מדריך קצר לבחירת חיישנים, לקריאת מדידות מחיישנים אנלוגיים באמצעות ארדואינו (או לוחות ומיקרו-בקרים אחרים), ולהמרה של התוצאות ליחידות סטנדרטיות – kPa, אטמוספרות, Bar או PSI
סוגים של חיישני לחץ אוויר
חיפוש של חיישני לחץ אוויר להרכבה במעגלים יוביל אותנו לשני סוגים של תוצאות: חיישני לחץ ברומטרי, שנראים לרוב כמו קופסאות שטוחות קטנטנות עם חור למעלה, וחיישני לחץ עם צינורית קטנה או שתיים, כמו בתמונה בתחילת הפוסט. הברומטריים מודדים לחץ סביבתי (אטמוספרי, או לפחות בסביבה שבה המעגל כולו נמצא), והם יכולים להיות נהדרים אבל לא נתייחס אליהם יותר בפוסט הספציפי הזה.
הסוג השני מיועד למדידה ממוקדת, באמצעות חיבור צינורות גמישים בין החיישן לבין נקודות המדידה הרלוונטיות. אם יש רק חיבור אחד אז זהו חיישן אבסולוטי, ואם שניים אז הוא דיפרנציאלי ("הפרשי"), כלומר מודד את ההבדל בין הלחצים בשתי הצינוריות. כל דגם מודד טווח לחצים שונה ברמת דיוק שונה. גם פרמטרים כמו מתח ההפעלה או קוטר הצינוריות לא אחידים בין הדגמים השונים, כך שצריך לשים לב לכולם ולבחור את הרכיב הנכון בקפידה לפי היישום.
חיישנים מסוימים מוציאים פלט דיגיטלי, כמעט תמיד בתקשורת SPI או I2C. במקרים כאלה הרזולוציה של המדידה קבועה ומוכתבת לנו מראש. חיישנים מסוימים עם תקשורת כזו כוללים גם ערכי כיול שאנחנו יכולים לקרוא ולהיעזר בהם בחישובים – לדוגמה, פקטורים לתיקון התוצאות בתנאים של טמפרטורה גבוהה או נמוכה במיוחד. לשאר החיישנים יש פלט אנלוגי – מתח חשמלי שמשתנה ביחס ישר, פחות או יותר, ללחץ האוויר.
בחיישנים דיפרנציאליים, הפלט במצב של "אין הבדל בלחץ" יהיה באמצע סקאלת המתח או הערכים הדיגיטליים, כי ייתכן כמובן גם הפרש לחצים שלילי.
דיוק הפלט האנלוגי
לכאורה, כיוון שפלט אנלוגי הוא רציף, הרזולוציה שלו היא אינסופית ודיוק המדידה מוגבל אך ורק על ידי היכולת שלנו להמיר את המתח לערך מספרי. אך בפועל גם לחיישנים אנלוגיים יש, כמובן, סטיות ושגיאות, ויכול להיות שאפילו המרת ADC ברזולוציה מטורפת של 32 ביט לא תיתן לנו תוצאות נכונות יותר מאשר 10 הביטים הצנועים של ארדואינו. לכן, גם מבחינת ההשקעה שלנו בתכנון המעגל וגם מבחינת צורכי המדידה, צריך קודם כל להסתכל על המפרטים הטכניים של החיישנים ולברר מה באמת אפשר להוציא מכל אחד מהם.
לא תתפלאו לשמוע שבגדול, ככל שחיישן מסוים יקר יותר (אם משווים חיישנים שמיועדים לאותו טווח לחצים), הדיוק שלו נוטה להיות יותר גבוה. בנוסף, ככל שהפרויקט עצמו דורש דיוק גבוה יותר, כך עדיף לבחור חיישן עם טווח לחצים מצומצם יותר – כל עוד הוא כולל את המינימום והמקסימום הצפויים במערכת, בתוספת טווח ביטחון סביר. כך נוכל לנצל את מלוא טווח המדידה ולא "נבזבז" רזולוציה על ערכים שהמערכת לעולם לא תגיע אליהם.
