Akademia automatyki
30 Marzec 2015
Pomiary ciśnienia w przemyśle – urządzenia elektroniczne
Ciśnienie w aplikacjach przemysłowych, obok urządzeń mechanicznych ze sprężystymi elementami pomiarowymi (głownie manometrów), można mierzyć przy pomocy urządzeń elektronicznych. Ich główną zaletą w porównaniu do manometrów jest możliwość wykorzystania wskazań urządzeń do innych celów niż tylko bezpośredni odczyt. Jakie są zatem najbardziej typowe rodzaje elektronicznym mierników ciśnienia?
Ze względu na materiał z jakiego wykonany jest sam czujnik pomiarowy, elektroniczne urządzenia do pomiaru ciśnienia możemy podzielić na trzy podstawowe typy: tensometryczne, piezorezystancyjne oraz pojemnościowe. Ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego (i wynikające z niego możliwością późniejszego wykorzystania wskazań pomiaru), elektroniczne, przemysłowe mierniki ciśnienia możemy podzielić na standardowe i inteligentne (programowalne).
Przetworniki ciśnienia – podział ze względu na materiał czujnika
Czujniki tensometryczne ciśnienia opierają swoje działania o drut oporowy, który na skutek przyłożonej siły poddawany jest odkształceniu, co wpływa na zmianę jego rezystancji. Skuteczny pomiar możliwy jest przy odpowiednim rozmieszczeniu tensometrów na powierzchni czynnej (poddawanej ciśnieniu) – co jest ich podstawową wadą. Jakość przytwierdzenia oraz temperatura mają natomiast znaczący wpływ na samą dokładność pomiarów. Zaletą tensometrów jest natomiast ich odporność na uderzenia i wibracje. Urządzenia te znakomicie nadają się przy tym do pomiarów dużych zakresów ciśnienia.
Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to aż 1000 bar.
Czujniki ciśnienia piezorezystancyjne
Działają podobnie do tensometrów z tą różnicą, że zamiast drutu oporowego oraz podłoża, na które jest on naklejony, mamy membranę krzemową rzędu kilku mikrometrów z zaimplementowanymi rezystorami. Czujniki tego typu są znacznie dokładniejsze, posiadają większą stabilność długoterminową oraz czułość w stosunku do czujników tensometrycznych. Zaletą jest również możliwość pomiaru bardzo małych zakresów ciśnienia rzędu milibar. Wady – duży wpływ temperatury na wskazania czujnika, mała odporność na wstrząsy i wibracje. Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 16 bar.
Czujniki pojemnościowe ciśnienia
Pojemnościowe czujniki ciśnienia to takie, w których cienka membrana wykonana z krzemu znajduje się pomiędzy okładzinami, tworząc w ten sposób kondensator. W wyniku działającego ciśnienia zmianie ulega pojemność takiego kondensatora, co przekłada się na odpowiedni sygnał wyjściowy (wynik pomiaru). W celu ochrony przed niekorzystnym wpływem warunków środowiskowych czujniki umieszczane są w szczelnej obudowie. Obudowa wykonana jest ze stali nierdzewnej i wypełniona olejem silikonowym. Jednocześnie wyposażona jest ona w membranę o grubości rzędu mikrometrów, mającą bezpośredni kontakt z mierzonym medium. Najczęściej membrana taka wykonana jest ze stali nierdzewnej. Najbardziej zaawansowane membrany ceramiczne cechują się wysoką odpornością na ścieranie i korozję, a sam czujnik może być przeciążony nawet do 200 razy.
Dzięki swojej budowie, pojemnościowe czujniki ciśnienia wykazują większą stabilność długoterminową niż czujniki tensometryczne i piezorezystancyjne.
Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 100 bar.
Przetworniki ciśnienia – podział ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego
Przetworniki standardowe ciśnienia to proste urządzenia z analogowym, prądowym lub napięciowym sygnałem wyjściowym. W tych prostych przetwornikach analogowy, wyjściowy sygnał pomiarowy podawany jest na układ wzmacniacza i po wzmocnieniu, sygnał przechodzi przintobarez właściwy przetwornik, który na wyjściu posiada sygnał użyteczny w przemyśle. Najczęściej, ze względów ekonomicznych (jedynie dwa przewody) oraz dzięki odporności na zakłócenia, stosuje się prądowy sygnał analogowy w postaci 4÷20 mA (rzadziej sygnał napięciowy 0÷10 V lub 0÷5 V.).
Przykładem standardowego przetwornika ciśnienia jest przetwornik ciśnienia Introbar 20
Inteligentne przetworniki ciśnienia
to takie, w których w obwodzie pomiarowym, po wzmacniaczu, znajduje się przetwornik analogowo-cyfrowy oraz mikroprocesor. Przetwornik analogowo-cyfrowy odpowiada za zamianę analogowej wartości z czujnika pomiarowego na jego cyfrową wartość. Mikroprocesor z kolei pozwala na dalszą „obróbkę” sygnału i programowanie samego urządzenia, np: skompensowanie wpływu temperatury na wynik pomiarowy, konfiguracja poprzez np. z3mianę zakresu lub ustawienie charakterystyki wyjściowej, komunikacja cyfrowa pomiędzy przetwornikiem a systemem nadrzędnym. Przykładem inteligentnego przetwornika ciśnienia jest przetwornik ciśnienia Emerson Rosemount 3051.
Kiedy standardowy a kiedy programowalny?
Przy doborze odpowiedniego przetwornika ciśnienia konieczna jest znajomość procesu oraz możliwości i potrzeby wykorzystania wskazań przyrządu (typ sygnału wyjściowego przetwornika). W przypadku konieczności wysterowania jednego zaworu, zakup przetwornika inteligentnego nie ma (ekonomicznego) sensu. Jednak w przypadku wystąpienia konieczności przeprowadzenia konfiguracji np. zmiany zakresu pomiarowego przetwornika ciśnienia, czy przekazywania sygnału do systemu nadrzędnego, zakup inteligentnego przetwornika ciśnienia jest jak najbardziej uzasadniony.
Inne typu przemysłowych urządzeń do pomiaru ciśnienia.
Zobacz wszystkie rodzaje czujniki/mierników ciśnienia wykorzystywane w instalacjach przemesłowych.
