Przetworniki ciśnienia i poziomu – pomiar ciśnienia

Przetworniki ciśnienia i hydrostatyczne sondy poziomu – pomiar ciśnienia względnego, absolutnego, różnicy ciśnień oraz poziomu.

Przetworniki ciśnienia i poziomu: pomiar ciśnienia względnego, absolutnego, różnicy ciśnień, niskich ciśnień oraz poziomu jest obok temperatury i wilgotności względnej najczęściej mierzonymi parametrami w większości procesów przemysłowych. Problem pomiaru cienienia i poziomu występuje szczególnie w energetyce, przemyśle chemicznym, spożywczym, ciepłownictwie, wentylacji i klimatyzacji, a także w wodociągach i kanalizacji.

Ciśnienie w zależności od przyjętego punktu odniesienia może być mierzone, jako ciśnienie bezwzględne (absolutne), ciśnienie względne lub różnica ciśnień. Dla ciśnienia absolutnego punktem odniesienia jest idealna próżnia (zero absolutne). Natomiast ciśnienie względne jest mierzone w odniesieniu do lokalnego ciśnienia atmosferycznego. Ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1 bara na poziomie morza i maleje wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. Ciśnienie atmosferyczne zależy również od warunków pogodowych. Ciśnienie różnicowe jest miarą różnicy dwóch ciśnień doprowadzonych do krócców czujnika lub przetwornika ciśnienia. Niekiedy mierzy się również ciśnienie atmosferyczne-barometryczne (przetworniki ciśnienia barometrycznego lub barometry). Przetwornik ciśnienia barometrycznego jest odmianą przetwornika ciśnienia absolutnego z ograniczonym zakresem pomiarowym zazwyczaj do 1100mbar (1200mbar).

Tak naprawdę wszystkie przetworniki ciśnienia są przetwornikami różnicy ciśnień, jeżeli jedna strona czujnika ciśnienia jest połączona z komorą próżniową, to mierzone jest ciśnienie bezwzględne (absolutne). Natomiast jeżeli komora jest podłączona z atmosferą mierzone jest ciśnienie względne (tzw. gauge). Dla pomiaru dużych ciśnień, gdzie wpływ zmiany ciśnienia atmosferycznego może być pominięty stosuje się pomiar tzw. ciśnienia względnego odseparowanego (tzw. nadciśnienia (sealed gauge)). W takim przetworniku jedna strona czujnika ciśnienia jest połączona z komorą pomiarową, w której zamknięte jest ciśnienie atmosferyczne (1bar), natomiast druga strona podłączona jest do mierzonego ośrodka. Rozwiązanie takie upraszcza budowę przetwornika i obniża koszty produkcji, nie ma potrzeby prowadzenia specjalnych przewodów do pomiaru ciśnienia atmosferycznego (odpowietrzających).

Manometry ciśnienia.

Manometry cieczoweDo pomiaru ciśnienia i różnicy ciśnień stosuję się różne urządzenia, które dzieli się na grupy głównie ze względu na sposób pomiaru i budowę. Najprostszym urządzeniem do pomiaru ciśnienia jest manometr cieczowy dwuramienny (tzw. U-rurka). Jest to rurka szklana lub tworzywa częściowo wypełniona płynem o znanej gęstości (wodą lub specjalnym olejem). Poziomy cieczy w ramionach manometru typu U-rurka zmieniają się proporcjonalnie do różnicy ciśnień podłączonych do obu ramion. Spotyka się również manometry z pochyłą rurką, które ze względu na dużą czułość stosowane są najczęściej do pomiaru niskich ciśnień (np. spadku ciśnienia na filtrach).

W przemyśle oraz do większych ciśnień stosowane są manometry mechaniczne, w których elementem pomiarowym są mieszki, membrany lub rurki Bourdona. Elementy te pod wpływem przyłożonego ciśnienia rozciągają się, wyginają lub rozwijają (rurka Bourdona). Są one połączone ze wskazówką manometru, która gdy element pomiarowy ulega odkształceniu, zmienia się położenie wskazówki na skali, wskazując mierzone ciśnienie.

Najszerszą grupę urządzeń stanowią elektroniczne przetworniki i czujniki ciśnienia, w których na skutek podłączonego ciśnienia zmieniają się parametry elektryczne elementu pomiarowego. Elementem pomiarowym w przetwornikach ciśnienia są zazwyczaj czujniki tensometryczne, piezorezystancyjne, pojemnościowe lub piezoelektryczne.

