נושא : חיישן הידרוסטטי עקרון פעולה

בס"ד‏ ‏‏יום ראשון 16 יוני 2024

הקדמה

הידרוסטטיקה היא המדע של נוזלים שאינם בתנועה, חיישן מפלס הידרוסטטי הוא סוג של בדיקה מפלס המשמשת במיוחד לניטור מפלס של חומר במצב נוזלי ,על ידי מדידת הלחץ שמפעלי הנוזל במצב מנוחה על החיישן ,הלחץ תלוי במשקל הסגולי של החומר בו הוא נמצא וככל שנעמיק יותר הלחץ יגדל בהתאמה.

תמונה מספר 1 – סוגים שונים של מדים הידרוסטטיים

הגדרה מילונית (מילון אוקספורד הוא עדיין קיים מסתבר)

הִידְרוֹסְטָטִיקָה – שם עצם – נקבה
תּוֹרַת הַנּוֹזְלִים הַנָּחִים, הַמַּדָּע הָעוֹסֵק בְּחֵקֶר הַלַּחַץ ושוויון הַמִּשְׁקָל שֶׁל הַנּוֹזְלִים, וְכֵן בְּחֵקֶר הַכּוֹחוֹת הַפּוֹעֲלִים עַל גּוּפִים מוּצָקִים הַמְּשֻׁקָּעִים כֻּלָּם אוֹ רֻבָּם בְּנוֹזְלִים.
מקור השם מגיע מיוונית – עם צירוף המילים hydor (מים) + ststos (עומד)

מהו לחץ הידרוסטטי

על פי חוקי פסקל, הלחץ של נוזל במנוחה שווה בכל הנקודות בנוזל. כאשר מפלס הנוזל עולה, גם הלחץ על הנוזל עולה בהתאמה. עיקרון פיזיקלי זה מתאר את השפעת הכבידה של נוזל עומד בנקודת המדידה, לחץ זה מכונה "לחץ הידרוסטטי".
על ידי מדידת הלחץ הסטטי שמפעיל נוזל, ניתן לקבוע את גובה מפלס הנוזל.
חיישני לחץ הידרוסטטיים יכולים לשמש למדידת מפלס הנוזל. מדידת לחץ הידרוסטטית היא מדידת רמת הנוזל המבוססת על השפעת הלחץ הסטטי של הנוזל העומד, זהו מה שנקרא "אפקט הלחץ הסטטי". כלומר, ללא קשר לצורת המיכל ולנפחו, הלחץ הסטטי בנקודת המדידה של המיכל או המיכל תמיד פרופורציונלי לגובה הנוזל.

עקרון הפעולה של מדידה הידרוסטטית

לאחר הגדרת נקודת המדידה, נוסחת הלחץ על פני הנוזל של החיישן היא:

P – לחץ על משטח הנוזל של החיישן.
ρ – צפיפות החומר של הנוזל הנמדד.
g – כוח הכבידה.
H – עומק המשדר בתוך הנוזל.
Po – לחץ אטמוספרי על פני הנוזל.

ואת הנוסחה המאיימת הזו ניתן להסביר בפשטות, נדמיין עמודה אנכית של נוזל בעל צפיפות חומר p , וגובה של העמודה יהיה H , ושטח A מתח לעמודה , בהגדרה הלחץ בבסיס שווה לכוח F הפועל על הבסיס חלקי שטח פנים הבסיס לקבלת נקודת כוח בודדת.
למעשה הכוח שווה למשקל הנוזל שהוא p*H*A*g ,ונצטרך להוסיף את הכוח המופעל על ידי האוויר מעל הנוזל לכן נקבל את הנוסחה F=p*H*A*g+P₀*A ואם נרצה לקבל כוח לנקודה P=F/A=p*g*H+ P₀ נציב ונקבל את הנוסחה.

מדידת מפלס במכלים הפתוחים לאוויר

מדידות מפלס הידרוסטטיות במכלים לא אטומים דורשות פיצוי לחץ מתמשך של הלחץ האטמוספרי המופעל מעל הנוזל.

