Snímače tlaku – principy, vlastnosti a použití (část 4)

Karel Kadlec
 

6. Inteligentní převodníky tlaku

Inteligentní převodníky, v cizojazyčné literatuře často označované jako smart převodníky, se používají nejen se senzory tlaku (hovoří se o inteligentních převodnících tlaku), ale i se senzory dalších provozních veličin. Ačkoliv se inteligentní převodníky jednotlivých měřených veličin v detailech liší, mají mnoho vlastností společných. U inteligentních převodníků tlaku se využívají senzory s elektrickým principem převodu a zpracování signálu je charakterizováno použitím mikroprocesorů a miniaturních elektronických obvodů, které jsou určeny pro ukládání důležitých údajů do paměti. Jde o údaje o měřicím rozsahu, kalibraci, nastavení mezních hodnot pro signalizaci apod. Začleněním mikroprocesoru do vyhodnocovacího obvodu se dosáhne zvýšení nejen přesnosti, ale i přizpůsobivosti (flexibility) a univerzálnosti přístroje. Software využívaný pro řízení procesu měření umožňuje také automaticky diagnostikovat funkceschopnost zařízení, ukládat naměřené údaje do paměti, vyhodnocovat extrémní i průměrné hodnoty atd. Důležitou vlastností inteligentních převodníků je jejich konfigurovatelnost podle požadavků uživatele. K dálkovému přenosu lze využít podle přání unifikovaný analogový či digitální signál.
Schéma inteligentního převodníku tlaku je na obr. 36. Senzor tlaku reaguje na změnu tlaku v závislosti na principu např. změnou odporu nebo kapacity. Tato změna je transformována na změnu napětí, které je zesíleno v zesilovači na požadovanou úroveň. Vztah mezi měřeným tlakem a změnou napětí je obecně nelineární a velikost signálu je ovlivněna také změnami teploty. Napěťové signály úměrné tlaku a teplotě vstupují přes multiplexor do A/D převodníku, poskytujícího číslicový signál úměrný vstupním napěťovým signálům a dále zpracovaný mikroprocesorem podle zadaného programu a nastavených konstant (v závislosti na požadovaném měřicím rozsahu a požadovaném výstupním signálu). V případě, že se inteligentní převodník využívá k měření polohy hladiny (hydrostatické hladinoměry) nebo k měření průtoku (měření rozdílu tlaků na škrticím prvku), je program přizpůsoben pro výpočet dané konkrétní veličiny v požadovaných inženýrských jednotkách. Výstup z mikropočítače je veden do D/A převodníku, který spolu s napájecím zdrojem poskytuje unifikovaný analogový výstup 4 až 20 mA. Indikační přístroj zapojený v proudové smyčce funguje jako ukazatel aktuální hodnoty analogového výstupního signálu. Měřená hodnota je také transformována prostřednictvím obvodu digitální komunikace na sériový číslicový výstup např. při použití protokolu HART, podle kterého je na analogový signál superponován signál frekvenčně závislý. Jde o sinusový signál dvou odlišných frekvencí (2,2 kHz a 1,2 kHz), kdy jedna frekvence u binárního signálu odpovídá logické nule a druhá logické jedničce. Frekvenčně modulovaný signál o amplitudě obvykle 0,5 mA je superponován na analogový proudový signál 4 až 20 mA. Převodník a operátor komunikují prostřednictvím ručního komunikátoru, který může být připojen v libovolném místě proudové smyčky, ve které musí být vložen rezistor o hodnotě 230 až 1 100 Ω. Komunikace je možná oběma směry, tj. komunikátor může např. vyslat požadavek na změnu měřicího rozsahu a přijmout informaci potvrzující, že rozsah je změněn.
Elektronika a softwarové vybavení inteligentního převodníku mohou zajišťovat základní diagnostiku čidla a měřicích obvodů, digitalizaci signálu, řízení měřicího algoritmu, úpravu převodní charakteristiky čidla, automatickou kalibraci, automatickou korekci systematických chyb a korekci vlivu ovlivňujících veličin, úpravu signálu pro číslicovou komunikaci apod. Jako rozhraní pro komunikaci inteligentních převodníků se nejvíce rozšířil protokol HART, který se u provozních přístrojů stal de facto standardem. Protokol HART umožňuje komunikovat až patnácti různým převodníkům s jedním komunikátorem v jedné napájecí smyčce.
Typické pro inteligentní převodníky je umístění senzoru a elektronických obvodů v těsné blízkosti do společného pouzdra.
Zkrácení spoje mezi senzorem a měřicími obvody spolu s číslicovou komunikací přispívá k potlačení mnoha rušivých vlivů. Inteligentní převodníky také vykazují zlepšené metrologické parametry. Například nejistota u inteligentních převodníků dosahuje hodnot menších než ±0,1 %, zatímco u konvenčních převodníků to je asi ±0,25 %. Inteligentní převodníky lze identifikovat adresami, na dálku je diagnostikovat a nastavovat jejich parametry. Všech uvedených vlastností lze dosáhnout využitím moderní techniky a díky miniaturizaci elektronických obvodů. Naproti tomu však také rostou požadavky na kvalifikaci pracovníků údržby a jejich vybavení přístroji. Moderní provozní snímače tlaku s různými senzory, již ukázané na obr. 17, obr. 18, obr. 26, obr. 27 a obr. 35, jsou současně příklady inteligentních převodníků tlaku.
Pro některé úlohy jsou k dispozici bezdrátové převodníky, které se nepřipojují kabely, ale mají zabudovanou rádiovou stanici, která vysílá a přijímá radiofrekvenční signál. Oblasti vhodné pro použití těchto převodníků jsou tam, kde náklady na novou kabeláž přesahují rozumné hranice. Uplatnění mohou najít i u rotačních strojů a zařízení, kde nelze použít kabelové vedení. Příklad inteligentního převodníku tlaku s bezdrátovým komunikačním rozhraním je na obr. 37.
Inteligentní převodníky mají téměř nepostřehnutelný drift nuly a časové intervaly mezi jednotlivými kontrolami jejich kalibrace jsou výrazně delší než u klasických přístrojů. Zatím jsou dražší, ale současně představují moderní technické prostředky pro řízení technologického procesu.
 

