Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Tlumení rázů při měření tlaku

Při měření tlaku v potrubních systémech někdy vznikají tlakové rázy, jejichž následkem je přetížení tlakoměru či převodníku tlaku a jeho poškození či zničení. Příčinu rázů lze spatřovat v hmotnosti sloupce kapaliny, který se pohybuje v potrubí („vodní kladivo“) a jehož dynamický účinek může být podpořen pružností objemu plynu (vzduchu, výparů) uzavřeného v potrubním systému: dochází tak k rozkmitání hmot a k případným rezonancím.
 
Dalším nežádoucím jevem, který souvisí s dynamikou systémů vyplněných kapalinou, je kmitavý průběh tlaku. Ten sice většinou není na závadu u elektronických snímacích systémů, ale v mechanických manometrech způsobuje nadměrné opotřebení ozubených převodů. S kmitavým průběhem tlaku se lze setkat např. u hydraulických systémů s pístovými a membránovými čerpadly, u nádob s míchadly apod.
 

Zaplnění skříně manometru

Nejsnadněji lze mechanické tlakoměry ochránit tak, že se skříň vyplní glycerinem nebo silikonovým olejem. Tím se sice utlumí vibrace jednotlivých součástí převodového mechanismu a zároveň se promažou třecí plochy, ale jen částečně se omezí kmitavý pohyb vlastního deformačního členu, a už vůbec se nezabrání účinku krátkodobého přetížení tlakovou špičkou.
 

Škrcení průtoku

Účinnější ochrana tlakoměrů a převodníků tlaku spočívá v utlumení tlakového pulzu, který přichází do tlakoměru. Toho se běžně dosahuje škrcením průtoku ve vstupním hrdle přístroje. Škrticí trysku je možné vsadit přímo do vstupního hrdla tlakoměru nebo se tlumiče tlaku konstruují jako samostatný prvek, který se montuje mezi potrubí a tlakoměr.
 
Účinnost škrcení závisí na vlastnostech objemu tekutiny, která zůstává uzavřena za tlumičem. V případě, že je prostor za tlumičem neměnný a zároveň je vyplněn nestlačitelnou kapalinou, průtok škrticím členem je při změně tlaku nulový a tlakový ráz přes tento člen projde bez omezení. Podobně je tomu u RC členu v elektrických obvodech, kde k účinnému tlumení dochází, jen pokud je člen tvořen jak rezistorem, tak i přiměřenou kapacitou. Tlumení pomocí škrticího členu je proto účinné zejména tam, kde potřebnou pružnost poskytuje deformační člen tlakoměru, jako např. u přístrojů s Bourdonovým perem, se spirálovým perem nebo s membránou. Oproti tomu je účinek škrticího členu nejistý např. u snímačů tlaku s piezorezistivním čidlem, jehož membrána je velmi malá a její průhyb v podstatě nulový.
 
Pružný objem v kapalinovém systému může být představován i bublinou plynu či páry, jak je znázorněno na obr. 1. Nevýhodou ovšem je, že bublina může časem zaniknout tím, že se rozpustí v kapalině, a tudíž se výrazně sníží i účinek tlumiče.
 
Jednou z cest, jak dosáhnout co nejvyššího tlumicího účinku, je maximálně zúžit škrticí otvor. To ale s sebou nese několik nevýhod. Především hrozí, že dojde k zanešení. Tryska či kapilára se ucpe jediným zrníčkem prachu, zanesení štěrbiny či labyrintu trvá o něco déle. Další nevýhodou je proměnlivá míra tlumení v závislosti na tom, zda je v měřidle momentálně kapalina nebo plyn.
 

Škrcení průtoku v kombinaci s membránovým oddělovačem

Spolehlivým způsobem tlumení tlakových rázů je použití membránového oddělovače. Jde o člen, který se předřazuje před vlastní tlakoměr. Měřené médium působí přes oddělovací membránu na pracovní kapalinu, kterou je obvykle silikonový olej nebo jiná vhodná kapalina. Pracovní kapalina přenáší tlak do měřicího ústrojí tlakoměru nebo snímače tlaku. Měřicí přístroj samotný tedy zůstává od měřeného média izolován. Systém se zaplňuje pracovní kapalinou ve vakuu, takže náplň je za všech okolností bez bublin.
 
