Podstawowe wiadomości o aparaturze do pomiarów ciśnienia

Przyrządy do pomiaru ciśnienia są wszędzie, ale czy naprawdę je znasz?

Mierzenie ciśnienia jest jednym z najbardziej istotnych pomiarów w każdej dziedzinie przemysłu. Od rafinerii ropy do buldożera pomiary ciśnienia sprężonego powietrza, oleju hydraulicznego, cieczy przetwarzanych, pary oraz niezliczonej ilości innych mediów są codziennym i szczególnie istotnym działaniem we wszystkich układach regulacji. 

 

 

W tradycyjnych mechanicznych ciśnieniomierzach zastosowano zgiętą łukowo, zamkniętą rurkę Bourdona, która przy wzroście doprowadzonego do wewnątrz ciśnienia dąży do wyprostowania się

Z tego powodu aparatura do pomiarów ciśnienia znajduje się wszędzie i w ogromnej ilości wykonań. Dokonując ogólnego przeglądu technik pomiarowych można by wybrać może lepsze przykłady zastosowań, ale prawdopodobnie znajdą się tutaj wyjątki w niektórych szczególnych miejscach.

Ciśnienie, w terminologii mechanicznej nazywane naprężeniem ściskającym, ma szczególne właściwości, które mają wpływ na sposób jego pomia

  • Ciśnienie jest ilościowo określane w jednostkach siły na jednostkę powierzchni.
  • Występuje ono zarówno w płynach nieruchomych, jak i w poruszających się.
  • Ciśnienie płynu jest zawsze mierzone jako wielkość różniąca się od innego ciśnienia.

Pomiary ciśnienia można podzielić na trzy kategorie:

  • Ciśnienie absolutne jest mierzone w odniesieniu do absolutnej próżni i pomijany jest całkowicie wpływ ciśnienia atmosferycznego. Taki pomiar wykorzystywany jest głównie w pracach badawczych i projektowych, chociaż są pewne aplikacje, w których odczyty ciśnienia absolutnego są przydatne w danym procesie. Od czasu, kiedy nie jest praktykowane wytwarzanie całkowitej próżni wewnątrz obudowy czujnika, czujniki do pomiaru ciśnienia absolutnego mają ustawiany zakres odczytu albo za pomocą stałego współczynnika korekcyjnego lub bardziej wyrafinowane przyrządy wykorzystują pomiar ciśnienia barometrycznego.
  • Różnica ciśnień jest to różnica pomiędzy mierzonym ciśnieniem w jednym obszarze lub zbiorniku a ciśnieniem w innym obszarze. Wartośćodczytana tej różnicy nie ma żadnego odniesienia do ciśnienia atmosferycznego lub próżni.
  • Nadciśnienie jest to pewnego rodzaju różnica ciśnień, bowiem jest to ciśnienie w jednym obszarze lub zbiorniku odniesione do ciśnienia atmosferycznego. Jest to powszechnie przyjęta definicja.

Najbardziej powszechnie używane są dwie jednostki ciśnienia – psi i bar. Pierwsza z nich jest nadal głównie używana w USA, natomiast druga jednostka metryczna staje się coraz bardziej powszechna. Bar w dużym stopniu zastępuje paskale i kilopaskale, ponieważ podawanie wartości w tej jednostce jest bardziej wygodne. Istnieje jeszcze wiele innych jednostek ciśnienia, ale są one używanie raczej w szczególnych zastosowaniach. Przy obu jednostkach psi i bar używany jest przyrostek „a” lub „g”, który wskazuje, czy podana wartość dotyczy ciśnienia absolutnego, czy nadciśnienia.

Jeżeli nie ma żadnego przyrostka, to podana wartość dotyczy nadciśnienia.

Przy pomiarach różnicy ciśnień nie jest podane, czy zmierzona wartość dotyczy ciśnienia absolutnego, czy nadciśnienia, ponieważ oba zmierzone ciśnienia są bezpośrednio z sobą porównywane. Odczyt jest po prostu różnicą dwóch ciśnień i żadne z nich nie wskazuje wartości bezwzględnej ciśnienia. Jeżeli różnica ciśnień pomiędzy dwoma zbiornikami wynosi 3 bary, to ciśnienie w jednym zbiorniku może wynosić 2 a w drugim 5 barów, jak również może w jednym wynosić 100 a w drugim 103 bary. Nie ma tu żadnego sposobu określenia wartości ciśnienia w stosunku do atmosferycznego bez użycia dodatkowego czujnika pomiarowego ciśnienia. Przy wartości zmierzonej różnicy ciśnień często używany jest przyrostek „d” lub symbol ∆.

