Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

DC PRESS – snímače tlaku, hladiny a tlakové diference

Automa 4/2000

Ing. Jan Šilhavý,
DataCon spol. s r. o.

DC PRESS – snímače tlaku, hladiny a tlakové diference

Obr. 1.

Firma DataCon již od svého založení v roce 1991 vyvíjí a vyrábí pod souhrnným typovým označením DC PRESS průmyslové snímače pro měření přetlaku, absolutního tlaku, tlakové diference a výšky hladiny.

Snímače DC PRESS zaujímají celou škálu typů snímačů v průmyslovém provedení. Měřicím dílcem je polovodičové piezorezistivní čidlo tlaku. Od doby zavedení snímačů DC PRESS do výroby bylo realizováno již několik inovačních cyklů. Postupně byly překonstruovány mechanické díly a několikrát byly inovovány též elektronické obvody převodníků pro zpracování signálu. Modernizován byl zejména základní měřicí prvek – polovodičový tlakový senzor. Použité výrobní technologie a kvalita zpracování křemíkových čipů limitují všechny užitné vlastnosti snímačů tlaku a určují stabilitu jejich funkčních parametrů.

Pro výrobu snímačů tlaku DC PRESS jsou v současné době používány piezorezistivní senzory firmy IC Sensors z Kalifornie, senzory britské firmy Druck a senzory vlastní výroby. Všechny uvedené senzory vynikají zejména stabilitou parametrů v čase a v širokém rozsahu teplot.

Senzory firem Druck i IC Sensors jsou vyráběny s použitím nejnovějších výrobních technologií, které jsou zaměřeny na zvýšení citlivosti tlakových čipů při současném snížení nelinearity a teplotní závislosti. Čipy jsou chráněny systémem povrchových krycích vrstev proti vlivu okolního prostředí, vlhkosti a prachu a proti vlivům vnějšího elektromagnetického pole.

Tlakové senzory zhotovené z těchto čipů mají proto vynikající funkční parametry a jsou dlouhodobě stabilní. Snímače tlaku vyrobené na bázi těchto senzorů jsou provozně vysoce spolehlivé a odolné proti vnějším mechanickým, teplotním i elektrickým vlivům. Senzory firmy Druck jsou proto používány i ke stavbě přesných tlakových etalonů s přesnostmi řádu 0,01 %.

Obr. 2.

Přehled snímačů
Průmyslové snímače tlaku, absolutního tlaku, hladiny a diferenčního tlaku DC PRESS jsou vyráběny ve dvou základních typových řadách, které se liší způsobem zpracování signálu z piezorezistivního čidla:

  • snímače DC P PG (PA, PL, DP) s analogovým zpracováním výstupního signálu z čidla a analogovým proudovým nebo napěťovým výstupním signálem,
  • snímače DC I PG (PL, PA, DP) s digitálním zpracováním signálu z čidla a s digitálními korekcemi vlivu teploty a nelinearity charakteristiky. Snímače řady DC I mohou mít výstupní signál analogový (4 až 20 mA) nebo digitální (RS-485) s různými komunikačními protokoly (HART, ADAM 4000). Snímače tlaku s protokolem HART/Bell 202 jsou kompatibilní se snímači FISHER-ROSEMOUNT a pro jejich nastavení lze použít standardní komunikátor.

Snímače a záznamníky řady DC P PLI 03 (PGI 03, PUI 03) s digitálním zpracováním signálu a záznamem do vlastní paměti
Záznamníky typů PGI 03 a PLI 03 jsou jednoúčelové bateriové přístroje pro měření tlaku nebo hladiny a záznam naměřených hodnot do vlastní paměti. Jsou určeny pro autonomní práci v terénu bez trvalého spojení s centrem. Komunikace s počítačem je možná prostřednictvím rozhraní RS-232 nebo RS-485. S přístroji je dodáván obslužný software pro nastavení parametrů měření a záznamu (počátek měření a perioda, režim záznamu, offset, filtrace údaje a další), sběr dat a jejich vizualizaci. Záznamníky typu PUI 03 jsou univerzální přístroje pro záznam analogových a impulsních veličin. Jsou vybaveny až pěti analogovými a dvěma impulsními vstupy. Stejně jako u záznamníků PLI03 a PGI03 jsou dodávány včetně obslužného softwaru. K záznamníkům je možné připojit v podstatě libovolná čidla s elektrickým výstupem – snímače tlaku, výšky hladiny, rozdílu tlaků, barometrického tlaku, teploty, vlhkosti, pH, koncentrace kyslíku a jiných látek, náklonu, vibrací, průtoku atd.

