Особливості вимірювань тиску

1. Пристрої вимірювання тиску використовуються повсюдно, але зрозумілий принцип їх роботи? Вимірювання...
2. Резервуар стисненого повітря оснащений датчиками абсолютного і відносного тиску. При стисненні повітря...
3. Точність, настройка діапазону і безпеку
4. Вибір приладу для вимірювання тиску
5. Датчик диференціального тиску має два входи для порівняння показань тиску в двох резервуарах, але він...
6. Номенклатура вимірювальних приладів
7. Установка, розширення, техобслуговування
8. Цей датчик встановлюється з пробовідбірні краном, відсічним вентилем, установленим на короткій імпульсної...
9. Інтелектуальна діагностика
10. Датчики диференціального тиску часто використовують вентильні блоки для спрощення сполук. Вентильний...

Пристрої вимірювання тиску використовуються повсюдно, але зрозумілий принцип їх роботи?

Наша сеть партнеров Banwar

Вимірювання тиску є однією з основних діагностичних функцій в будь-якій галузі промисловості. Від нафтопереробного заводу до бульдозера вимірювання тиску стисненого повітря, гідравлічної рідини, технологічних рідин, пара або інший середовища виконується щодня і є важливим контрольованим параметром. В результаті пристрої для вимірювання тиску встановлюються повсюдно, і існує незліченна різноманітність їх варіантів. Загальний огляд технологій вимірювання тиску дозволить підібрати найкращий варіант в конкретній ситуації, хоча, звичайно, завжди є винятки з правил.

Тиск має певні параметри, які впливають на способи його вимірювання:

• Зазвичай вимірюється в одиницях сили на одиницю площі;

• Існує як в статичних, так і рухомих рідинах;

• Тиск рідини завжди вимірюється по відношенню до будь-якого іншого тиску.

У традиційних механічних Бурдона манометрах використовується вигнута закрита трубка Бурдона, яка має тенденцію до вирівнювання з підвищенням внутрішнього тиску

Два типу вимірювань тиску можна розділити на три категорії:

• Абсолютна тиск вимірюється по відношенню до абсолютного вакууму, не беручи до уваги вплив атмосферного тиску. Таке вимір в основному використовується при проведенні досліджень або проектування, але існують деякі додатки, коли знання абсолютного значення тиску необхідно для підтримки технологічного процесу. Оскільки непрактично створювати повний вакуум всередині корпусу сенсора, датчики зазвичай перетворюють значення виміряного тиску, використовуючи фіксований поправочний коефіцієнт. У більш складних пристроях використовується виміряний барометричний тиск.

• Диференціальне тиск - це тиск в одній частині судини по відношенню до іншої. Це свідчення є різницею між двома значеннями і не враховує абсолютні тиску.

• Тиск, що вимірюється датчиком, є аналогом диференціального тиску і вимірюється по відношенню до атмосферного тиску, що є найбільш поширеним методом.

Резервуар стисненого повітря оснащений датчиками абсолютного і відносного тиску. При стисненні повітря до 100 psig абсолютний тиск виявляється рівним 114,7 psia. Якщо такий резервуар помістити в вакуум, то обидва датчика покажуть ідентичні значення, оскільки відлік показань виконується щодо абсолютного вакууму

Існують дві загальновідомі одиниці виміру тиску - це psi і бар. Якщо psi все ще використовується в США, то остання метрична одиниця бар є загальноприйнятою. Бар часто замінюється Паскаль і кіло-Паскаль, оскільки такі одиниці більш зручні. Існує багато інших одиниць виміру, але вони використовуються в вузькоспеціалізованих областях. Обидві одиниці, psi і бар, мають суфікс "a" і "g", позначаючи абсолютне або відносне тиск. Якщо суфікса немає, то передбачається відносне тиск.

У традиційних механічних манометрах використовується вигнута закрита трубка Бурдона, яка має тенденцію до вирівнювання з підвищенням внутрішнього тиску.

Вимірювання диференціального тиску не визначає його абсолютного або відносного значення. Цей показник описує різницю або перепад тисків. Якщо диференціальне тиск між двома резервуарами становить 50 psi, то в резервуарах тиск може становити 10 psi і 60 psi, або 5000 psi 5050 psi. Не існує способу визначення тиску щодо атмосферного без додаткового датчика. У вимірах диференціального тиску часто використовується суфікс "d".

Традиційно механічні манометри з вигнутими трубками Бурдо-на вважаються стандартом, і вони до сих пір використовуються у величезній кількості технологічних процесів. Серед інших типів вимірювальних приладів електронні датчики тиску стрімко набирають популярність.