Tradycyjnie do pomiaru ciśnienia manometry mechaniczne z zagiętą rurką Bourdona były standardem i nadal są one dostępne w wielu wykonaniach. Jednak coraz większą popularnością cieszą się elektroniczne przyrządy do pomiaru ciśnienia.

Dokładność, zakres i bezpieczeństwo

Dokładność elektronicznych i mechanicznych przyrządów do pomiaru ciśnienia określana jest w taki sam sposób, a mianowicie jako błąd wyrażony w procentach zakresu pomiarowego. Na przykład dobrej jakości manometr o zakresie 0-100 barów powinien zapewnić dokładność 0,5% szerokości zakresu. Oznacza to, że błąd tego manometru mieści się w przedziale 1 bara (0,5 bara) w każdym punkcie skali. Przetworniki elektroniczne (ang. tranducers i transmitters) mają zwykle w ten sam sposób określaną dokładność. W związku z tym, że zakres pomiarowy jest powiązany z dokładnością, to sprawą istotną jest dobranie przyrządu o zakresie możliwie jak najbardziej zbliżonym do zakresu jego rzeczywistej pracy. Należy jednocześnie uwzględnić możliwe przeciążenia oraz impulsowe skoki ciśnienia. Innymi słowy, jeżeli proces technologiczny jest prowadzony przy ciśnieniu nominalnym 75 barów, to lepiej jest zastosować przyrząd o zakresie 0- -100 barów, niż o zakresie 0-500 barów, nawet jeżeli mają taką samą dokładność. Niewłaściwy dobór zakresu jest często wymieniany jako najbardziej powszechny błąd popełniany przy dobieraniu przyrządów do pomiaru ciśnienia. Niektórzy nabywcy wybierają jeden przyrząd do pomiaru ciśnienia ze względu na chęć ograniczenia do minimum zapasów magazynowych, a potem próbują go wykorzystać w różnych miejscach. W wyniku takiego podejścia tracona jest dokładność.

Niektóre przetworniki mogą mieć nastawiany zakres pomiarowy za pomocą układu elektronicznego. Na przykład przyrząd do pomiarów ciśnienia w zakresie 0-50 barów można za pomocą układu elektronicznego przestawić na zakres 0-30 barów. Takie działanie pomaga w odczycie sygnału wyjściowego w zakresie 4-20 mA, ale w rzeczywistości wcale nie zwiększa dokładności.

– Są czujniki ciśnienia w cenie 10 czy 15 złotych, które mogą być umieszczane w oponach samochodowych, aby przesyłać sygnał do wskaźnika w kabinie kierowcy. Nie jest tu wymagana duża dokładność ani szybka reakcja, gdy okaże się, że na przykład obniżyło się nieco ciśnienie w przednim prawym kole – mówi ekspert z firmy GE-Druck. – Wybór przyrządu pomiarowego zależy od jego zastosowania.

Bardzo istotne przy doborze zakresu i odporności przyrządu ma zrozumienie konkretnego zastosowania. Bywa, że użytkownicy nie liczą się ze zdarzeniami dynamicznymi, jakie zachodzą w procesie produkcyjnym. Kiedy ciekłe medium jest w ruchu i zawór nagle zostanie otwarty lub zamknięty, to impulsowy skok ciśnienia przemieszcza się w układzie niemal z prędkością dźwięku i może rozerwać czujnik lub co najmniej uszkodzić jego wzorcowanie. Zastosowania w układach statycznych i pomiarach ciśnienia płynów ściśliwych (gazów) nie wymagają takiego specjalnego zabezpieczenia przed skokami ciśnienia, jakie są konieczne w środowisku zmieniającym się dynamicznie, a szczególnie cieczy.

