Особенности измерений давления

Устройства измерения давления используются повсеместно, но понятен ли принцип их работы?

Измерение давления является одной из основных диагностических функций в любой отрасли промышленности. От нефтеперерабатывающего завода до бульдозера измерение давления сжатого воздуха, гидравлической жидкости, технологических жидкостей, пара или другой среды выполняется ежедневно и является важным контролируемым параметром. В результате устройства для измерения давления устанавливаются повсеместно, и существует бесчисленное разнообразие их вариантов. Общий обзор технологий измерения давления позволит подобрать наилучший вариант в конкретной ситуации, хотя, конечно, всегда существуют исключения из правил.

Давление имеет определенные параметры, которые влияют на способы его измерения:

• Обычно измеряется в единицах силы на единицу площади;

• Существует как в статических, так и движущихся жидкостях;

• Давление жидкости всегда измеряется по отношению к какому-либо другому давлению.

В традиционных механических Бурдона манометрах используется изогнутая закрытая трубка Бурдона, которая имеет тенденцию к выпрямлению по мере повышения внутреннего давления

Два типа измерений давления можно разделить на три категории:

• Абсолютное давление измеряется по отношению к абсолютному вакууму, не принимая во внимание влияние атмосферного давления. Такое измерение в основном используется при проведении исследований или проектирования, но существуют некоторые приложения, когда знание абсолютного значения давления необходимо для поддержания технологического процесса. Поскольку непрактично создавать полный вакуум внутри корпуса сенсора, датчики обычно преобразуют значения измеренного давления, используя фиксированный поправочный коэффициент. В более сложных устройствах используется измеренное барометрическое давление.

• Дифференциальное давление — это давление в одной части сосуда по отношению к другой. Это показание является разностью между двумя значениями и не учитывает абсолютные давления.

• Давление, измеряемое датчиком, является аналогом дифференциального давления и измеряется по отношению к атмосферному давлению, что является наиболее распространенным методом.

Резервуар сжатого воздуха оснащен датчиками абсолютного и относительного давления. При сжатии воздуха до 100 psig абсолютное давление оказывается равным 114,7 psia. Если такой резервуар поместить в вакуум, то оба датчика покажут идентичные значения, поскольку отсчет показаний выполняется относительно абсолютного вакуума

Существуют две общеизвестные единицы измерения давления — это psi и бар. Если psi все еще используется в США, то последняя метрическая единица бар является общепринятой. Бар часто заменяется паскалями и кило-паскалями, поскольку такие единицы более удобны. Существует много других единиц измерения, но они используются в узкоспециализированных областях. Обе единицы, psi и бар, имеют суффикс „a" и „g", обозначая абсолютное или относительное давление. Если суффикса нет, то предполагается относительное давление.

В традиционных механических манометрах используется изогнутая закрытая трубка Бурдона, которая имеет тенденцию к выпрямлению по мере повышения внутреннего давления.

Измерение дифференциального давления не определяет его абсолютного или относительного значения. Этот показатель описывает разность или перепад давлений. Если дифференциальное давление между двумя резервуарами составляет 50 psi, то в резервуарах давление может составлять 10 psi и 60 psi, или 5000 psi 5050 psi. Не существует способа определения давления относительно атмосферного без дополнительного датчика. В измерениях дифференциального давления часто используется суффикс „d".

Традиционно механические манометры с изогнутыми трубками Бурдо-на считаются стандартом, и они до сих пор используются в огромном количестве технологических процессов. Среди других типов измерительных приборов электронные датчики давления стремительно набирают популярность.

Точность, настройка диапазона и безопасность

На электронных приборах для измерения давления и механических манометрах точность измерений указывается идентичным способом — в виде погрешности, равной процентному соотношению от диапазона измерений. Например, манометр хорошего качества с диапазоном 0-500 psi может иметь погрешность ±0,5% шкалы. Это означает, что он имеет полосу погрешности 5 psi (±2,5 psi) в любой точке на шкале. Электронные преобразователи и датчики имеют аналогичное определение погрешности. Поскольку диапазон измерений связан с погрешностью, очень важно выбрать устройство с диапазоном, максимально близким к фактическому рабочему значению с учетом скачков давлений. Другими словами, если в вашем процессе рабочее давление составляет 75 psi, то лучше использовать манометр 0-100 psi, а не 0-500 psi, даже если они имеют идентичные номинальные значения погрешности. Неправильный выбор диапазона измерений является наиболее распространенной ошибкой при подборе датчика. Экономные покупатели выбирают один прибор для измерения давления, чтобы снизить до минимума товарно-материальные запасы, а затем стараются использовать этот прибор для широкого ряда применений. В результате страдает точность измерений.

Некоторые датчики имеют собственную электронную регулировку диапазона измерений. Например, устройство, предназначенное для измерения давления от 0 до 500 psi, можно отрегулировать электронным способом на показание 0-300. Это поможет расширить соответствующую область показаний датчика от 4 до 20 мА, но фактически не повысит точность. Соотношение перенастройки диапазона в большинстве случаев будет таким же, что и при полной шкале от 0 до 500.

