Ciśnienie jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych, bez udziału której wiele procesów, czy to głównych, czy też pomocniczych z punktu widzenia danej aplikacji, nie mogłoby zostać zrealizowanych. Aby móc je wykorzystywać w jak najlepszy sposób, powinno się monitorować jego wartość. W tym celu stosuje się m.in. elektroniczne przetworniki ciśnienia.
Zacznijmy od teorii..
Ciśnienie, jako wielkość skalarna, opisuje stan naprężenia w danym punkcie ośrodka. Definiuje się je jako stosunek siły ΔF (działającej prostopadle na element powierzchni ΔS) do powierzchni ΔS:
W układzie SI jednostką ciśnienia jest paskal [Pa]. W praktyce przemysłowej często spotykamy się jednak z jednostką bar (1 bar = 105 Pa).
Podział ciśnienia zależy od przyjętego układu odniesienia:
- Ciśnienie absolutne (bezwzględne) pa – mierzone względem próżni.
- Ciśnienie manometryczne pm (nadciśnienie) – mierzone względem ciśnienia atmosferycznego, gdy jest ono wyższe od atmosfery.
- Ciśnienie wakuometryczne pw (podciśnienie) – mierzone względem ciśnienia atmosferycznego, gdy jest ono niższe od atmosfery.
- Ciśnienie różnicowe Δp – mierzone względem dowolnego innego ciśnienia niż próżnia czy atmosfera.
Przyrządy do pomiaru ciśnienia
Wymienione rodzaje ciśnienia stanowią jedno z kryteriów podziału przyrządów służących do ich pomiaru. Ze względu na rodzaj mierzonego ciśnienia możemy wyróżnić:
- Manometry – do pomiaru nadciśnienia i ciśnienia absolutnego.
- Wakuometry – do pomiaru podciśnienia.
- Manowakuometry – do pomiaru zarówno nad-, jak i podciśnienia.
- Barometry – do pomiaru ciśnienia atmosferycznego.
- Ciśnieniomierze różnicowe – do pomiaru różnicy ciśnień.
Zgodnie z tym kluczem można nadawać nazwy niemal każdemu urządzeniu mierzącemu ciśnienie, niezależnie od tego, w jaki sposób przekształca ono mierzoną wartość na wynik. W ogólnym rozumieniu podane nazwy odnoszą się raczej do prostych przyrządów działających w oparciu o mechaniczną zamianę przemieszczenia elementu podatnego (np. rurki Bourdona, mieszka sprężystego), wywołanego przyłożonym do niego ciśnieniem na ruch wskazówki współpracującej z odpowiednio wyskalowaną tarczą. Tradycyjnie pomiar ten odbywa się mechanicznie (np. rurka Bourdona).
W nowoczesnych aplikacjach przemysłowych stosuje się elektroniczne przetworniki ciśnienia, które wysyłają sygnał pomiarowy do sterowników automatyki. W nowoczesnych aplikacjach sam pomiar i wizualizacja określonej wartości za pomocą najprostszych urządzeń wskazówkowych nie wystarczy do realizacji złożonych algorytmów. Aby móc w pełni korzystać z możliwości, które dają obecnie stosowane w automatyce sterowniki, należy im dostarczyć sygnały wejściowe, które informują o tym, co się dzieje w kontrolowanym przez nie procesie.
Przemysłowe wersje przetworników ciśnienia stanowią zazwyczaj kompaktowe rozwiązania tzn. w jednej zazwyczaj niewielkiej obudowie, zwykle o kształcie cylindrycznym, znajduje się wszystko, co jest potrzebne, aby sterownik otrzymał gotowy sygnał pomiarowy. Działania, które w niej zachodzą, można podzielić na dwa etapy. Pierwszy z nich odbywa się w tzw. bloku czujnika, gdzie następuje zamiana mierzonej wielkości na wielkość łatwą do obróbki, zazwyczaj elektryczną (w przypadku przetworników ciśnienia podstawą do tej zamiany jest przeważnie odkształcenie elementu sprężystego w postaci membrany czy mieszka, spowodowane przyłożeniem do niego mierzonego ciśnienia). Dzięki temu można realizować zaawansowane algorytmy sterowania, wykorzystujące m.in. kalibrację, kompensację temperatury czy przechowywanie danych o minimalnych i maksymalnych wartościach ciśnienia.