Obr. 3.

Záznamník PUI03 má možnost individuálně nastavit měřicí rozsah každého analogového vstupu v rozmezí od 0 do 20 mV až od 0 do 2,5 V. Čidla s jiným výstupním signálem se připojují přizpůsobovacím členem vestavěným v konektoru. Vstupní hodnota je měřena se základním rozlišením 21 bitů. Dále je přepočtena na inženýrské jednotky pomocí polynomu druhého stupně, kterým lze současně korigovat nelinearitu měřicí charakteristiky čidla. Každý změřený údaj je označen datem a časem.

Z důvodu úspory energie a prodloužení životnosti baterií je napájení snímačů během nečinnosti záznamníku odpojeno. Napájení je spínáno až před okamžikem měření, přičemž předstih je programovatelný. Při měření kolísajících nebo rychle se měnících veličin (zvlněná hladina) lze zařadit softwarovou filtraci metodou „klouzavého okna“ ze 2 až 127 odměrů (s intervalem čtení 0,2 až 12 s).

Signál impulsního charakteru (průtok, srážky apod.) je zaznamenáván asynchronně. Každý impuls je registrován čítačem v okamžiku jeho příchodu. Maximální frekvenci impulsů lze nastavit v rozmezí od jednotek hertzů až po megahertzy. V naprogramovaný okamžik periodického měření je obsah čítače přepočítán koeficientem a poté zaznamenán do paměti.

Záznamník má kapacitu paměti 32 000 měřených hodnot. Paměť je zálohována interní baterií, při výměně hlavní baterie se proto naměřená data neztratí. Hlavní baterie vystačí podle kapacity na asi jeden rok provozu, včetně napájení vnějších čidel.

Záznamník pracuje v rozsahu teplot od –35 do +80 °C a je schopen celoročního provozu ve volném terénu. Snímače jsou připojeny vodotěsnými konektory.

Data se čtou a parametry se nastavují připojením záznamníku k počítači komunikačním kabelem prostřednictvím běžného rozhraní RS-232. Obslužný program je dodáván zdarma s každým záznamníkem. Zaznamenaná data lze zobrazit přímo v programu nebo je dále zpracovat běžným tabulkovým editorem, jako Excel, Lotus nebo Quattro. Všechny záznamníky DataCon jsou softwarově kompatibilní, a pro jejich obsluhu lze proto použít shodné programové vybavení.

S rozvojem používání bateriově napájených záznamníků vyvstala potřeba čidel s malou spotřebou energie, schopných pracovat i při nízkém napájecím napětí a v širokém rozsahu teplot. Pro tuto oblast nabízí firma DataCon snímače tlaku a výšky hladiny s nízkopříkonovými převodníky, které jsou ostatními parametry zcela rovnocenné standardním typům. Pracují s nízkým napájecím napětím, a mohou proto být napájeny z interní baterie záznamníku.

Podrobné údaje o všech vyráběných typech je možné nalézt na internetové adrese www.datacon.cz

Obr. 4.

Příklady použití v praxi
Snímače DC PRESS jsou určeny pro aplikace v průmyslu, vodárenství, dopravě, plynárenství i všech příbuzných oborech. Kromě přímé dodávky snímačů a jejich příslušenství firma nabízí též poradenskou činnost, popř. i úpravu snímačů podle zvláštních požadavků.

Současná technická úroveň přístrojové techniky umožňuje měřit i tam, kde to donedávna nebylo možné. Následující popis několika aplikací z praxe proto může být zajímavý a inspirující.

Pro měření výšky hladiny se nejčastěji používají snímače hydrostatického tlaku s vodotěsným pouzdrem, které se na speciálním kabelu ponoří přímo do měřeného média. Kromě nejběžnějších případů, kdy jde o více méně čistou vodu, lze snímače výšky hladiny DC PRESS použít i v méně obvyklých aplikacích.