7. Elektrické tlakoměry pro extrémní tlaky

K měření velmi malých absolutních tlaků (velkého vakua) se v průmyslu používají zejména Piraniho vakuometr a ionizační vakuometry, k měření velkých přetlaků odporové tlakoměry.
Tepelněvodivostní (Piraniho) vakuometr (obr. 38) využívá závislost tepelné vodivosti plynu na absolutním tlaku v rozmezí 100 Pa až 1 · 10–4 Pa. Ve skleněné nádobce propojené s prostorem, v němž se měří tlak, je zatavena platinová spirálka vyhřívaná konstantním proudem na teplotu 200 až 300 °C. Molekuly plynu přítomné v měřicí komoře ochlazují žhavený odporový drátek v důsledku tepelné vodivosti. Spirálka je zapojena do jednoho ramene Wheatstoneova můstku, do jehož druhého ramene je zapojena podobná spirálka umístěná v evakuované srovnávací komoře. Měřítkem absolutního tlaku je teplota spirálky v měřicí komoře, která se vyhodnocuje jako změna odporu zapojeného do Wheatstoneova můstku. Piraniho vakuometr nelze použít pro měření absolutních tlaků nad 100 Pa, protože při větších tlacích se tepelná vodivost plynu s tlakem téměř nemění.
Ionizační vakuometry využívají elektrickou ionizaci molekul v měřeném prostředí a jsou vhodné pro měření extremně malých absolutních tlaků až do 1 · 10–10 Pa. Využívají se v nich různé způsoby ionizace (termoemise, radioaktivní zdroj, doutnavý výboj). Při použití termoemise je principem otevřená elektronka trioda, do jejíhož prostoru se přivádí plyn, jehož absolutní tlak se měří (obr. 39). Elektrony emitované z katody a přitahované anodou při srážce s molekulami zbytkového vzduchu z nich vyrážejí elektrony. Takto ionizované molekuly vzduchu jsou přitahovány záporným předpětím na mřížku a generují mřížkový proud Ig přímo úměrný počtu molekul zbytkového plynu, u nichž dochází ke kolizi s elektrony. Měřítkem absolutního tlaku je tedy velikost mřížkového proudu.
Velké přetlaky řádu jednotek gigapascalů se měří odporovými snímači tlaku, založenými na principu přímého působení tlaku na cívku s odporovým drátem. Snímač je vytvořen jako silnostěnná komora naplněná olejem, v níž je umístěna cívka s navinutým odporovým drátem. Materiál drátu je volen tak, aby pokud možno nevykazoval závislost odporu na teplotě (např. manganin nebo konstantan). Pod vlivem velkého tlaku přiváděného do měřicí komory zmenšuje odporový drát svůj objem a jeho elektrický odpor roste.
 