Dobór aparatury do pomiarów ciśnienia

Mając podane wymagania dotyczące pomiaru ciśnienia dla określonego zastosowania, można dobrać odpowiedni przyrząd, biorąc pod rozwagę inne jego właściwości poza zakresem i dokładnością. Takie rozważania obejmują:

Materiał: Przyrządy mają wyszczególnione materiały części zwilżanych, to znaczy mających kontakt z medium. Jest do wyboru szeroka gama materiałów dostosowana do różnych agresywnych chemicznie cieczy i gazów. Możliwy jest również wybór odpowiedniej obudowy, jeżeli zachodzi obawa, że na obiekcie przyrząd może być narażony na działanie atmosfery o działaniu powodującym korozję. Materiały niekonwencjonalne są drogie, więc trzeba je wybierać z głową.

Konfiguracja wewnętrzna: Wiele czujników ma pewne wewnętrzne wnęki i zakamarki, które podczas pracy są wypełniane mierzonym medium. Jeżeli to medium jest łagodne i raczej nieniszczące przyrządu, to jego obecność jest dozwolona. Jednak w pewnych poważnych zastosowaniach jest to niedopuszczalne. Dostępne są czujniki z membranami spłukiwanymi i uszczelnioną częścią wewnętrzną, w celu zabezpieczenia przed przenikaniem medium do środka. Jeżeli zachodzi potrzeba, to dostępne są również membrany separujące.

Obudowa: Wymagania bezpieczeństwa dotyczące aparatury instalowanej na oczyszczalni ścieków są inne niż w rafinerii ropy. Są różne wykonania przyrządów, które pozwalają na wybór przyrządu w obudowie odpowiedniej do warunków środowiska, w jakich przyrząd ma pracować. Dostępne są wykonania przeciwwybuchowe, jak i iskrobezpieczne. Ponadto wiele firm ma określone wytyczne, w których wyraźnie podają, co i gdzie może być zastosowane. Gdy jednak nie ma potrzeby brania pod uwagę środowiska wybuchowego, to możliwości wyboru dostępnej aparatury są znacznie większe. Zazwyczaj również gabaryty przyrządu zależą od zastosowanej elektroniki, potrzebnej do przyjętego systemu komunikacji. Zwykły przetwornik z wyjściem 4-20 mA może mieć bardzo zwartą budowę, natomiast przetwornik inteligentny (smart) z przyłączem do magistrali będzie większy ze względu na umieszczenie w nim dodatkowych obwodów elektrycznych.

Przyłącza procesowe: Przyrządy do pomiarów ciśnienia zazwyczaj mają na wejściu króciec z gwintem o wymiarach od 1/8" do 1/2" NPT lub BSPT, M.20×1,5. Są jeszcze inne przyłącza do specjalnych zastosowań, jak na przykład przyłącza sanitarne Tri clamp lub różne przyłącza kołnierzowe. Do uproszczenia podłączenia przyrządów do pomiaru różnicy ciśnień często używane są bloki zaworów.

Komunikacja: W większości przetworników do przesyłania danych z pomiarów wykorzystywany jest wyjściowy sygnał analogowy w zakresie 4-20 mA. Obecnie coraz powszechniej komunikacja z przetwornikami jest realizowana przez magistrale obiektowe, z wykorzystaniem protokołu HART lub innych oraz łączność bezprzewodową.

Rodzaje czujników pomiarowych: Znanych jest około 10 metod i wariantów technicznych przetwarzania ciśnienia na sygnał elektryczny, ale żadne z nich nie są uniwersalne. Producenci przyrządów starają się korzystać z paru ogólnie znanych technik pomiarowych, tworząc pewne kombinacje ich właściwości pod kątem możliwości praktycznego zastosowania. W dokumentacji technicznej przyrządu często nie jest dokładnie opisywana przyjęta technika pomiaru. – Sprawą najbardziej istotną jest posiadanie dużego doświadczenia z określonym rozwiązaniem technicznym czujnika – mówi kierownik produktu w ABB Instrumentation. – Standardem są czujniki pojemnościowe, ale teraz jest dostępnych wiele innych rozwiązań technicznych czujników, optymalnie opracowanych do nietypowych zakresów pomiarowych. Możliwości mikroprocesorów stosowanych w przetwornikach inteligentnych pozwalają na kompensację niedoskonałości czujnika i pozwalają producentom na skoncentrowaniu się na innych sprawach.

