Czujniki procesowe - część 2 z 5 - ciśnienie

Kontynuując serię artykułów na temat czujników procesowych, skupimy się tym razem na czujnikach ciśnienia. Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu, począwszy od przemysłu chemicznego, petrochemicznego, energetyki po przemysł farmaceutyczny, spożywczy i branżę wodno-ściekową. Różne wymagania poszczególnych aplikacji i branż sprawiają, że konieczne jest wykorzystywanie odmiennych rozwiązań, dobranych do konkretnych zastosowań.

Pomiary ciśnienia mają duże znaczenie w wielu procesach przemysłowych. Zmierzona wartość, podobnie jak w przypadku temperatury, może dostarczyć wielu informacji na temat przebiegu procesu, a nawet stanu maszyn realizujących proces. Dzięki pomiarowi ciśnienia można też m.in. uzyskać informacje o poziomie cieczy w zbiorniku oraz zabezpieczyć układ automatyki przed zanikiem ciśnienia lub przekroczeniem jego dopuszczalnej wartości. W zależności od sytuacji realizuje się to za pomocą różnych czujników.

Różne pomiary ciśnienia

W rzeczywistości pomiar ciśnienia bywa definiowany bardzo różnie. Najczęściej jest to pomiar nadciśnienia lub podciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego. Jeśli ciśnienie wewnątrz instalacji się nie zmienia, ale zmieni się ciśnienie atmosferyczne, wskazanie przyrządu mierzącego na tej zasadzie ulegnie zmianie. W sytuacji, gdy jest to niepożądane, należy zastosować innego rodzaju czujnik, którego przeznaczeniem jest pomiar ciśnienia bezwzględnego, tj. odniesionego do próżni. Może zaistnieć też sytuacja, w której konieczny jest pomiar różnicy w ciśnieniach dwóch ośrodków, z których żaden nie ma ciśnienia atmosferycznego. Wtedy stosuje się jeszcze inne czujniki, zbliżone do tych mierzących ciśnienie względem atmosfery, ale przystosowane do innych zakresów wartości pomiarowych oraz różniące się sposobem montażu.

Różne czujniki ciśnienia

Niemal niezależnie od rodzaju dokonywanego pomiaru ciśnienia, możliwe jest użycie różnych sensorów i przetworników pomiarowych. Sensory mogą być wykonane w bardzo różnorodny sposób. Mogą to być choćby klasyczne manometry, ale ostatnio zdecydowanie bardziej popularne są czujniki elektroniczne, często wykonane z użyciem technologii MEMS, czyli mikro-elektro-mechaniczne. Te ostatnie są dokładniejsze niż klasyczne modele i pozwalają na przesył mierzonych wartości do systemów komputerowych, gdzie zebrane dane są rejestrowane, przechowywane i wykorzystywane do sterowania procesami. Obecnie pomiary ciśnienia opierają się przede wszystkim o zjawiska tensometrię, piezorezystancję i zmiany pojemności elektrostatycznej wywołanej zbliżaniem lub oddalaniem się pod wpływem ciśnienia membrany od warstwy przewodzącej prąd, z którą tworzą kondensator.

Zakres pomiarowy dostępnych czujników rozciąga się od wartości zbliżonych do próżni idealnej do kilku tysięcy barów. Oferowane modele są dostępne w wielu różnych wykonaniach, w tym do pracy w środowiskach o dużych zakłóceniach elektromagnetycznych, dużym zapyleniu i wilgoci, w układach niskonapięciowych, w ośrodkach agresywnych chemicznie, bardzo lepkich, czy też czujniki z certyfikatem ATEX.

Dokładność pomiarów ciśnienia

Precyzja pomiarów ciśnienia zależy przede wszystkim od rodzaju zastosowanego czujnika i sensora, który się w nim znajduje. Jednakże bardzo istotne są także układy kondycjonowania sygnału, które pozwalają uniezależnić zmierzoną wartość od innych czynników zmiennych, takich jak np. temperatura. Ważna jest też linearyzacja wyników, gdyż większość sensorów nie ma w pełni liniowej charakterystyki. Znaczenie ma także zapewnienie stabilności pracy czujnika w dłuższym okresie, bez konieczności jego nazbyt częstej, ręcznej kalibracji. Dzięki odpowiednim obwodom elektronicznym udaje się uzyskać dokładność pomiaru na poziomie setnych części procenta.

Jak dobierać czujniki ciśnienia?

Elektroniczne czujniki ciśnienia, dobiera się według kilku kryteriów. Podstawowym jest zakres pomiarowy czujnika; przykładowo będzie on mniejszy dla instalacji pneumatycznych i większy dla hydraulicznych. Następnie należy określić temperaturę i rodzaj medium, którego ciśnienie będzie mierzone. To one decydują o materiałach, z których mogą być wykonany sensor i jego obudowa. Najbardziej popularne są czujniki w obudowach ze stali nierdzewnej. W przemyśle spożywczym ważne będzie, by powierzchnia czujnika była płaska i łatwa w czyszczeniu, oraz by nie uległ zniszczeniu podczas mycia ciśnieniowego.

Konieczny jest też dobór interfejsu komunikacyjnego. Najprostsze czujniki mają jedno lub dwa wyjścia przełączające, które pozwalają jedynie na sygnalizację przekroczenia określonych wartości progowych. Nieco bardziej zaawansowane modele mają popularne wyjścia prądowe lub napięciowe. Najbardziej zaawansowane wyposażone są w kilka interfejsów wyjściowych oraz obsługują komunikację sieciową. Mogą też być wyposażone w układy elektroniczne pozwalające na przetwarzanie sygnału, dzięki czemu do sterowników dokonujących z nich odczytów docierają już przetworzone, poprawne dane. Pozwala to uniknąć konieczności implementacji mechanizmu kondycjonowania sygnału w sterowniku lub komputerze przemysłowym i uprościć program sterowania.

Niekiedy przydatna może być opcja odczytu mierzonej wartości wprost z obudowy czujnika. Wtedy warto sięgnąć po czujnik z wyświetlaczem. Najczęściej będzie to prosty, cyfrowy, monochromatyczny wyświetlacz LCD, ale są też modele wyposażone w cyfrowo sterowany, ale analogowy z wyglądu wskaźnik, stylizowany na tarczę klasycznego manometru.