… czas na praktykę
Ciśnienie w procesach przemysłowych wykorzystuje się powszechnie. Pierwsze skojarzenie to jego zastosowanie jako źródła energii. Instalacje sprężonego powietrza w fabrykach zasilają różne napędy (w tym siłowniki), chwytaki czy wkrętaki pneumatyczne. Z kolei hydraulika siłowa służy do podobnych celów, ale w sytuacjach wymagających większych sił.
W wielu procesach ciśnienie jest najważniejszym lub jednym z kluczowych czynników, determinujących sukces całej operacji. Przykładem mogą być procesy wytwórcze, w których niezbędne reakcje chemiczne zachodzą w ściśle określonych warunkach (w tym przy konkretnym ciśnieniu). Z kolei badania wyrobów pod kątem pracy w warunkach wysokiego ciśnienia (np. armatury wysokociśnieniowej) to jeden z przykładów testów wytrzymałościowych.
Istnieje również wiele wielkości powiązanych z ciśnieniem, np. poziom płynu w zbiorniku (wyrażony ciśnieniem hydrostatycznym) czy przepływ medium (wynikający z różnicy ciśnień wytwarzanej przez elementy spiętrzające, jak kryzy dławiące, dysze czy zwężki Venturiego).
No dobrze, ale co w praktyce oznacza powiązanie funkcyjne poziomu z ciśnieniem lub przepływem?
Pomiar poziomu na podstawie ciśnienia
Zacznijmy od tego, że każdy pomiar ciśnienia jest pomiarem względnym, odniesionym do jakiejś innej wartości ciśnienia. W wypadku manometru czy manowakuometru pomiar ciśnienia odbywa się względem atmosfery ziemskiej; w wypadku barometru odniesieniem jest próżnia, czyli komora mieszkowa, która zabudowana jest w urządzeniu a opróżniona z jakiejkolwiek zawartości (zmienne, wywierane na mieszek komory ciśnienie atmosferyczne odkształca go). Szczególnym przypadkiem w tym podziale będzie pomiar różnicy ciśnień, gdzie odniesieniem do mierzonego ciśnienia jest jakieś dowolne inne ciśnienie. Dochodzimy więc do wniosku, że tak naprawdę wszystkie pomiary ciśnienia to pomiary różnicy ciśnień. Jest to kluczowe, jeżeli rozważamy wykonanie pomiaru poziomu poprzez zastosowanie pomiaru ciśnienia.
Za każdym razem do przeliczenia ciśnienia na rzeczywisty słup cieczy używa się prostego wzoru:
p = rgh
gdzie:
p – ciśnienie słupa rozpatrywanej cieczy
r – gęstość cieczy
g – przyśpieszenie ziemskie
h – wysokość słupa cieczy nad punktem pomiarowym
Szczególną uwagę należy zwrócić na gęstość cieczy, ta będzie zmieniała się dość mocno wraz ze wzrostem temperatury, a co za tym idzie będzie musiała być kompensowana, jeżeli aplikacja będzie wymagała bardzo dokładnych wyników pomiaru.
Znając wzór możemy przejść do rozwiązań praktycznych, przykłady poniżej:
Pomiar ciśnienia za pomocą króćca w dnie
Najczęstsze rozwiązanie to montaż przetwornika w dnie zbiornika otwartego (bezciśnieniowego). Pomiar dotyczy różnicy pomiędzy ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem słupa cieczy. Jest to najpopularniejsza metoda pomiaru poziomu cieczy. Jest łatwa w wykonaniu, tania i bardzo dokładna. Jej schemat wygląda w następujący sposób:
Przetwornik zabudowany jest przy dnie zbiornika, mierzy różnicę ciśnień pomiędzy atmosferą ziemską a punktem. Jako, że zbiornik jest otwarty (bezciśnieniowy) w górnej jego części, ciśnienie jest równe atmosferycznemu.
p = pot + pstat
pm = p - pot
gdzie:
p – ciśnienie w miejscu pomiaru,
pot – ciśnienie atmosferyczne (otoczenia),
pstat – ciśnienie hydrostatyczne cieczy
pm – ciśnienie manometryczne
Do obliczenia słupa cieczy (poziomu) w tym przykładzie użyjemy oczywiście ciśnienia hydrostatycznego, które równe jest ciśnieniu manometrycznemu „pm” mierzonemu przez przetwornik.