Точність, настройка діапазону і безпеку

На електронних приладах для вимірювання тиску і механічних манометрах точність вимірювань вказується ідентичним способом - у вигляді похибки, яка дорівнює процентному співвідношенню від діапазону вимірювань. Наприклад, манометр хорошої якості з діапазоном 0-500 psi може мати похибку ± 0,5% шкали. Це означає, що він має смугу похибки 5 psi (± 2,5 psi) в будь-якій точці на шкалі. Електронні перетворювачі і датчики мають аналогічне визначення похибки. Оскільки діапазон вимірювань пов'язаний з похибкою, дуже важливо вибрати пристрій з діапазоном, максимально близьким до фактичного робочого значенням з урахуванням стрибків тиску. Іншими словами, якщо в вашому процесі робочий тиск становить 75 psi, то краще використовувати манометр 0-100 psi, а не 0-500 psi, навіть якщо вони мають ідентичні номінальні значення похибки. Неправильний вибір діапазону вимірювань є найбільш поширеною помилкою при підборі датчика. Економні покупці вибирають один прилад для вимірювання тиску, щоб знизити до мінімуму товарно-матеріальні запаси, а потім намагаються використовувати цей прилад для широкого ряду застосувань. В результаті страждає точність вимірювань.

Деякі датчики мають власну електронну регулювання діапазону вимірювань. Наприклад, пристрій, призначений для вимірювання тиску від 0 до 500 psi, можна відрегулювати електронним способом на показання 0-300. Це допоможе розширити відповідну область показань датчика від 4 до 20 мА, але фактично не підвищить точність. Співвідношення перенастроювання діапазону в більшості випадків буде таким же, що і при повній шкалі від 0 до 500.

"Існують сенсори по 2 або 3 долари, які можна помістити в автомобільні шини і відображати показання на вашій приладової панелі. Вам не буде потрібно занадто висока точність або швидке реагування, щоб побачити, що спущена права шина, - говорить Том Райд, менеджер по продукції компанії GE-Druck. - Те ж саме можна сказати в тому випадку, якщо ви хочете мати приблизні свідчення тиску в резервуарі. У будь-якому випадку, вибір типу датчика залежить від того, наскільки критичним є сам процес ".

Віктор Міллер, фахівець по приладах Wika для вимірювання тиску, підкреслює, що розуміння процесів, що відбуваються в вимірюваному обсязі, допомагає визначити важливість діапазону вимірювань і підвищеної надійності датчика. "Його користувачі не враховують динаміку того, що відбувається всередині системи. При переміщенні рідини клапан раптово відкривається або закривається, він передає стрибок тиску, який проходить зі швидкістю звуку через систему, що може відбитися на сенсорі, або збити калібрувальні параметри ", - зазначає Віктор Міллер. Статичні процеси і стискувані рідини не вимагають такого захисту від стрибків , як це відбувається в динамічному середовищі.

Вибір приладу для вимірювання тиску

Після того, як були визначені вимоги до вимірювання тиску в конкретному випадку, можна вибрати відповідний пристрій вимірювання на підставі інших експлуатаційних параметрів, крім діапазону і похибки. У цьому випадку варто звернути увагу на наступне:

Матеріал: У приладі слід звернути увагу на матеріали компонентів, що контактують із середовищем. Існує широкий діапазон матеріалів, які дозволено використовувати в агресивних рідинах або газах. Є також широкий вибір корпусів датчика, оскільки корозійна атмосфера на об'єкті може впливати і на зовнішню частину приладу. Екзотичні матеріали досить дороги, тому при виборі слід це враховувати.

Внутрішня конфігурація: Більшість сенсорів мають внутрішні порожнини, які заповнюються технологічною рідиною при роботі. Якщо рідина неагресивна, і невеликі протікання не пошкодять пристрій, то її наявність допускається. Проте, в деяких критичних системах це заборонено. Сенсори оснащуються промивальним мембранами і мають ущільнення на внутрішній стороні, щоб запобігти просочуванню рідини і забезпечити мінімальне порушення потоку процесу. Ізолююча мембрана також є в наявності в якості допоміжного приладдя.

