Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

PM11 D – snímač rozdílu tlaků se dvěma senzory

Nový snímač rozdílu tlaků PM111D je výsledkem spolupráce českého výrobce senzorů tlaku a membránových oddělovačů BHV senzory a slovenské firmy Meret, která je dlouholetým výrobcem elektronických přístrojů pro měření tlaku a teploty. Nový výrobek je modifikací digitálního tlakoměru PM111, který byl oceněn Cenou veletrhu EMA na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Nitře roku 2006. Přístroj sdružuje funkce manometru, převodníku a spínače tlaku se čtveřicí nezávisle programovatelných relé.
 

Snímače rozdílu tlaků

Z hlediska celkového uspořádání lze rozlišovat dvě koncepce snímačů rozdílu tlaků: přímou a nepřímou. U přímé koncepce je snímač tlaku konstruován tak, že účinky obou tlaků působí na membránu nebo na jiný mechanický prvek proti sobě, takže výsledný silový účinek odpovídá jejich rozdílu. Senzorický systém tudíž reaguje přímo na rozdíl tlaků.
 
V případě nepřímé koncepce je každý tlak snímán samostatně odděleným čidlem a rozdíl vzniká až porovnáním signálů z obou čidel, a to buď na úrovni analogového signálu, nebo číselným zpracováním naměřených hodnot.
 
Přímou metodu je nutné použít tam, kde je rozsah měřeného rozdílu tlaků vzhledem k velikosti obou tlaků relativně malý. V této souvislosti se obvykle používá termín rozsah měřené diference a termín statický tlak. Termín „statický tlak“ není úplně výstižný, ale rozšířil se díky tomu, že jedním z typických příkladů použití je měření rychlosti proudění rychlostními sondami (Prandtlova sonda, víceotvorová rychlostní sonda atd.), kde se rozlišuje statický tlak a dynamický tlak. Podobná terminologie je používána i u clonových měření.
 
Pro ilustraci uveďme, že při měření průtoku kapalin a plynů je obvyklé, že statický tlak je v řádu stovek kilopascalů až jednotek megapascalů, přičemž rozsah měření diference tlaků bývá o dva řády menší. Vzhledem k tomu, že se při výpočtu průtoku na základě změřené diference tlaků používá odmocninová závislost, rostou požadavky na přesnost měření rozdílu tlaků.
 
Existuje však i skupina úloh, kde je také požadováno měření rozdílu tlaků, ale rozdíl mezi statickým tlakem a velikostí měřené diference není tak propastně velký. Jsou to např.:
  • měření tlakového spádu na filtrech,
  • měření hladiny v uzavřených nádobách,
  • měření dopravního tlaku čerpadel,
  • měření tlakového spádu na výměnících,
  • měření tlakového spádu v rozvodech ústředního vytápění.
Pro tato měření je vhodná i varianta založená na dvou nezávisle pracujících čidlech. Výhodou v některých případech může být nižší cena, jindy lze těžit z toho, že každé z čidel je možné umístit přímo na měřicí místo, takže není nutné budovat impulzní potrubí nebo přenášet tlak z odběrného místa do snímače pomocí membránového oddělovače a kapiláry.
 
Právě pro tuto skupinu úloh vyvinula firma BHV senzory z Prahy společně z firmou Meret z Bratislavy snímač diference tlaků PM111 D.
 

Princip měření

Základem pro konstrukci snímače PM111 D (obr. 1) se stala standardní verze převodníku tlaku PM111. Uživateli se tak nabízí několik základních funkcí: přístroj pracuje jednak jako digitální tlakoměr, jednak jako převodník tlaku s analogovým výstupem 4 až 20 mA. Kromě toho lze využít i čtyři spínací relé s nezávisle programovatelnou mezní hodnotou. Charakteristickým znakem tohoto přístroje je digitální zpracování naměřeného signálu a možnost komunikovat prostřednictvím sériového rozhraní RS-485.
 
Snímač PM111 byl doplněn druhým, externím čidlem, jež je určeno k měření druhého tlaku a jehož software byl rozšířen o příslušné funkce tak, aby bylo možné porovnávat oba tlaky a určovat jejich rozdíl na digitální úrovni, tedy výpočtem (obr. 2). Jako externí čidlo byl použit snímač tlaku TSZ s digitálním výstupem po lince RS-485.
 
Rozdíl tlaků se zobrazuje na displeji a současně je i přes výstupní D/A převodník vysílán formou analogového signálu 4 až 20 mA (nebo jiným analogovým signálem).
 
Kromě toho může být analogovým výstupem 4 až 20 mA vybaveno i externí čidlo, což uživateli umožní využívat také informaci o statickém tlaku.
 

Přesnost měření

Základním stavebním prvkem obou snímačů, tedy jak ústřední jednotky PM111, tak i externího snímače TSZ, je kvalitní piezorezistivní čidlo tlaku ve standardním zapouzdření s oddělovací membránou z korozivzdorné oceli. Signály obou čidel jsou digitalizovány v převodníku A/D a kompenzovány na digitální úrovni, a to pro každý snímač zvlášť. Pro kompenzaci a kalibraci obou snímačů se za směrodatný výstupní signál považuje hodnota přenášená portem RS-485. Porovnáním číselných hodnot v ústředním členu se tedy dále nesnižuje přesnost nad rámec nepřesností způsobených měřením jednoho a druhého tlaku.
 