Czujniki tensometryczne ciśnienia.

Sensory tensometryczne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji przewodnika w wyniku zmiany jego wymiarów spowodowanym działającym ciśnieniem. Jeżeli jakiś przewodnik jest ściskany pod wpływem przyłożonego ciśnienia, maleje jego opór elektryczny.  W takich czujnikach do pomiaru ciśnienia używa się zazwyczaj czterech sensorów tensometrycznych. Sensory tworzą mostek pomiarowy (Wheat stone’a). Czujniki tensometryczne mocowane są bezpośrednio na membranie pomiarowej, która pod naporem mierzonego medium ugina się. Ugięcie to powoduje odkształcenie czujników a co za tym idzie zmianę ich rezystancji. Wartość napięcia wyjściowego mostka jest proporcjonalna do ciśnienia odkształcającego membranę. Zaletą czujników tensometrycznych jest odporność na uderzenia oraz wibracje, natomiast wadą niska czułość oraz dokładność pomiaru.

Piezorezystancyjne czujniki i przetworniki ciśnienia.

Czujniki ciśnienia piezorezystancyjne- STS AG

Zasada działania piezorezystancyjnych czujników ciśnienia jest podobna do czujników tensometrycznych tzn. wydłużenie lub ściśnięcie elementu pomiarowego wpływa na zmianę rezystancji. Z tym, że czujniki piezorezystancyjne wykonywane są z półprzewodników (krzemu), które pod naciskiem zmniejszają lub zwiększają rezystancję. Zmiana rezystancji jest znacznie większa niż w przypadku czujników tensometrycznych. Dzięki temu czujniki piezorezystancyjne mogą być używane do pomiaru bardzo małych ciśnień. Wadą czujników piezorezystancyjnych jest konieczność kompensacji temperaturowej, mogą również łatwo ulec uszkodzeniu w wyniku kontaktu z mierzonym medium. Sensory piezorezystancyjne wykonywane są, jako mikrostruktury w układzie mostka pomiarowego zintegrowanego membraną. Budowa czujników piezorezystancyjnych ciśnienia

Membranę pomiarową zabudowuje się w hermetycznej obudowie, a całość umieszczona jest w kolejnej obudowie, która od strony mierzonego medium zamknięta jest drugą membraną. Wolna przestrzeń między membraną pomiarową, a zewnętrzną membraną wypełniona jest specjalną cieczą manometryczną (np. syntetycznym olejem). Dzięki takiej budowie kontakt z mierzonym medium ma wyłącznie membrana zewnętrzna, która uginając się, pośrednio przez ciecz manometryczną wywiera nacisk na membranę czujnika. Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia są oprócz manometrów mechanicznych najszerzej stosowaną grupą czujników do pomiaru ciśnienia.

Pojemnościowe czujniki i przetworniki ciśnienia.

W czujnikach pojemnościowych membrana pomiarowa pokryta jest warstwą materiału przewodzącego i stanowi jedną z okładzin kondensatora. Gdy się ugina pod wpływem mierzonego ciśnienia, zmniejsza się odległość pomiędzy nią, a elektrodą nieruchomą, powoduje to wzrost pojemności. Sensory pojemnościowe charakteryzuje duża czułość, dzięki czemu są używane do pomiaru małych ciśnień. Zaletami czujników pojemnościowych są również duża wytrzymałość na przeciążenie oraz większa stabilność długoterminowa w porównaniu do czujników tensometrycznych i piezorezystancyjnych ale są znacznie droższe.

Piezoelektryczne czujniki i przetworniki ciśnienia.

W czujnikach piezoelektrycznych pod wpływem mierzonego ciśnienia na powierzchni elementu pomiarowego wykonanego z półprzewodnika (kwarcu) pojawiają się ładunki elektryczne, które są mierzone. Zakres zastosowania sensorów piezoelektrycznych jest jednak ograniczony.

Elektroniczne przetworniki ciśnienia.