Pomiar za pomocą czujnika z separatorem membranowym
Zasada działania podobna do poprzedniej. Metoda pomiaru właściwie niczym nie różni się od poprzedniej, ma jednak swoje specyficzne zalety które możemy wykorzystać w niektórych aplikacjach. Głównie chodzi tu o materiały, które mogą mieć kontakt z medium, temperaturę medium czy brak możliwości wykonania pomiaru w dnie zbiornika. Dzięki temu można stosować materiały odporniejsze na agresywne media i prowadzić pomiar także wtedy, gdy nie da się zamontować przetwornika bezpośrednio w dnie zbiornika.
Zasada polega na tym, aby pomiędzy przetwornik a punkt pomiarowy wstawić element separujący, rurkę wypełnioną nieściśliwą cieczą i zakończoną membraną. Ciśnienie wywierane na membranę w miejscu pomiaru będzie przeniesione na membranę przetwornika, po uwzględnieniu różnicy wysokości (potocznie skalibrowaniu) pomiędzy membraną separatora a membraną przetwornika i gęstości cieczy w separatorze otrzymujemy nasze ciśnienie w punkcie pomiarowym.
Pomiar za pomocą przetwornika różnicy ciśnień
Jest to najciekawsza propozycja pomiaru wysokości słupa cieczy, ponieważ jest możliwa do realizacji w wersji z separatorami membranowymi, ale przede wszystkim pozwala na prowadzenie pomiarów w zbiornikach ciśnieniowych. Idea? Dokładnie taka sama jak wcześniej, różnica jest tylko taka, że odniesieniem nie jest ciśnienie atmosferyczne a ciśnienie w zbiorniku w części niewypełnionej cieczą. To idealne rozwiązanie do pomiaru w zbiornikach ciśnieniowych.
Gdybyśmy mierzyli tylko ciśnienie na dnie zbiornika otrzymalibyśmy:
p = pstat + pzb
gdzie:
p – ciśnienie w miejscu pomiaru,
pzb – nadciśnienie w zbiorniku,
pstat – ciśnienie hydrostatyczne cieczy
Musimy więc zmierzyć nadciśnienie w zbiorniku i odjąć je od mierzonego ciśnienia przy króćcu na dnie. Oczywiście można to wykonać za pomocą dwu przetworników ciśnienia, jak pokazano poniżej:
Z tą różnicą, że w wypadku zastosowania pary przetworników błędy przetworników nałożą się na siebie pogarszając jakość pomiaru, szczególnie w aplikacjach gdzie ciśnienie w zbiorniku jest bardzo zmienne, występują wibracje i uderzenia. Ponadto rozdzielczość komputera obliczającego różnicę ciśnień będzie kolejnym pogorszeniem jakości pomiaru.
Dlatego też przy takiej aplikacji zdecydowanie najlepszym wyborem jest przetwornik różnicy ciśnień, który stanowi jeden ustrój mierniczy (nie ma powielenia błędów) a różnica ciśnień nie jest obliczana przez układ elektroniczny, więc nie ma dodatkowych źródeł niepewności pomiaru.