Oba snímače jsou kalibrovány a kompenzovány každý samostatně tak, aby vykazovaly přesnost lepší než 0,15 % z rozsahu měření statického tlaku. Přesnost výsledku daného součtem nebo rozdílem dvou nezávislých měření lze odhadnout na základě následujícího vzorce:
 
Ddp abs = √(D2p1abs + D2p2abs)
 
Kde Dp1abs, Dp2abs jsou absolutní přesnosti měření tlaku p1 a p2, Ddpabs je přesnost tlakové diference stanovené rozdílem p1 a p2.
 
V našem případě však nejde o dvě úplně nezávislá čidla: senzory jsou shodného typu a navíc jsou kalibrovány stejným postupem a pomocí stejného zařízení, takže průběh chyby, kterou jsou zatíženy, bude v podstatě shodný. Protože výsledek je dán rozdílem obou měření, budou se chyby do jisté míry eliminovat a výsledná chyba pravděpodobně bude menší, než popisuje uvedená rovnice, a tak lze uvedený odhad označit za pesimistický. Naprosto korektně by se vzájemná závislost obou snímačů zohlednila zavedením korelačního koeficientu, který by v tomto případě velikost pravděpodobné chyby významně snižoval.
 
Vyjádří-li se absolutní přesnost jako součin relativní chyby a měřicího rozsahu a vyjde-li se z toho, že oba snímače tlaku mají stejný rozsah a jsou stejně přesné, bude odhad přesnosti měření rozdílu tlaků po úpravě takovýto:
 
Ddp rel = √2 Dps rel (psFS/dpFS)
 
Dpssrel je přesnost měření statického tlaku (v % z rozsahu měření statického tlaku), psFS rozsah měření statického tlaku (je dán maximem skutečné hodnoty statického tlaku), dpFS rozsah měření diference tlaků (vychází z předpokládaného rozdílu mezi oběma tlaky), Ddp rel přesnost měření diference tlaků (v % z rozsahu měření diference).
 

Příklad výpočtu přesnosti

Je-li rozsah měření statického tlaku 600 kPa, přesnost obou snímačů je 0,15 % FS a rozsah měření diference bude určen jako 0 až 100 kPa, je odhad výsledné přesnosti měření diference 1,27 % z definovaného rozsahu, tedy přibližně 1,27 kPa.
 
Jde tedy o pesimistický odhad, který by použitím korelačního koeficientu mohl být významně snížen, podle našich zkušeností z praxe o třetinu až o polovinu.
 

Výhody řešení

Popsané řešení je vhodné tam, kde poměr mezi statickým tlakem a rozdílem tlaků není tak velký, aby docházelo k nepřijatelné ztrátě přesnosti. Jeho výhodou je, že oba tlaky jsou měřeny přímo v odběrných místech, takže není zapotřebí ani impulzní potrubí, ani membránové oddělovače (přenašeče tlaku) s kapilárou. V této souvislosti je třeba upozornit na skutečnost, že impulzní potrubí může být zdrojem fatálních chyb způsobených hydrostatickým tlakem sloupce kapaliny v potrubí, a tak musí být buď zcela „suché“, nebo zcela zaplněné kondenzátem, což v provozu nemusí být snadné za všech okolností zajistit; kromě toho se může zanášet či ucpávat.
 
Snímače jsou vyráběny jednak se standardním závitovým připojením obvyklým pro tlakoměry, jednak s procesním připojením s oddělovacími membránami, a to v mnoha různých provedeních. Nabízí se tak spolehlivé a cenově dostupné měření rozdílu tlaků i tam, kde jsou požadavky na sanitovatelnost, na vysokou korozní odolnost anebo kde je třeba řešit jiné problémy vyvolané specifickými vlastnostmi měřeného média, jako je jeho vysoká teplota, abrazivnost, sedimentace, tuhnutí, krystalizace apod.
 
Právě provedení s membránovými oddělovači je v případě této koncepce poměrně jednoduché a cenově dostupné, což nelze tak úplně říci o klasickém snímači rozdílu tlaků s kapilárovými přenašeči.
 
Popsaný výrobek bude prezentován na veletrhu Amper ve společné expozici firem BHV senzory, Meret a MM group ve stánku č. 8A5.
Jan Vaculík,
BHV senzory, s. r. o.
 
Obr. 1. Snímač PM111 D se skládá z externího snímače TZS (vlevo) a snímače PM111 (vpravo), který zajistí vyhodnocení naměřených hodnot a zobrazení výsledku měření
Obr. 2. Schéma principu měření rozdílu tlaků snímačem PM111 D
 

Tlakoměrové ventily pro převodníky rozdílu tlaků

Waaree je jméno potoka v indické vesnici, kde se narodil zakladatel firmy Waaree Instruments Ltd. Ta se zabývá výrobou a prodejem přístrojů pro měření tlaku a teploty. Pro doplnění informací o měření rozdílu tlaků je vhodné představit i nabídku tlakoměrových ventilů této firmy, která sahá od jednoduchých jehlových ventilů s odvzdušňovacím šroubem, přes zkušební ventily se dvěma vřeteny až po řadu tříventilových a pětiventilových armatur určených k připojování diferenčních tlakoměrů a snímačů tlaku. Zkušenému oku odborníka neunikne zřetelný rukopis, který používá u svých ventilů firma Badotherm, což ovšem vůbec není špatná vizitka, zvláště když je známo, že jmenovaná firma situovala výrobu těchto ventilů právě do Indie. Ventilů, resp. kombinovaných armatur, se nabízí přes třicet typů, a to s roztečí vstupních hrdel 38 a 54 mm, s ucpávkami z teflonu (do 240 °C) nebo z expandovaného grafitu, grafoilu (do 500 °C).
(jv)