Měření výšky hladiny v hlubinných vrtech
Zajímavou aplikací je použití ponorných snímačů výšky hladiny pro měření hladiny v hlubinných vrtech, kde vlivem rozpuštěných minerálních látek a plynů panují specifické korozní podmínky. Pro takové aplikace jsou navrženy a vyzkoušeny speciální materiály pouzder a funkčních částí ponorných snímačů, které koroznímu působení odolávají. Obdobné materiálové požadavky se vyskytují i v aplikacích, kdy jsou snímače použity např. k monitorování podzemních vod kontaminovaných při chemické těžbě uranu.

Měření hladiny se záznamem – hydrologický pokus na VD Gabčíkovo
Pro měření a záznam výšky hladiny vody jsou určeny jednoúčelové záznamníky s ponornou sondou a bateriovým napájením typu PLI 03.

Tyto záznamníky byly použity k měření průběhu změn výšky hladiny při hydrologickém pokusu na vodním díle Gabčíkovo.

Cílem pokusu bylo ověřit matematický model zpětné vlny, která vznikne při nouzovém odstavení všech turbín vodní elektrárny rychlouzávěry, tj. v podstatě při přerušení toku v umělém kanálu. Taková situace v minulosti na VD Gabčíkovo nastala, vzniklá vlna přesáhla výšku jednoho metru a způsobila škody na zařízení vodního díla.

Při hydrologickém pokusu bylo krátkodobě odstaveno několik turbín. V přiváděcím kanálu vznikla odrazem od hráze VD zpětná vlna. Mohutnost vlny (rozdíl hladin) a zprostředkovaně rychlost jejího šíření byly měřeny třinácti záznamníky PLI 03. Záznamníky byly rozmístěny v přiváděcím kanálu v délce 32 km. Stejným způsobem byl sledován i průběh výšky hladiny pod přehradní hrází.

Obr. 5.

Po jejich instalaci na měřicí místa byla výška hladiny měřená záznamníkem softwarově nastavena v metrech nadmořské výšky podle nivelačních bodů na březích kanálu. Tím byla zajištěna vzájemná porovnatelnost údajů z jednotlivých záznamníků. Interní čas záznamníků byl sjednocen s tolerancí ±0,1 s a počátek měření nastaven na shodnou dobu.

Vlastní měření bylo zaznamenáváno v intervalu 2 s po dobu 4,5 hodiny. Po skončení pokusu byly záznamníky demontovány a byla přečtena všechna data. Vyhodnocením byla zjištěna rychlost postupu zpětné vlny a její maximální amplituda v různých profilech koryta. Podařilo se dokonce zachytit zpětný průchod vlny odražené od volné hladiny nad horním koncem umělého kanálu.

Příprava měření si vyžádala dva dny práce na VD. Během této doby byly záznamníky namontovány do připravených pozic, zajištěny proti zcizení a poškození, znivelovány a softwarově nastaveny.

Měření tlaku v základové spáře vodního díla
Na všech větších vodních dílech, která podléhají technicko-bezpečnostnímu dohledu (TBD), se měří tlak v základové spáře hráze. Měří se obvykle jednoduchými prostředky, jako jsou mechanické ručkové manometry, z nichž obsluha údaje pravidelně čte a tlakové úrovně zaznamenává.

Logickým trendem je nahrazovat jednoduché měření systémy sběru dat. Bateriově napájený záznamník dat typu PUI03 5V ve spojení se snímači tlaku s nízkým příkonem typu DC P PG 1 je určen pro měření a záznam tlaku až z pěti míst najednou.

Záznamník průběžně předzpracovává data podle naprogramovaných podmínek. Krátkodobé přechodné děje, které jsou z hlediska TBD nejpodstatnější, jsou detailně zachyceny, objem nepodstatných dat je však redukován.

Záznamník může pracovat samostatně s bateriovým nebo síťovým napájením. Sběr dat se v tomto případě realizuje pomocí notebooku či organizéru typu Psion v intervalech daných kapacitou paměti a intervalem měření (řádově týdny až měsíce). Tento přístup je vhodný zejména pro rychlou a operativní identifikaci aktuálního stavu na vodním díle.

Záznamníky lze také propojit do sítě a po- užívat je jako koncentrátor dat pro nadřazený měřicí systém nebo pouze připojit k počítači. Propojují se jednou datovou linkou RS-485. Každý záznamník je individuálně adresovatelný, na jednu linku jich lze připojit i desítky. Je možné i dodatečně doplnit další záznamník připojením na existující linku.

