צריכה להתבצע כ-30 ס"מ מתחת לתחתית המכל. רצוי לא להתקין את המשדר תחת קרני שמש ישירות. במדידה דיפרנציאלית רצוי להתקין קפילרה באורך שווה (בייחוד בהתקנה חיצונית).

בדיקה: כדי לספק את המוצר הטוב ביותר, כל תהליך עובר במשך העבודה ובסיומה מגוון בדיקות כגון נזילות, שינויי לחצים, בדיקות ממוחשבות ולעתים בדיקות של השפעת "אפקט הטמפרטורה".

תיקונים: עלות המשדר גבוהה יחסית לעלות בית הדיאפרגמה. במקרים רבים בית הדיאפרגמה ניזוק, ואילו המשדר אינו ניזוק. לכן אפשר לבצע תיקון במחיר אטרקטיבי, לחסוך הרבה כסף ולקבל מוצר שלא נופל ברמתו ממוצר חדש.

דוגמאות של דגמי ייצור עם מגוון פתרונות לפי דרישות של לקוחות

סיכום: פרמטרים הדרושים כדי לתכנן בית דיאפרגמה: מיקום המשדר (Indoor or Outdoor); טמפרטורה - סביבה ותהליך; חשיפה לוואקום; לחץ - תהליך ולחץ מרבי; אורך קפילרה; דגם בית הדיאפרגמה; חיבור לתהליך, חומרי מבנה וכדומה; דרישות התקנה; תחום מדידה מינימלי.

הכותב הינו מנכ"ל חברת אלקון.