Elektroniczne przetworniki ciśnienia składają się z jednego z powyższych czujników ciśnienia oraz układu elektronicznego przetwarzającego mierzone ciśnienie na sygnał analogowy. Dostępne są przetworniki ciśnienia z wyjściem analogowym prądowym 4…20mA (zasilane z pętli prądowej) i 0…20mA lub wyjściem napięciowym 0…5/10V. Przetworniki ciśnienia wykonywa również z wyjściem cyfrowym np. z interfejsem RS-485 (ModBus RTU), HART lub ProfiBus PA. Zaletą cyfrowych przetworników ciśnienia jest wstępna obróbka wyników pomiarów w przetworniku i ich transmisja cyfrowa do odległych urządzeń oraz możliwość zawężenia zakresu pomiarowego, co zwiększa dokładność pomiaru.

Przetworniki poziomu i sondy hydrostatyczne.

Przetworniki poziomu i sondy hydrostatyczne poziomu są to przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień, które służą do pomiaru poziomu, głębokości, objętości itp. Hydrostatyczne przetworniki ciśnienia przeznaczone są do pomiaru poziomu w zbiornikach otwartych, studniach, odwiertach, jeziorach, rzekach, oczyszczalniach ścieków oraz stacjach uzdatniania wody. Jedna strona takiego przetwornika ciśnienia mierzy ciśnienie wywierane przez słup cieczy, w której jest zanurzony przetwornik. Natomiast druga strona mierzy ciśnienia atmosferyczne z którym jest połączona za pomocą specjalnego przewodu ciśnieniowego. Hydrostatyczne przetworniki poziomu pracuje całkowicie zanurzony w mierzonym medium. Wyprowadzone ma tylko przewody sygnałowe i rurkę do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Wysokość słupa cieczy, która znajduje się nad membraną pomiarową przetwornika jest mierzonym poziomem.

Parametry i dobór przetworników ciśnienia, różnicy ciśnień i poziomu.

Najważniejszym parametrem przetworników ciśnienia jest ich zakres pomiarowy, który odpowiada za dokładność pomiaru oraz możliwość zastosowania w danej aplikacji. Do zakresu pomiarowego przypisany jest odpowiedni sygnał analogowy. Sygnał ten jest proporcjonalny do mierzonego ciśnienia. Oznacza to, że np. dla zakresu pomiarowego 0…16bar i sygnału pomiarowego 4…20mA, wartości ciśnienia 0bar odpowiada sygnałowi 4mA oraz dla 16bar wynosi 20mA na wyjściu przetwornika. W pozostałym zakresie pomiędzy 0…16bar sygnał będzie proporcjonalny do mierzonego ciśnienia.

Przetworniki różnicy ciśnień często wykonuję się oprócz charakterystyki liniowej z charakterystyką pierwiastkową. Przetworniki różnicy ciśnień z charakterystyką pierwiastkową stosuje się do pomiaru przepływu. W takim przypadku przetwornik różnicy ciśnień współpracując z elementem spiętrzającym zamontowanym na rurociągu (zwężką pomiarową, rurką uśredniającą, rurką Pittot, kratownicą, itp.). Zazwyczaj małe przekroczenie zakresu pomiarowego skutkuje tylko wyjściem poza zakres pomiarowy przetwornika, pogorszeniem dokładności i ewentualnie pojawieniem się na wyjściu sygnału alarmowego (23,5mA lub 3,5mA) informującego o przekroczeniu zakresu.

Przekroczenie tzw. ciśnienia niszczącego skutkuje zazwyczaj nieodwracalnym uszkodzeniem przetwornika ciśnienia. Zazwyczaj ciśnienie niszczące dla przetwornika ciśnienia wynosi 2 lub 3 krotność zakresu pomiarowego ale jest to różnie dla rożnych przetworników. Dlatego też należy zwrócić szczególną uwagę przy doborze odpowiedniego zakresu pomiarowego. Zakres pomiarowy przetwornika nie może być ani za mały ani za duży. Nie zaleca się stosowanie z przetworników ciśnienia o zbyt dużym zakresie pomiarowym w stosunku do potrzeb. Duża szerokość zakresu pomiarowego zmniejsza rozdzielczość pomiaru, a co za tym idzie dokładność pomiaru. Zakres pomiarowy przetwornika nie powinien być też zbyt wąski, inaczej przetwornik ciśnienia może zostać uszkodzony lub źle mierzyć w wyniku trwałego odkształcenia membrany pomiarowej.

