Ceramika lepsza niż metal. Stabilne cele pomiarowe dla przemysłu chemicznego

Jeśli ciśnienie procesowe w ważnym reaktorze zakładu chemicznego nagle wzrasta lub spada w nieoczekiwany sposób, operator systemu z pewnością czuje jak przyśpiesza mu tętno. Co takie zdarzenie oznacza dla bezpieczeństwa systemu i zakładu? Jak wpływa na jakość produktu? Co było przyczyną wystąpienia anomalii? Spojrzenie na wartości pomiarowe, nie tylko z czujników ciśnienia zainstalowanych w reaktorze, ale także z innych sond, może dostarczyć wskazówek. Jeśli jednak temperatura, natężenie przepływu, poziom itp. mieszczą się w granicach normy, przyczyną może być uszkodzenie czujnika.

Ciśnienie w reaktorze nie jest jedynym parametrem mierzonym w przemyśle chemicznym. Monitoruje się również poziom, przepływ masowy czy stan filtrów, a wartości te często pochodzą z pomiarów ciśnienia lub różnicy ciśnień. Ciśnienie, zaraz po temperaturze, jest najczęściej mierzoną zmienną procesową w przemyśle chemicznym i parametrem ważnym zarówno dla bezpieczeństwa, jak i dla jakości produktu. Przemysł chemiczny stawia jednak trudne wyzwania przed tymi czujnikami.

Czujniki oparte na metalowych celach zawsze stanowiły podstawę technologii pomiarowej stosowanej w procesach chemicznych. Urządzenia te są zwykle wykonane ze stali nierdzewnej lub innych specjalistycznych stopów wysokiej jakości, zaprojektowanych do użytku w trudnych warunkach przemysłowych. Dzięki solidnej konstrukcji nadają się do zastosowań, w których dominuje wysokie ciśnienie i ekstremalna temperatura. Warunki procesowe i instalacyjne w przemyśle chemicznym są zróżnicowane, toteż na przestrzeni lat opracowano wiele różnych konstrukcji i technik pomiarowych. Oprócz szerokiego zakresu temperatury i ciśnienia, główną zaletą czujników metalowych jest ich odporność na ekstremalne warunki. Wadą jest jednak podatność na korozję, gdy membrana procesowa jest stale narażona na działanie agresywnych chemikaliów oraz nieuniknione starzenie się metalu, co może wyrażać się w wartościach pomiarowych i dryfcie zera. Regularna kalibracja jest koniecznością, aby utrzymać precyzyjne działanie urządzeń.

Wytrzymałe i odporne na korozję

Od lat 90. ubiegłego wieku ceramiczne czujniki ciśnienia stanowią interesującą alternatywę dla czujników wykonanych z metalu. Czujniki te charakteryzują się wyjątkową odpornością na korozję, co czyni je idealnymi do procesów chemicznych z udziałem agresywnych substancji. Ponadto ceramika gwarantuje doskonałą stabilność długoterminową i minimalny dryft, co zapewnia niezawodny pomiar przez długi czas. – Czujniki ceramiczne mogą być używane do pomiaru ciśnienia w około 60–70 % wszystkich zastosowań chemicznych, zapewniając wyraźne korzyści, ale ich właściwości wciąż nie są powszechnie znane – wyjaśnia Robin Müller, International Product Manager w firmie VEGA. Dzieje się tak, ponieważ materiał ten jest często postrzegany jako zbyt kruchy.
– To nieuzasadniona obawa. Ceramiczne ogniwa pomiarowe mają znacznie wyższą odporność na przeciążenia niż ogniwa metalowe. Podczas gdy metalowe membrany mogą nieodwracalnie odkształcać się pod wpływem bardzo wysokiego ciśnienia, ceramiczna membrana odchyla się, przylega do podstawy, a następnie idealnie wraca do swojej pierwotnej pozycji – mówi Robin Müller.

Za stosowaniem czujników ceramicznych przemawiają także inne argumenty. Podczas gdy metalowe cele pomiarowe wykorzystują olej jako medium transmisyjne, które w przypadku pęknięcia membrany może wyciekać do procesu, ceramiczne cele pomiarowe są całkowicie suche, tj. nie zawierają oleju wypełniającego. Działają w sposób podobny do kondensatora – elektrody pomiarowe osadzone w membranie i w korpusie, wraz z powietrzem jako dielektrykiem, tworzą pole elektryczne. Nacisk na ceramiczną membranę powoduje niewielkie ugięcie, które zmienia wartość pojemności. Ciśnienie można następnie obliczyć na podstawie fabrycznie skalibrowanej wartości pojemności. – W przeciwieństwie do membran metalowych, których dotyczy zmęczenie materiału, membrany ceramiczne z natury zawsze powracają do punktu zerowego i dlatego wykazują bardzo wysoką stabilność długoterminową. Z tego względu czujniki zazwyczaj wymagają jedynie niewielkiej rekalibracji lub nie potrzebują jej wcale. Jest to szczególnie korzystne w przypadku zastosowań w warunkach wysokiej próżni – wyjaśnia Robin Müller.

Odporność na trudne warunki procesowe

Ceramiczna cela pomiarowa CERTEC firmy VEGA stanowi podstawę dla czujników VEGABAR. W precyzyjnym procesie produkcyjnym membrana i korpus z ceramiki z tlenku glinu o ultrawysokiej czystości są pokrywane złotymi obwodami i łączone za pomocą szklanego lutu w wysokiej temperaturze, tworząc celę pomiarową.