Датчик диференціального тиску має два входи для порівняння показань тиску в двох резервуарах, але він не може показувати тиск по відношенню до атмосферного з кожної зі сторін одночасно

Корпус: Вимоги до безпеки установки очищення стічних вод істотно відрізняються від вимог на нафтопереробних комплексах. Багато додаткові параметри датчиків повинні задовольняти вимогам експлуатації, наприклад, у вибухонебезпечних або іскронебезпечних зовнішніх умовах. Більш того, більшість компаній встановили чіткі межі за способом і місцем використання приладів. З іншого боку, якщо не стоїть питання про роботу у вибухонебезпечному середовищі, то підвищується кількість можливих варіантів датчиків. Також розміри датчика безпосередньо залежать від кількості допоміжного електронного обладнання, необхідного для зв'язку з іншими пристроями. Простий перетворювач з вихідним сигналом 4-20 мА може бути дуже компактним, тоді як інтелектуальний датчик з підключенням по шині fieldbus вимагає більше місця, оскільки він включає додаткову електричну схему.

Монтажне підключення: Вимірювальні прилади зазвичай мають різьбовий вхід для труби від 1/8 до 1/2 дюйма NPT або BSPT. Проте, існують додаткові варіанти підключення для більш спеціалізованих застосувань, включаючи гігієнічні з'єднання з трьома зажимами "Tri-clamp" та інші фланцеві з'єднання. Пристрої для вимірювання диференціального тиску часто використовують вентильні блоки для спрощення підключення.

Зв'язок: Більшість перетворювачів передають дані в форматі аналогових сигналів 4-20 мА. Якщо для будь-якого застосування використовується саме цей метод, то для забезпечення надійної передачі може знадобитися додаткова система узгодження сигналів. Датчики можуть підключатися до шини fieldbus, працювати по бездротовому зв'язку або HART протоколу.

Технологія датчиків: Існує близько 10 технологій і способів для перетворення величини тиску в масштабувати електронний сигнал, але жоден з них не є універсальним. Виробники датчиків намагаються використовувати одну або дві технології, враховуючи поєднання експлуатаційних параметрів і промисловій придатності, що дозволяє оптимізувати експлуатаційні характеристики і мінімізувати недоліки пристроїв. У технічній документації на продукцію часто навіть не згадуються використовувані технології виготовлення датчика. "Найбільш важливим є наявність достатнього досвіду роботи з певною технологією вимірювань, - коментує Аллен Худ, менеджер по продукції компанії ABB Instrumentation. - В даний час існує безліч технологій датчиків, оскільки їх можна оптимізувати під певне застосування. Можливості мікропроцесорів в інтелектуальних датчиках компенсують слабкі сторони первинних перетворювачів і дозволяють виробникам сконцентрувати увагу на інших аспектах ".

Номенклатура вимірювальних приладів

Терміни сенсор, датчик і перетворювач описують різні аспекти вимірювального приладу. Нижче наведені деякі основні допустимі опису:

Сенсор - Стандартний пристрій з мембраною і електронними компонентами для формування "сирого" сигналу. Цього недостатньо для автономної роботи, і воно продається, в основному, для постачальників комплексного обладнання, так званих OEM-компаній.

Перетворювач - Сенсор з базової електронної підтримкою для посилення і перетворення первинного сигналу в зручний формат, наприклад, 4-20 мА.

Датчик- Сенсор з найбільш вдосконаленою електронною підтримкою, здатний перетворювати параметр процесу в аналоговий або цифровий формат і передавати його через апаратні засоби або через протокол fi eldbus.

Інтелектуальний датчик - Датчик з додатковими функціями діагностики та вимірювання параметрів. Датчики на базі HART є найбільш загальним прикладом.

Вимірювальний прилад - Менш конкретний термін, який може включати і перетворювачі, і датчики, і інші пристрої.

Установка, розширення, техобслуговування

Правильність установки може мати таку ж важливість, що і вибір коректного пристрою. Датчики для вимірювання тиску зазвичай монтуються з клапаном-відсікачем, особливо в безперервних процесах. Таким чином, датчики можна калібрувати, ремонтувати або замінювати, не перериваючи процес. У ситуаціях, коли робочий режим є періодичним, це не настільки критично, і пристрій можна встановлювати безпосередньо в потік. Ділянка труби або трубопроводу, що веде до сенсора, називається імпульсної лінією і допомагає в тих випадках, коли немає достатнього простору для доступу до корпусу датчика. Проте, імпульсні лінії слід використовувати обережно:

• Імпульсна лінія повинна мати мінімальні розміри;

• Якщо в якості технологічного середовища використовується рідина, слід стравити повітря;

• Якщо потрібно, щоб висновок даних здійснювався в більш зручному місці, слід подовжити кабель, а не імпульсну лінію;

• У теплих середовищ, особливо при наявності пара, слід переконатися, що імпульсна лінія може виступати в якості сифона.