8. Zabudování provozních tlakoměrů

Při měření statického tlaku je nutné volit místo jeho odběru tak, aby měřený tlak nebyl zkreslován dynamickou složkou tlaku proudícího prostředí. Odběrové místo na potrubí musí být dostatečně vzdáleno od rušivého vlivu armatur (ventily, kolena apod.); obvykle postačí vzdálenost rovná desetinásobku průměru potrubí. Stěna potrubí v místě odběru musí být hladká a odběrová trubka nesmí zasahovat dovnitř potrubí (obr. 40). U potrubí uloženého vodorovně a šikmo se tlak plynů odebírá v horní části potrubí, tlak kapalin z boku potrubí. Předchází se tím zanášení odběrů nečistotami nebo kondenzátem. Při teplotě měřeného média nepřesahující maximální povolenou hodnotu instalovaného snímače tlaku se přístroj umísťuje co nejblíže k provoznímu potrubí.
Při měření na dálku se propojuje tlakoměr s místem odběru signálním potrubím (často nevhodně označovaným jako impulzní potrubí). Doporučuje se potrubí o světlosti 6 až 10 mm. Signální potrubí nemá mít ostré ohyby a má být položeno tak, aby se zabránilo usazování kondenzátu při měření tlaku plynů a par nebo vytváření parních nebo plynových bublin při měření tlaku kapalin. Proto musí mít signální potrubí vždy určitý spád, přičemž na jeho nejníže, popř. nejvýše položeném místě musí být instalovány odkalovací, popř. odvzdušňovací ventily. Délka signálního potrubí by neměla být větší než asi 50 m.
Při měření tlaku vodní páry při vysokých teplotách je třeba zajistit, aby se pára nedostala do tlakoměru, který by se tím poškodil. Před tlakoměr se proto zařazuje kondenzační nádobka nebo kondenzační smyčka (obr. 40).
Při měření tlaku agresivních látek se používají oddělovací nádobky naplněné oddělovací kapalinou anebo se oba prostory oddělují vhodnou oddělovací membránou (obr. 41). Jako kapalinová náplň se používá silikonový nebo minerální olej, jedlý olej (v potravinářství), glycerin nebo směs glycerinu a vody. Membrána přicházející do styku s agresivní látkou bývá vyrobena z ušlechtilého materiálu (tantal, zirkon, titan), korozivzdorných slitin (Hastelloy, Monel) nebo je chráněna teflonem apod. Tuhost membrány nesmí v určeném pracovním rozsahu zkreslovat měřený tlak.
Membránové oddělovače se používají v těch případech, kdy není přípustné, aby měřené médium přišlo do kontaktu s měřicím ústrojím tlakoměru. Měřený tlak působí přes membránu na pracovní kapalinu, která vyplňuje prostor za membránou a přenáší tlak do prostoru snímače. Rozměry membrány se volí tak, aby její tuhost nezkreslovala měřený tlak nad rámec přípustných chyb. Základním předpokladem dlouhodobého a spolehlivého provozu je dokonalé utěsnění prostoru vyplněného pracovní kapalinou. Nejvhodnější jsou oddělovače využívající kovovou membránu přivařenou k tělesu oddělovače. Membránové oddělovače s chladicím nástavcem (obr. 42) se používají např. při měření tlaku médií při vysokých teplotách anebo při měření tlaku tavenin, které by mohly zatuhnout uvnitř snímače. Měřený tlak se přenáší pracovní kapalinou přes kapiláru ochlazovanou vnějším prostředím, a chladicí nástavec tak zabraňuje nežádoucímu ohřívání snímače tlaku. Při použití vysokoteplotního oleje umožňuje chladicí nástavec měřit tlak médií o teplotě až do 400 °C.
Membránové oddělovače ovšem mohou být i zdrojem chyb souvisejících s nevhodnou velikostí a tuhostí membrány a také s tepelnou roztažností kapalinové náplně.
 