Obr. 6.

Monitorování tlaku, teploty a množství proteklé vody v termálních vrtech
Výskyt termální vody není v některých geologických lokalitách ničím neobvyklým. Poměrně často jsou vrty s termální vodou využívány pro napájení bazénů a koupališť. Tlak, teplotu a množství vody odebrané z vrtu je třeba sledovat a zaznamenávat. Pro tento účel je vhodný univerzální záznamník PUI 03 5V doplněný o snímače tlaku a teploty vody a snímač impulsů z vodoměru.

Měření pórového tlaku vody v zemině
Pro sledování velikosti pórového tlaku vody v zemině se ve vodohospodářství používají snímače tlaku typu DC P PG2P ve speciálním konstrukčním provedení s vodotěsným pouzdrem.

Pouzdro je vybaveno polopropustným vstupním filtrem. Kromě snímačů pro běžnou instalaci, kdy je snímač po umístění na lokalitě zahrnut zeminou, vyrábí DataCon i zvláštní provedení pro instalaci penetrací. Vlastní snímač je usazen v penetračním hrotu, který má na boční stěně vstupní filtr a horní část krycího pouzdra je přizpůsobena koncovce penetrační tyče. Při instalaci je snímač s penetrační hrotem zatlačen do požadované hloubky. Přívodní kabel je provlečen penetračními tyčemi.

Snímače mají převodník přizpůsobený pro bateriové napájení a je možné přímo k nim připojit přenosnou ukazovací jednotku nebo programovatelný záznamník. Tak je umožněno kontinuálně měřit přímo v terénu i mimo dosah síťového napájení a bez lidské obsluhy.

Snímače tlaku s vodotěsným pouzdrem při měření sesedání podloží skládek a skrývek
Kromě běžných typů snímačů tlaku s elektrickým výstupním signálem se ve vodním hospodářství používají i snímače vybavené vodotěsným pouzdrem s krytím IP68 (obdoba ponorných sond pro měření hladiny). Tyto snímače mohou být připojeny šroubením na tlakový rozvod vody v podzemí a spolu s potrubím zasypány zeminou.

Obr. 7.

Hermetizované snímače tlaku se používají i pro měření sesedání podloží skládek a výsypek. Snímače jsou v jednotlivých měřicích bodech napojeny na potrubí položené na dno výsypky a jsou překryty ochrannou vrstvou zeminy. Nejnižší konec porubí je uzavřen, druhý konec je vyveden mimo výsypku a je ukončen pevnou instalací, která je nivelačně zaměřena. Po naplnění potrubí vodou až po nivelační značku měří jednotlivé snímače hydrostatický tlak, odpovídající výšce vodního sloupce mezi polohou snímače a nivelační značkou (hladinou v potrubí). Při poklesu dna výsypky při sesedání současně poklesávají snímače a tím se zvyšuje hydrostatický tlak. Jelikož snímače jsou na konstantní teplotě, je toto měření velmi stabilní a je možné vyhodnotit poklesy s přesností lepší než 1 mm. Pro tuto aplikaci je vhodné použít snímače s bateriovým napájením a pro měření používat přenosnou jednotku handheld s napájecí baterií a displejem, cejchovanou přímo v milimetrech výšky. Při požadavku měřit automaticky a bez obsluhy lze místo jednotky připojit záznamník.

Podobným způsobem byly hermetizované snímače tlaku použity ve spojení se speciální plochou snímací komorou k měření jednoosé napjatosti v zemině. Takto vybavené snímače byly využity při kontrolních pojezdových zkouškách zakládače v povrchovém dole či při měření tlaku zeminy za ostěním při stavbě Strahovského tunelu.

Závěr
Z uvedených příkladů je patrné, že rozvoj technických možností měřicí techniky v mnoha případech předstihl běžné požadavky technické veřejnosti. V oblasti měření tlaku a výšky hladiny existuje mnoho skrytých možností, jak zkvalitnit měřené údaje, zjednodušit jejich získávání či snížit nároky na obsluhu.

DataCon spol. s r. o.
1. pluku 12a
186 00 Praha 8
tel.: 02/231 53 97
tel. a fax: 02/231 59 42, 24 81 68 58
www.datacon.cz