Цей датчик встановлюється з пробовідбірні краном, відсічним вентилем, установленим на короткій імпульсної лінії

Допоміжні прінадлежностімогут спростити монтаж або захистити пристрій. Існує кілька прикладів:

Запірний і підбурюючий вентиль - вентиль, що монтується на імпульсної лінії, який дозволяє стравити тиск з сенсора, як тільки відключається з'єднання з процесом.

Демпфуючий пристрій - пристрій для гальмування потоку середовища від процесу до датчика, зазвичай використовується для придушення пульсацій і продовження терміну служби пристрою. При правильному використанні показання датчика будуть коректними, при цьому не пошкоджується мембрана сенсора.

Розділова мембрана - мембрана, вмонтовується перед самим датчиком, для передачі тиску без просочування технологічної рідини в сенсор. При використанні мембрани, датчик має бути наповнений інертним рідиною, зазвичай силіконовим маслом, для передачі тиску.

Пристрій захисту від надлишкового тиску - підпружинений вентиль, який закривається у разі надлишкового тиску, запобігаючи пошкодження датчика. Використовується в тих ситуаціях, коли можливі великі скачки тиску.

Вентильний блок - пристрій, що спрощує комплексну компоновку трубопроводу для установки пристрою вимірювання диференціального тиску, зазвичай включає внутрішні вентилі для відсічення процесу, підбурювання і вирівнювання тиску.

Вимоги до техобслуговування і калібрування датчика залежать від вимог технологічного процесу і вимірювального приладу. Якісне пристрій в будь-якому застосуванні вторинної важливості може працювати багато років без особливої ​​уваги персоналу. З іншого боку, в додатках з високим пріоритетом точності вимірювань, датчики вимагають періодичного калібрування. У той же час, високоякісні перетворювачі і датчики точно калибруются на заводі виробника, а більшість підрозділів з техобслуговування на промислових об'єктах не мають такої можливості. Найчастіше спроби підвищити точність вимірювань власними силами призводять до протилежних результатів. На практиці пристрою від відомих виробників, показання яких не відповідають заводський калібрування і вимагають постійного контролю, найчастіше виявляються пошкодженими або монтуються неправильним чином, що знижує можливість передачі коректних даних.

Інтелектуальна діагностика

Інтелектуальний датчик являє собою пристрій, здатний виконувати безліч функцій, а не тільки передавати один виміряний параметр технологічного процесу. Але як це застосувати до датчика тиску? Що ще слід вимірювати?

Датчики диференціального тиску часто використовують вентильні блоки для спрощення сполук. Вентильний блок включає вентилі для ізоляції будь-якої сторони або вирівнювання внутрішнього тиску в міру необхідності. Якщо обидва відсічних клапана закриті, то датчик можна відключити від процесу, що не нацьковуючи тиск

"У разі виникнення відмови або іншої події, що вимагає втручання операторського або обслуговуючого персоналу, виникає необхідність зрозуміти причину і запобігти повтор такій ситуації, говорить Пол Шмелінг, старший менеджер з маркетингу компанії Emerson Process Management. - Оскільки вимірювальні прилади є "очима і вухами" виробництва, необхідно розширити їх функціональність для отримання більш повної картини особливостей контрольованого процесу ".

Деякі інтелектуальні функції пов'язані із здійсненням контролю над процесом і дублюють дії, які могла б виконувати АСУ. Але якщо прилад працює незалежно, то такі функції можуть мати велику важливість. Оскільки пропозиції виробників відрізняються, нижче наведено кілька прикладів таких функцій:

• Вимірювання та реєстрація моменту перевищення порога тиску;

• Рахунок сигналів тривоги і сигналів про помилки;

• Аналіз шумів в сигналі датчика, що призводять до збою;

• Вимірювання температури навколишнього середовища і технологічної рідини;

• Автоматичне коректування значення тиску для компенсації температурних змін;

• Автоматична діагностика внутрішніх електронних функцій і апаратного забезпечення;

• Налаштування аварійної сигналізації;

• Історія та графік калібрування.

Датчик може передавати цю інформацію, наприклад, за протоколом HART або fieldbus. Передача даних може бути постійною при підключенні до великої системі управління або за запитом з портативного пристрою збору даних.

В кінцевому рахунку, при виборі пристрою для вимірювання тиску або будь-якого іншого типу вимірювань найкраще спочатку зрозуміти рамки його використання. Інформація про точність, спосіб передачі та діагностики є частиною його технічних характеристик. В іншому випадку, при виборі сенсора тиску можна пропустити що-небудь важливе, в результаті чого в управлінні процесом буде відсутній критичний компонент.

Петер Веландер є редактором
Process Industries в журналі Control Engineering.
[email protected]