Montowanie, urządzenia pomocnicze, utrzymanie w ruchu

Właściwe zamontowanie przyrządu na obiekcie może być tak samo ważne, jak prawidłowy jego wybór. Zazwyczaj przyrządy do pomiaru ciśnienia są montowane z zaworem odcinającym. Dotyczy to szczególnie pomiarów ciśnienia w procesach ciągłych. Dzięki temu możliwe jest skalowanie, naprawa lub wymiana przyrządu bez potrzeby przerywania procesu produkcyjnego. Przy procesach nieciągłych stosowanie takiego zaworu nie jest konieczne i przyrząd można zamontować w bezpośrednim kontakcie z medium. Odcinek przewodu rurowego łączący zbiornik lub rurociąg z czujnikiem nazywa się rurką impulsową. Podłączenie taką rurką jest szczególnie przydatne w sytuacjach, gdy jest zbyt mało miejsca lub jest trudny dostęp, który nie pozwala na bezpośrednie zamontowanie przyrządu na instalacji.

Jednak używając rurek impulsowych należy zachować ostrożność, a mianowicie:

  • rurki impulsowe powinny być jak najkrótsze;
  • jeżeli mierzone medium jest cieczą, należy upewnić się, czy rurka jest całkowicie odpowietrzona;
  • chcąc mieć odczyt w bardziej dogodnym miejscu, to lepiej przedłużyć kabel, a nie rurkę impulsową;
  • gdy występuje wysoka temperatura medium, a szczególnie dotyczy to pary, należy zapewnić takie ułożenie rurki impulsowej, aby mogła ona działać jak syfon.

Urządzenia pomocnicze upraszczają montowanie przyrządu na obiekcie lub go zabezpieczają przed uszkodzeniem. Poniżej podano kilka przykładów.

Zawór odcinający oraz upustowy – jest to zawór montowany na rurce impulsowej, który umożliwia zredukowanie (spuszczenie) ciśnienia przed czujnikiem z równoczesnym odcięciem połączenia z medium.

Tłumik pulsacji – jest to urządzenie, które dławi strumień medium płynący w kierunku czujnika, tłumi pulsacje i zwiększa trwałość czujnika. Gdy urządzenie to jest prawidłowo zamontowane, to odczyt jest prawidłowy, a membrana czujnika nie jest niszczona.

Membrana separująca – jest to membrana, któraprzenosi ciśnienie medium do czujnika, ale uniemożliwia przenikanie tego medium do wnętrza czujnika. Gdy zastosowana jest taka membrana, to przestrzeń pomiędzy nią a czujnikiem musi być wypełniona cieczą – zazwyczaj jest nią olej silikonowy.

Zawór zabezpieczający – jest to zawór z nastawialną sprężyną, który zabezpiecza czujnik przed uszkodzeniem w przypadku wzrostu ciśnienia medium powyżej zakresu pomiarowego. Po przekroczeniu nastawionego ciśnienia zawór odcina dopływ medium do czujnika, nim zostanie on uszkodzony.

Blok zaworów – wyposażenie do uproszczenia podłączenia na obiekcie przyrządów do pomiaru różnicy ciśnień, które zwykle zawiera w sobie zawory ułatwiające odcięcie ciśnienia, redukcję (zwolnienie) ciśnienia i wyrównanie ciśnień.

Jest kilka rodzajów zaworów trójdrogowych i pięciodrogowych oraz zaworów blokowych pięciodrogowych.

Wymagania dotyczące utrzymania w ruchu i skalowania przyrządów są bardzo zróżnicowane i odnoszą się zarówno do określonych przyrządów, jak i potrzeb procesu technologicznego. W aplikacjach, w których jakość przyrządu jest raczej sprawą drugorzędną, zamontowany przyrząd może działać latami bez specjalnej obsługi i troski. Natomiast w procesie, w którym dokładność pomiaru jest sprawą bardzo ważną, przetworniki będą wymagały okresowego sprawdzenia i skalowania. Jednak przetworniki wysokiej jakości są bardzo dokładnie skalowane przez producenta, który na ogół ma znacznie większe możliwości w tym zakresie. Często próby poprawienia jakości działania przyrządu przez użytkownika doprowadzają do jej pogorszenia.