הלחץ האטמוספרי הפועל הוא "לחץ" נוסף בדיוק כמו הלחץ האטמוספרי הפועל על המערכת כולה (כולל חיישן המפלס). אם נעשה שימוש בחיישן לחץ עם מדידת לחץ יחסי, המחובר לאטמוספירה כמו מיכל, אז הוא יכול לפצות "אוטומטית" על השפעת הלחץ האטמוספרי במדידת המפלס. המשמעות היא ששימוש בחיישן לחץ יחסי במיכל פתוח או במיכל יכול לקזז את השפעת הלחץ האטמוספרי על הנוזל במהלך מדידת המפלס. לכן, לחץ הידרוסטטי קשור רק לגובה הנוזל.

תמונה מספר 2 – מדידת גובה נוזל במיכל פתוח לאוויר

מדידת מפלס במכלים אטומים לאוויר

בתעשייה לעיתים מדידות המפלס מבוצעות לרוב במכלים אטומים. המדידה דורשת פיצוי של לחץ האוויר (או הגז) המוקף מעל הנוזל.
לחץ זה מפעיל כוח נוסף על הנוזל הנמדד ומעוות את מדידת הלחץ הסטטי בתחתית הכלי. לכן יש לפצות על הלחץ המתווסף למדידה על ידי מדידות נוספת של הלחץ הנמצא מעל לנוזל במיכל האטום. לעיתים נשתמש בחיישן לחץ או דומה , יישום זה מכונה לעתים קרובות מדידת לחץ דיפרנציאלי, כאשר יש סטייה מסוימת בין שתי מדידות הלחץ הנפרדות.
ניתן לחשב סטיית לחץ זו באמצעות שני חיישנים נפרדים או חיישן לחץ דיפרנציאלי משולב.

ואת הנוסחה לחישוב נקבל במשוואה הבאה

H – גובה הנוזל.
P1 –לחץ P1 על פני השטח.
P2 –לחץ בעומק H.
ρ – צפיפות החומר של הנוזל הנמדד.
g – כוח הכבידה.

תמונה מספר 3 – מד לחץ הידרוסטטי הפרשי במיכל סגור

סוגים שונים של מדים הידרוסטטיים

צריך להפריד ולהבין כי יש 3 סוגים שונים של מדידה רמת מפלס בצורה הידרוסטטית והיא מחולקת לשלוש הקטגוריות הבאות:

1. רגש לחץ הידרוסטטי (מחובר מצידי המכל).
2. רגש לחץ הידרוסטטי טבול.
3. משדר רמת לחץ הפרשי

עבור מכלים פתוחים ומכלים עצמאיים ניתן למדוד רמת לחץ סטטית על ידי התקנת משדר לחץ בתחתית המכל. בדרך כלל נעשה שימוש בעיצוב ממברנה שטוחה, שיכול להיות אוגן ממברנה שטוחה או חוט ממברנה שטוח.
עבור רמות נוזלים במקווי מים פתוחים, נעשה שימוש נפוץ יותר במשדרי לחץ טבולים.
משדרי לחץ המיועדים להיות טבולים מתוכננים במיוחד לפעול תחת טבילה מתמשכת בתנאי נוזל שונים. הם נבדלים מחיישני לחץ מסורתיים בעיקר אטימות לחץ, איכות כבל ורמת הגנה מפני חדירת מים ועוד.
עבור מכלים סגורים ומכלים בלחץ, ניתן להשתמש במשדר לחץ דיפרנציאלי למדידת הלחץ בנקודות העליונות והתחתונות כדי לחשב את מפלס הנוזל.

יתרונות של מד הידרוסטטי

1. מדידת המפלס אינה מושפעת מציוד מותקן קיים ומגיאומטריית כלי המדידה.
2. למד ההידרוסטטי – עקרון מדידה מוכח עם אמינות גבוהה. שאינם מושפעים מגורמים כמו אדים, מזהמים, אבק, קצף וכו' .
3. המדידה של המדים ההידרוסטטיים – אינה מושפעת ממאפיינים כמו מקדם דיאלקטרי, מוליכות או צמיגות החומר.
4. אין השפעה של גיאומטריית מיכל וחלקים פנימיים על ביצועי המדידה.
5. פשוטים מאוד להתקנה ולתפעול.
6. טווח המדידה גבוה באופן יחסי ויכול למדוד עד 1000 מטר.

חסרונות של מד הידרוסטטי

1. אינו מתאים למוצקים .
2. אינו מתאים לערבוב של חומרים בשל שינוי בצפיפות החומר .

בהצלחה.