9. Kalibrace provozních snímačů tlaku

Funkci provozních tlakoměrů je třeba pravidelně kontrolovat. Pro kalibrační kontrolu statických charakteristik se volí absolutní nebo srovnávací metoda. Při absolutní metodě se dříve používal do tlaku 0,2 MPa hydrostatický nebo zvonový tlakoměr, pro větší tlaky pístový tlakoměr. V současné době jsou k dispozici velmi přesné pístové tlakoměry zjišťující tlaky již od stovek pascalů. Například pístový tlakoměr Ruska, model 2465 (DataCon MSI), pracuje jako primární etalon s nejistotou 0,0015 % z naměřené hodnoty a vyrábí se pro rozsahy od 170 kPa do 7 MPa.
Při srovnávací metodě se používají etalonové tlakoměry. V minulosti to bývaly přesné deformační tlakoměry, které jsou v současné době nahrazovány velmi přesnými digitálními tlakoměry s křemíkovou membránou s piezorezistivními senzory anebo tlakoměry s kapacitním nebo rezonančním senzorem. Výhody moderního digitálního referenčního tlakoměru oproti klasickým etalonovým deformačním manometrům lze shrnout takto:
  • větší přesnost (nejistota obvykle lepší než ±0,01 %),
  • snazší čitelnost a větší rozlišení zobrazené hodnoty,
  • možnost kompenzace vlivu teploty,
  • odolnost proti mechanickým vibracím i přetížení tlakem,
  • možnost komunikace s počítačem a možnost automatického záznamu měřených hodnot, průměrů, odchylek apod.
Příklad referenčního digitálního tlakoměru je na obr. 43.
Tlakoměry se kalibrují podle příslušných předpisů a souvisejících norem, které určují rozsah a způsob vykonání jednotlivých zkoušek a zjišťování metrologických parametrů. Kalibrace tlakoměrů spočívá v porovnání indikace etalonu tlaku a kalibrovaného snímače tlaku. Při kontrole kalibrace se kontrolovaný přístroj postupně zatěžuje tlakem rostoucím až na maximální hodnotu a následně se tlak postupně zmenšuje na hodnotu odpovídající nulové značce. Zkušební body musíbýt rovnoměrně rozděleny po celé stupnici a počet bodů proměřované charakteristiky je závislý na udávané přesnosti přístroje. U přístrojů třídy přesnosti 0,1 až 0,6 se kalibruje minimálně v deseti bodech, u méně přesných přístrojů v pěti bodech měřicího rozsahu. Jedním z kontrolovaných bodů musí být koncový bod rozsahu.
Zařízení pro kalibraci snímačů tlaku by mělo zajišťovat tyto funkce:
  • jednoduché mechanické připojení kalibrovaného tlakoměru,
  • generování kalibračního tlaku s možností jemného a stabilního nastavení požadované úrovně,
  • měření nastaveného tlaku s přesností odpovídající metrologickým požadavkům (nejistota etalonového měřidla musí být v každém měřeném bodě lepší než nejistota kalibrovaného přístroje; požadovaný poměr je obvykle roven dvěma nebo větší),
  • při kalibraci snímačů s elektrickým výstupem musí zařízení umožňovat připojení vhodného napájecího napětí a měření elektrických výstupních signálů kalibrovaného snímače s potřebnou přesností.
Důležitou součástí kalibračního zařízení je soustava, která umožňuje generovat kalibrační tlak. K hrubému nastavení tlaku se obvykle používá ruční pumpa, jemně se tlak nastavuje šroubem ovládajícím píst. Příklad laboratorního kalibrátoru vybaveného ruční pumpou je na obr. 44.
Moderní typy kalibrátorů mohou plnit ještě další funkce, jako např. ukládat naměřené údaje do paměti, komunikovat s počítačem apod. Kalibrátor vybavený mikropočítačem může programově realizovat také mnoho užitečných funkcí, jako je automatické nastavování hodnot kalibračního tlaku, zobrazování průběhu tlaku v čase, analýza chyb, tisk protokolu atd.
Moderní typy kalibrátorů mohou plnit ještě další funkce, jako např. ukládat naměřené údaje do paměti, komunikovat s počítačem apod. Kalibrátor vybavený mikropočítačem může programově realizovat také mnoho užitečných funkcí, jako je automatické nastavování hodnot kalibračního tlaku, zobrazování průběhu tlaku v čase, analýza chyb, tisk protokolu atd.
Pro kalibraci přímo v provozu se používají přenosné kalibrátory. Nejistota takových přístrojů obvykle bývá lepší než ±0,1 % z rozsahu. Existují kalibrátory obsahující různé systémy pro ruční nastavení kalibračního tlaku a popř. vypouštěcí ventil pro rychlé nastavení nulového tlaku. Hydraulická soustava může být plněna vodou nebo minerálním olejem a je schopna vyvinout tlak až 40 MPa. Přenosný kalibrátor značky Ametek (Tectra) včetně digitálního tlakoměru je na obr. 46. Na obr. 47 je ukázán poměrně jednoduchý ruční zdroj podtlaku a přetlaku ComboPump od firmy Crystal Engineering (D-Ex Limited): na pumpě, která pracuje se vzduchem, jsou dvě přípojky tlaku, jedna pro etalonový tlakoměr a druhá pro zkoušený přístroj. S pumpou lze vyvodit tlak od −85 do +2 000 kPa.
 