Membránové oddělovače obvykle nacházejí uplatnění v těch případech, kde by měřené médium mohlo poškodit měřicí ústrojí přístroje, ať už korozí, abrazí, usazováním částic, zalepením či zatuhnutím, krystalizací nebo vysokou teplotou apod., popř. tam, kde je požadována možnost systém úplně vyčistit (sanitace).
 
Co se týče tlumení, nabízí se u membránových oddělovačů možnost umístit škrticí trysku mezi oddělovač a vlastní tlakoměr. Pracovní kapalina neobsahuje žádné nečistoty, a tak je možné použít i velmi malou škrticí trysku. Kromě toho je viskozita silikonového oleje jen málo závislá na teplotě, a tak je tlumicí účinek stabilní v širokém rozsahu provozních teplot.
 
Specifickým typem membránového oddělovače, který je určen zejména k tlumení tlakových rázů, je oddělovač svařované konstrukce (obr. 2). Těleso svařovaných oddělovačů je obvykle tvořeno válcem o průměru od 32 do 50 mm; tyto oddělovače se používají pro měřicí rozsahy od 0 až 250 kPa do 0 až 60 MPa. Účinnost škrcení se upravuje jednak volbou průměru trysky, popř. kapiláry, jednak její délkou. Dalšího zvýšení škrticího účinku se dosáhne vkládáním drátku do trysky.
 
Kombinací mechanického deformačního manometru a membránového oddělovače s velmi malou škrticí tryskou lze dosáhnout velmi účinného tlumení s dobou náběhu v jednotkách až desítkách sekund.
 
Otázkou zůstává, jak zajistit potřebný účinek tlumení při použití elektronických snímačů, jejichž měřicí ústrojí nepředstavuje v podstatě žádný pružící objem, jako je tomu např. u snímačů s piezorezistivním čidlem. Vysoce účinným a spolehlivým řešením je kombinovaná sestava snímače a membránového oddělovače s deformačním manometrem, např. v uspořádání znázorněném na obr. 3 (fotografie podobné sestavy je na obr. 4).
 
U systémů, kde není požadováno extrémně velké tlumení, se obvykle spoléhá na to, že každá reálná mechanická konstrukce je aspoň trochu pružná a silikonový olej je aspoň nepatrně stlačitelný. Jestliže se tato nepatrná pružnost zkombinuje s velmi radikálním seškrcením průřezu, které použití membránového oddělovače dovolí, lze i touto cestou dosáhnout vyhovujícího tlumicího účinku. Je však třeba se smířit s tím, že účinnost tlumení v kombinaci s různými typy snímačů nelze předem stanovit, a je tedy nutné ji vyzkoušet.
 

Příklad z praxe

Membránové oddělovače byly použity pro tlumení rázů při měření piezorezistivním snímačem tlaku DMP331 v potrubních systémech se sanitačními roztoky v plnírně KEG v pivovaru Staropramen Praha. Na obr. 5 je uveden naměřený průběh tlaku v časovém úseku 6,5 s. Horní křivka ukazuje průběh naměřený nejprve při použití piezorezistivního čidla bez tlumení. V závěru průběhu je patrné rozkmitání hodnot tlaku se špičkami, při kterých docházelo k přetížení snímačů a jejich poškození. Dolní graf zachycuje průběh tlaku na identickém místě s použitím membránového oddělovače s tlumičem.
 
Membránové oddělovače a tlumiče tlakových rázů vyrábí a dodává firma BHV senzory s. r. o.
Jan Vaculík, BHV senzory
 
Obr. 1. Schéma tlakoměru se škrticím členem
Obr. 2. Svařovaný membránový oddělovač s tlakoměrem a s převodníkem tlaku
Obr. 3. Schéma tlakoměru, membránového oddělovače a senzoru tlaku
Obr. 4. Sestava tlakoměru, membránového oddělovače a převodníku tlaku
Obr. 5. Záznam průběhu tlaku na témže měřicím místě bez tlumiče (nahoře) a s tlumičem zařazeným do membránového oddělovače (dole)