המרת יחידות
טווחי המדידה של חיישני לחץ אוויר נקובים בדרך כלל ב-PSI (ראשי תיבות של "פאונד לאינץ' רבוע") או ב-kPa (קילו-פסקל). הנה גרף מתוך ה-Datasheet של החיישן הדיפרנציאלי האנלוגי מהתמונה שבתחילת הפוסט. הדגשתי בו, בצהוב, את נקודת האמצע (מתח בחצי הסקאלה בציר Y עבור הפרש לחצים אפס בציר X), ובתכלת את "פונקציית התמסורת" (Transfer function) – זאת הנוסחה שמתרגמת את הלחץ, ביחידות kPa (מסומן באות P), למתח האנלוגי בפלט (Vout). הערך Vs הוא מתח ההפעלה שהחיישן עצמו מקבל, במקרה זה 5V. לכל חיישן, אם עוד לא הבנתם, תהיה פונקציה שונה, וחייבים לבדוק אותה לפני שרצים ליישום.
אבל כשאנחנו משתמשים בחיישן, אנחנו הרי כבר יודעים מה Vout – הנעלם הוא דווקא P. זה הזמן להגיד תודה למורה למתמטיקה מחטיבת הביניים (או הפרטי/ת) ולשחק עם הנוסחה כדי לקבל את ההמרה הרצויה. את זה אני משאיר לכם כתרגיל. אם לא טעיתם בדרך, תוכלו לראות למשל שמתח פלט 3V פירושו לחץ דיפרנציאלי של 5.555 קילו-פסקל.
ואם צריך את המידע ביחידות אחרות? זה הזמן לחישוב נוסף (או, אם אתם ממש רציניים, לשלב אותו בנוסחה הקודמת), לפי הערכים בטבלה הבאה. הערכים הם פקטורים להכפלה. למשל, כדי להמיר מ-PSI (שורה עליונה) ל-kPa (טור שמאלי), נכפיל את ערך ה-PSI הידוע ב-6.89475729. לדוגמה, עשרים PSI הם 137.895 ביחידות kPa.
| from Bar | from Atmosphere | from kPa | from PSI | Unit |
| 14.5037738 | 14.6959488 | 0.14503774 | to PSI | |
| 100 | 101.325 | 6.89475729 | to kPa | |
| 0.98692327 | 0.00986923 | 0.06804596 | to Atmosphere | |
| 1.01325 | 0.01 | 0.06894757 | to Bar |
אם נתקלתם ביחידה שנקראת "הקטו-פסקל" (Hectopascal), זו פשוט עשירית מקילו-פסקל, ואילו מגה-פסקל זה פי עשרה מקילו-פסקל. יחידות נדירות עוד יותר תוכלו למצוא, בין השאר, במחשבוני ההמרות שיש באינטרנט.
סיכום
בכל פעם שאנחנו מתכננים מעגל שצריך להתחשב ביחידות מדידה פיזיקליות בעולם האמיתי (וזה יכול להיות כוחות מכניים, רמות תאורה, שדות מגנטיים וכו' וכו'), אין ברירה אלא לצלול לתוך דפי הנתונים והנוסחאות, וחשוב מאוד לא להתפתות רק לרזולוציה המוצהרת אלא להסתכל גם על הפרמטרים של שגיאות המדידה הצפויות. זיכרו שתוצאה שנראית מאוד מדויקת (כמו "1.2345678") עדיין יכולה להיות לגמרי לא נכונה. חוץ מהנתונים המובנים-מאליהם של מתח הפעלה וסוג פלט, בידקו האם החיישן שמוצא חן בעיניכם אכן מסוגל לבדוק את התכונה הפיזיקלית שאתם צריכים, אם טווח העבודה שלו מתאים, האם הדיוק שלו בפועל מספיק טוב – ואם המחיר שלו הוא כזה שאתם יכולים לעמוד בו…