Podczas doboru przetwornika ciśnienia należy zwrócić uwagę na materiały z jakiego są wykonane elementy przetwornika. Pod wpływem warunków pracy mogą zmieniać się właściwości materiałów, z których wykonane są elementy przetwornika. Aby uniknąć uszkodzenia należy sprawdzić, czy zakresy temperatury mierzonego medium oraz warunki pracy przetwornika odpowiadają wymaganiom aplikacji.  Przetworniki mogą mierzyć ciśnienie różnych mediów, na przykład gorącej wody oraz pary wodnej w systemach ciepłowniczych, oleju hydraulicznego w urządzeniach hydraulicznych, sprężonego powietrza w instalacjach pneumatycznych oraz różnych substancji chemicznych.

Właściwości chemiczne i fizyczne mierzonego medium mogą mieć wpłynąć na te elementy pomiarowe lub konstrukcyjne przetwornika, które mają kontakt z mierzonym medium. Przykładowo jeżeli mierzone medium będzie reagowało z materiałem membrany, to w wyniku korozji może ona ulec uszkodzeniu. Aby rozszerzyć zakres stosowania przetworników, stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne np. membrany wykonywane są ze stali nierdzewnej pokrytej powłoką ochronną (tworzywem sztucznym (teflonem)). W przypadku przetworników ciśnienia do mediów o dużej lepkości lub tworzących osady wykonuje się je z tzw. membraną czołową lub też wysuniętą. Takie rozwiązania są stosowane głównie w przemyśle chemicznym, spożywczym i farmaceutycznym (np. męczarnie i browary)).

Przetworniki ciśnienia muszą posiadać obudowę odporną na warunki atmosferyczne (wilgotność, temperatura) oraz mieć odpowiednią wytrzymałość na wibracje i wstrząsy. W strefach zagrożonych wybuchem (np. kopalnych i instalacjach przesyła gazu, zakładach chemicznych) należy stosować przetworniki iskrobezpieczne (EExi) spełniające wymogi normy ATEX.

Przy doborze przetwornika ciśnienia należy oprócz zakresu pomiarowego i rodzaju sygnału analogowego również brać pod uwagę: dokładność, typ przyłącza elektrycznego oraz procesowego. Przyłącze procesowe jest szczególnie ważne w wypadku przetworników ciśnienia używanych w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. W takich aplikacjach zalecane są zazwyczaj przyłącza w wykonaniu higienicznym, których konstrukcja zapobiega gromadzeniu się mierzonego medium i osadów oraz ułatwia czyszczenie (m.in. łatwy demontaż, brak martwych stref, możliwość mycia i czyszczenia instalacji).

Sposób montażu przetwornika ciśnienia zależy głownie aplikacji i mierzonego medium. Zalecany jest taki montaż przetwornika, aby zapewniony był swobodny dostęp w celu kalibracji, konserwacji, naprawy lub wymiany przetwornika. Przetworniki ciśnienia nie należy montować w miejscach narażonych na silne wibracje i uderzenia.

Podłączenie przetworników do instalacji odbywa się najczęściej za pomocą przewodów impulsowych, które powinny być jak najkrótsze, bez ostrych załamań. Przewody ciśnieniowe muszą też mieć odpowiedni przekrój oraz nachylenie. W instalacjach do pomiaru cieczy lub pary, która może ulec kondensacji, przewody impulsowe należy prowadzić w dół. W taki sposób, aby przetwornik był zamontowany poniżej miejsca pomiarowego. Natomiast przetworniki do pomiaru ciśnienia powietrza i gazów powinny być montowane powyżej miejsca poboru ciśnienia.

Przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień stosowane są również do pomiaru poziomu, objętości, gęstości, granicy faz jak również przepływu cieczy. Do pomiaru poziomu w zbiornikach otwartych mogą służyć zwykłe przetworniki ciśnienia lub hydrostatyczne sondy poziomu.

Znajdujące się w naszej ofercie przetworniki ciśnienia i hydrostatyczne sondy poziomu to głównie przetworniki piezorezystancyjne szwajcarskiej firmy STS AG. Ponadto posiadamy przetworniki niskich ciśnień i różnicy ciśnień niemieckiej firmy Halstrup-Walcher oraz włoskiej firmy Delta Ohm oraz precyzyjne manometry cyfrowe amerykańskiej firmy Additel.

Zobacz również inne nasze urządzenia pomiarowe m.in.: czujniki temperaturymierniki temperatury, regulatory temperatury oraz rejestratory  temperatury.