Około 10 lat temu eksperci ds. metrologii w firmie VEGA znaleźli sposób, aby skutecznie wyeliminować wcześniejszą wadę ceramicznych czujników ciśnienia, którą wykazywały w porównaniu do metalowych cel pomiarowych – wiązało się to z poprawą odporności czujników ceramicznych na skoki temperatury i wilgoć. Poza pomiarem temperatury procesowej w korpusie, który kompensuje wpływ temperatury na mierzoną wartość ciśnienia, drugi czujnik temperatury umieszczony z tyłu ceramicznej membrany pozwala szybciej wykryć nawet najmniejsze zmiany temperatury. Ostatecznie algorytm wbudowany w elektronikę czujnika zapewnia kompensację szoków temperaturowych. – Wartości z tego stosunkowo czułego pomiaru temperatury są również dostępne jako oddzielny sygnał i mogą być wykorzystane – mówi Robin Müller.

W zastosowaniach, w których występuje wysoka próżnia lub wodór, czujniki ceramiczne sprawdzają się znacznie lepiej niż metalowe cele pomiarowe wypełnione olejem. Wynika to z faktu, że temperatura wrzenia cieczy spada w próżni, co oznacza, że olej w celi pomiarowej może zacząć wrzeć w temperaturze niższej niż temperatura wrzenia atmosferycznego, co z kolei może powodować powstawanie pęcherzyków wewnątrz celi. W zastosowaniach związanych z wodorem w grę wchodzi inny efekt – cząsteczki najmniejszego pierwiastka chemicznego mogą przenikać przez metale, a cienka membrana metalowej celi pomiarowej nie jest wyjątkiem. – Jeśli wodór dyfunduje przez membranę, wchodzi w reakcję z olejem znajdującym się za metalową membraną. Powoduje to gromadzenie się wodoru, co prowadzi do trwałych niedokładności w wynikach pomiarów – mówi Robin Müller. Ponadto wodór łączy się w stali z węglem, powodując wzrost kruchości materiału. – Nie dzieje się tak w przypadku ceramicznych cel pomiarowych, a nawet gdyby wodór dostał się do celi pomiarowej, nie spowodowałby uszkodzeń. Ceramiczne czujniki ciśnienia są zatem idealne do stosowania w produkcji wodoru za pomocą elektrolizy, która w przeciwieństwie do poprzednich zastosowań wysokociśnieniowych działa przy niskich ciśnieniach – mówi przedstawiciel VEGA.

Bezpieczeństwo w przypadku toksycznych mediów

Innym ważnym obszarem zastosowań w przemyśle chemicznym jest pomiar agresywnych i toksycznych gazów. Szczególnie ważny jest tutaj wysoki poziom bezpieczeństwa. Zwłaszcza w przypadku aplikacji z fosgenem, planiści i operatorzy często preferują ceramiczną celę pomiarową i chętnie rezygnują z czujników z wypełnieniem olejowym. VEGA sprawdza się tutaj – jak również w aplikacjach, w których występują agresywne kwasy i zasady – z jednej strony dzięki tworzywom sztucznym o wysokiej odporności, ale także dzięki tzw. drugiej linii obrony. Komora pomiarowa i komora elektroniki są oddzielone gazoszczelnym, szklanym przepustem. Specjalista w dziedzinie pomiaru ciśnienia i poziomu oferuje tę funkcję bezpieczeństwa dla urządzeń z serii VEGABAR 82 i VEGABAR 83. Inną interesującą funkcją jest zastosowanie wzmocnionej szczelności układu pomiarowego do pomiaru ciśnienia względnego.

Pomiar różnicy ciśnień jest również ważny w pomiarach przepływu, poziomu i ciśnienia w zbiorniku w procesach chemicznych. Jest on stosowany np. do pomiaru poziomu w zbiorniku ciśnieniowym. Jest również powszechnie stosowany do pomiaru przepływu za pomocą kryz lub monitorowania filtrów czy wymienników ciepła przez porównanie ciśnienia przed i za nimi. W tym celu zwykle stosuje się czujnik różnicy ciśnień, którego cela pomiarowa jest podłączona do procesu za pomocą rurek impulsowych.

– W codziennej pracy rurki impulsowe ciągle sprawiają problemy – mówi Robin Müller. Przykładowo zimą ciecze lub kondensat mogą zamarzać w rurkach i blokować je. W przypadku rurek impulsowych wypełnionych cieczą pomiar może być niedokładny z powodu wnikania gazu, ponieważ w przeciwieństwie do cieczy gazy są ściśliwe. VEGA rozwiązuje ten problem przez zastosowanie dwóch oddzielnych, elektronicznie połączonych czujników. Pozwala to na pomiar różnicy ciśnień bez konieczności stosowania skomplikowanych i podatnych na uszkodzenia linii impulsowych.

Wnioski

Ceramiczne cele pomiarowe są wysokowydajną alternatywą dla metalowych czujników ciśnienia, również w przemyśle chemicznym. Za ich stosowaniem w wymagających aplikacjach w przemyśle przemawiają takie korzyści, jak wysoki poziom bezpieczeństwa czy długoterminowa niezawodność.

Armin Scheuermann
inżynier chemik, niezależny dziennikarz
VEGA Polska sp. z o.o.
ul. Jaworska 13, 53-612 Wrocław
tel. 71 747 76 00

źródło: Automatyka 7-8/2024