Diagnostyka inteligentnych przyrządów

Termin inteligentny przyrząd określa przyrząd odznaczający się większą ilością funkcji, niż tylko przekazywanie pojedynczej wartości zmiennej mierzonej. Jakie więc jeszcze parametry może taki przyrząd mierzyć?

– Kiedy pojawia się jakaś awaria lub zdarzenie, które wymagają interwencji operatora lub służby utrzymania ruchu, to trzeba znać i rozumieć przyczynę tego zdarzenia, aby zapobiec powtórzeniu się tego w przyszłości – mówi kierownik działu marketingu w firmie Emerson Process Management. – Jako że przyrządy są „oczyma i uszami” w procesie produkcyjnym, to warto mieć dodatkowe możliwości funkcjonalne przyrządu, pozwalające na głębszy wgląd w historię pomiarów, jak i prowadzony proces technologiczny.

Pewne funkcje przetwornika inteligentnego odnoszą się do parametrów procesu technologicznego i kopiują dane, które mogą być uzyskane z innych przyrządów zainstalowanych w układzie technologicznym. Jeżeli jednak przyrząd działa samodzielnie, to takie funkcje mogą być bardzo ważne i przydatne.

Poniżej podano kilka różnych wykonań przyrządów do pomiaru ciśnienia z dodatkowymi funkcjami, jakie oferują różni producenci:

  • pomiar i rejestracja przekroczeń ciśnienia,
  • zliczanie sygnałów alarmowych i błędów,
  • analiza szumów w układzie, które zakłócają sygnalizację błędów,
  • pomiary temperatury medium i otoczenia,
  • korekta wewnętrzna wartości ciśnienia kompensująca zmiany temperatury,
  • samodiagnozowanie funkcji wewnętrznych i wyposażenia przyrządu,
  • funkcja nastaw alarmów,
  • historia i harmonogram skalowania przyrządu.

Przetwornik może przesyłać te informacje, korzystając na przykład z nowoczesnej dobrej magistrali i protokołu HART. Jeżeli przetwornik pracuje w większym układzie sterowania, to informacje są przesyłane w sposób ciągły lub wokreślonych odstępach czasu poprzez urządzenie podręczne.

W końcu najlepszą radą przy wyborze przyrządu do pomiaru ciśnienia lub innych urządzeń pomiarowych jest dobra znajomość konkretnego zastosowania. Wymagania dotyczące dokładności, komunikacji i diagnostyki należy bezpośrednio podać w specyfikacji. W przeciwnym wypadku przy doborze przetwornika ciśnienia może zostać pominięta jakaś określona i może nawet istotna w danym zastosowaniu jego cecha.

ce

Artykuł pod redakcją
mgr. inż. Janusza Pieńkowskiego,
wieloletniego eksperta-praktyka w dziedzinie
aparatury kontrolno-pomiarowej

 


Używane nazewnictwo

Takie określenia, jak: czujnik, przetwornik, nadajnik, określają różne wyroby, ale ich użycie nie zawsze jest właściwe i może powodować pewne nieporozumienia. Poniżej podano pewne ogólnie przyjęte definicje.

Czujnik – najbardziej istotny i podstawowy element przetwornika ciśnienia z membraną i układem elektroniki do wytworzenia podstawowego sygnału. Jako samodzielny przyrząd nie może być wykorzystany, a wytworzony sygnał przesyłany jest do dalszego formowania.

Przetwornik – przyrząd zawierający w sobie czujnik pomiarowy oraz układy elektroniczne, które przetwarzają sygnał podstawowy z czujnika, wzmacniają i wysyłają już jako użyteczny sygnał wyjściowy analogowy lub cyfrowy. Sygnały analogowe to sygnały prądowe lub napięciowe w różnych zakresach, takich jak np.: 4-20 mA, 0-10 V. Sygnały analogowe przesyłane są kablem z 2 lub 3 przewodami, a sygnały cyfrowe przez magistralę obiektową.

Przetwornik inteligentny (smart) – jest to przetwornik z dodatkowymi funkcjami diagnostycznymi i możliwością pomiaru uzupełniających parametrów. Możliwość komunikacji za pomocą protokołu HART dla tych przetworników jest dosyć powszechna.

Przyrząd – jest to bardzo ogólne określenie, które może dotyczyć różnego rodzaju przetworników, jak i również innych urządzeń.