Pomiar metodą bąbelkową
Metoda ta jest bardzo prosta, polega na wrzuceniu wężyka sięgającego do dna zbiornika, a następnie tłoczeniu w niego gazu (najczęściej sprężonego powietrza) ze stałym, małym przepływem. W zależności od poziomu cieczy w zbiorniku wymagane będzie większe ciśnienie powietrza, aby przepchać określony strumień powietrza. Zadanie to spełni regulator małych przepływów, który tak reguluje ciśnieniem, aby przepływ był stały. Teraz wystarczy zmierzyć ciśnienie powietrza za regulatorem i gotowe. Zalety to możliwość stosowania dowolnego przetwornika ciśnienia, możliwość stosowania w strefach zagrożonych wybuchem bez konieczności posiadania atestów dla przetwornika, „czystość” pomiaru i urok jego prostoty.
Pomiar przepływu na podstawie różnicy ciśnień
Jak wspomniano wcześniej pomiary ciśnienia są również wykorzystywane w metodach i urządzeniach pomiarowych mierzących przepływ. Metody te (tzw. przepływomierze zwężkowe) wykorzystują zjawisko spadku ciśnienia na elemencie spiętrzającym – kryzie, dyszy lub zwężce Venturiego. Powstaje tam różnica ciśnień proporcjonalna do natężenia przepływu.
Stąd użytkując przepływomierze tego typu, należy liczyć się ze stałym spadkiem ciśnienia oraz koniecznością montażu dodatkowego czujnika, który tę różnicę ciśnień zmierzy. W zależności od tego, jaki element spiętrzający zostanie w nich wykorzystany, wyróżnia się m.in. wspomniane wcześniej przepływomierze z kryzą lub zwężką Venturiego, ale także np. z dyszą lub rurką Pitota.
- Kryza – tania i prosta w instalacji, ale może się zużywać, co prowadzi do konieczności kalibracji.
- Zwężka Venturiego – bezproblemowo mierzy przepływ zarówno cieczy czystych, jak i zanieczyszczonych, jednak wymaga dużej przestrzeni i jest kosztowna w wykonaniu.
- Dysza – rozwiązanie pośrednie, często stosowane przy pomiarach przepływu pary wodnej.
Kryza
W pierwszym z wymienionych typów przepływomierzy zwężkowych w rurociągu, prostopadle do kierunku przepływu, wstawia się płaską płytkę (tzw. kryzę) z otworem, którego średnica nie powinna być większa od średnicy przekroju poprzecznego kanału.
Zaletą takiego rozwiązania jest stosunkowo niski koszt oraz prosta instalacja.
Wadą, oprócz tych wymienionych wcześniej, jest z kolei to, że kryza z biegiem czasu zużywa się, a ponadto może zostać wytrącona z ustalonej pozycji przez zanieczyszczenia występujące w przepływającym medium. W związku z tym przepływomierze zwężkowe z kryzą należy okresowo kalibrować, by mieć pewność, że pomiar przez nie wykonywany wciąż jest jednakowo precyzyjny.
Zwężka Venturiego
Innym chętnie wykorzystywanym rozwiązaniem jest włączenie do istniejącego rurociągu tzw. zwężki Venturiego, czyli elementu o zmiennej wartości średnicy przekroju poprzecznego, osiągającej minimum w środku zwężki.
Zaletą przepływomierzy tego typu jest m.in. bezproblemowy pomiar zarówno cieczy czystych, jak i zanieczyszczonych. Za główne wady tej konstrukcji uważa się natomiast wysokie koszty jej precyzyjnego wykonania oraz problemy z instalacją, jakie czasem występują ze względu na to, że zwężki te zajmują dużo miejsca.
Dysza
Rozwiązaniem pośrednim, łączącym w sobie zalety dwóch wcześniej omówionych typów, są przepływomierze z dyszą. Ten typ instrumentów pomiarowych powszechnie wykorzystuje się np. w pomiarach przepływu pary wodnej.
Podsumowanie
Pomiary ciśnienia w procesach przemysłowych to nie tylko podstawowa kontrola nadciśnienia czy podciśnienia. Zastosowanie przetworników i odpowiednich metod pozwala również na wyznaczanie poziomu cieczy w zbiornikach oraz przepływu mediów w rurociągach. Dzięki temu zyskujemy pełniejszą kontrolę nad kluczowymi parametrami i dbamy o bezpieczeństwo oraz efektywność procesów przemysłowych.
