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?

Do elektronicznych urządzeń pozwalających na kontrolę i pomiar ciśnienia w układach automatyki przemysłowej możemy zaliczyć zarówno te o bardzo prostej budowie – presostaty i przetworniki analogowe, jak i te o zaawansowanych konstrukcjach i technologii przetwarzania sygnałów – przetworniki inteligentne oraz manometry cyfrowe. Wszystkie te urządzenia niezależnie od stopnia zaawansowania technologicznego posiadają jedną bardzo ważną zaletę – pozwalają na przesyłanie informacji o mierzonym ciśnieniu w postaci sygnału analogowego bądź cyfrowego na większe odległości. Sygnał ten jest następnie wykorzystywany w przeróżnych układach regulujących czy też rejestrujących parametry procesowe.

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.

Przykładem miernika ciśnienia opartego o czujnik tensometryczny jest:

Przetwornik ciśnienia Vegabar 83

Czujniki 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.

Przykładem miernika ciśnienia opartego o czujnik tensometryczny jest:

Przetwornik ciśnienia Vegabar 17

Czujniki pojemnościowe to takie, w których cieńka 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, czujniki pojemnościowe wykazują większą stabilność długoterminową niż czujniki tensometryczne i piezorezystancyjne.

 

Maksymalny zakres mierzonych ciśnień dla tego typu czujników to 100 bar

Przykładem przetwornika ciśnienia opartego o ceramiczną membranę pojemnościową  jest:

Przetwornik ciśnienia Vegabar 82

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 przez 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.).

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. zmianę zakresu lub ustawienie charakterystyki wyjściowej, komunikacja cyfrowa pomiędzy przetwornikiem a systemem nadrzędnym.

Przykładem inteligentnego przetwornika ciśnienia jest:

Przetwornik ciśnienia Vegabar 81

Kiedy standardowy a kiedy inteligentny?

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.

---

 Autor:

Ciśnienia-entuzjasta