10. Výběr vhodného typu snímače tlaku

Při výběru snímače tlaku je třeba zvažovat mnoho kritérií. Patří mezi ně charakter měřeného média, podmínky měření teplota, vibrace technologického zařízení), potřebný měřicí rozsah, linearita, přesnost, opakovatelnost, způsob zpracování výstupního signálu (místní ukazování, dálkový přenos, komunikace s počítačem), montáž měřidla, servis a údržba přístroje, finanční náklady. Důležitý je účel měření, protože jiné budou požadavky na orientační měření bez požadavků na přesnost, jiné na snímač v regulačním obvodu s požadavkem přesného udržovaní tlaku v provozní aparatuře. Orientovat se v základních přednostech i nedostatcích jednotlivých typů snímačů tlaku napomůže tab. 2.
 
Poděkování
Práce vznikla s podporou výzkumného záměru MSM 6046137306.
 
Literatura:
[1] Měřidla tlaku – Terminologie. ČSN EN 472, ČNI 1996.
[2] ALTMANN, W.: Practical Process Control for Engineers and Technicians. Elsevier, Amsterdam, 2005.
[3] BENTLEY, J. P.: Principles of Measurement Systems. Pearson Education Limited, 2005.
[4] DYER, S. A.: Survey of Instrumentation and Measurement. John Wiley & Sons, 2001.
[5] CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. STU Bratislava, 1999.
[6] JENČÍK, J. – VOLF, J.: Technická měření. Vydavatelství ČVUT Praha, 2003.
[7] MIKAN, J.: Měření plynu. GAS s. r. o., Říčany u Prahy, 2003.
[8] LI P TÁK, B. G.: Intrument Engineers’ Handbook. Chilton Book Company, Pensylvania, 1993.
 
Internetové odkazy:
 
Karel Kadlec,
ústav fyziky a měřicí techniky
VŠCHT Praha
 
Obr. 36. Blokové schéma inteligentního převodníku tlaku
Obr. 37. Převodník tlaku s bezdrátovým komunikačním rozhraním (BD Sensors)
Obr. 38. Piraniho vakuometr: a) uspořádání měřicí komory, b) schéma zapojení
Obr. 39. Ionizační vakuometr: a) schéma, b) příklad uspořádání
Obr. 40. Kondenzační smyčky
Obr. 41. Oddělovací nádobky
Obr. 42. Příklad provedení oddělovací membrány s chladičem (BHV Senzory)
Obr. 43. Referenční digitální tlakoměr (Tectra)
Obr. 44. Pístový laboratorní kalibrátor tlaku (Ametek; Tectra)
Obr. 45. Laboratorní kalibrátor tlaku s křemennou Bourdonovou trubicí (Ruska; Data-Con MSI)
Obr. 46. Přenosný kalibrátor tlaku značky Ametek (Tectra)
Obr. 47. Ruční zdroj tlaku ComboPump (D-Ex Limited)
 
Tab. 2. Přednosti a nedostatky vybraných typů tlakoměrů a snímačů tlaku