„Существуют сенсоры по 2 или 3 доллара, которые можно поместить в автомобильные шины и отображать показания на вашей приборной панели. Вам не потребуется слишком высокая точность или быстрое реагирование, чтобы увидеть, что спущена правая шина, — говорит Том Райд, менеджер по продукции компании GE-Druck. — То же самое можно сказать в том случае, если вы хотите иметь приблизительные показания давления в резервуаре. В любом случае, выбор типа датчика зависит от того, насколько критичным является сам процесс".

Виктор Миллер, специалист по приборам Wika для измерения давления, подчеркивает, что понимание процессов, происходящих в измеряемом объеме, помогает определить важность диапазона измерений и повышенной надежности датчика. „Пользователи не учитывают динамику того, что происходит внутри системы. При перемещении жидкости клапан внезапно открывается или закрывается, он передает скачок давления, который проходит со скоростью звука через систему, что может отразиться на сенсоре, или сбить калибровочные параметры", — отмечает Виктор Миллер. Статические процессы и сжимаемые жидкости не требуют такой защиты от скачков, как это происходит в динамической среде.

Выбор прибора для измерения давления

После того, как были определены требования к измерению давления в конкретном случае, можно выбрать соответствующее устройство измерения на основании других эксплуатационных параметров, кроме диапазона и погрешности. В этом случае стоит обратить внимание на следующее:

Материал: В приборе следует обратить внимание на материалы компонентов, контактирующих со средой. Существует широкий диапазон материалов, которые разрешено использовать в агрессивных жидкостях или газах. Имеется также широкий выбор корпусов датчика, поскольку коррозионная атмосфера на объекте может воздействовать и на наружную часть прибора. Экзотические материалы достаточно дороги, поэтому при выборе следует это учитывать.

Внутренняя конфигурация: Большинство сенсоров имеют внутренние полости, которые заполняются технологической жидкостью при работе. Если жидкость неагрессивная, и небольшие протечки не повредят устройство, то ее наличие допускается. Тем не менее, в некоторых критических системах это запрещено. Сенсоры оснащаются промывочными мембранами и имеют уплотнения на внутренней стороне, чтобы предотвратить просачивание жидкости и обеспечить минимальное нарушение потока процесса. Изолирующая мембрана также имеется в наличии в качестве вспомогательных принадлежностей.

Датчик дифференциального давления имеет два входа для сравнения показаний давления в двух резервуарах, но он не может показывать давление по отношению к атмосферному с любой из сторон одновременно

Корпус: Требования к безопасности установки очистки стоковых вод существенно отличаются от требований на нефтеперерабатывающих комплексах. Многие дополнительные параметры датчиков должны удовлетворять требованиям эксплуатации, например, во взрывоопасных или искроопасных внешних условиях. Более того, большинство компаний установили четкие границы по способу и месту использования приборов. С другой стороны, если не стоит вопрос о работе во взрывоопасной среде, то повышается количество возможных вариантов датчиков. Также размеры датчика напрямую зависят от количества вспомогательного электронного оборудования, необходимого для связи с другими устройствами. Простой преобразователь с выходным сигналом 4-20 мА может быть очень компактным, тогда как интеллектуальный датчик с подключением по шине fieldbus требует больше места, поскольку он включает дополнительную электрическую схему.

Монтажное подключение: Измерительные приборы обычно имеют резьбовой вход для трубы от 1/8 до 1/2 дюйма NPT или BSPT. Тем не менее, существуют дополнительные варианты подключения для более специализированных применений, включая гигиенические соединения с тремя зажимами „Tri-clamp" и другие фланцевые соединения. Устройства для измерения дифференциального давления часто используют вентильные блоки для упрощения подключения.

Связь: Большинство преобразователей передают данные в формате аналоговых сигналов 4-20 мА. Если для какого-либо применения используется именно этот метод, то для обеспечения надежной передачи может потребоваться дополнительная система согласования сигналов. Датчики могут подключаться к шине fieldbus, работать по беспроводной связи или HART протоколу.

Технология датчиков: Существует около 10 технологий и способов для преобразования величины давления в масштабированный электронный сигнал, но ни один из них не является универсальным. Изготовители датчиков стараются использовать одну или две технологии, учитывая сочетание эксплуатационных параметров и промышленной применимости, что позволяет оптимизировать эксплуатационные характеристики и минимизировать недостатки устройств. В технической документации на продукцию часто даже не упоминаются используемые технологии изготовления датчика. „Наиболее важным является наличие достаточного опыта работы с определенной технологией измерений, — комментирует Аллен Худ, менеджер по продукции компании ABB Instrumentation. — В настоящее время существует множество технологий датчиков, поскольку их можно оптимизировать под определенное применение. Возможности микропроцессоров в интеллектуальных датчиках компенсируют слабые стороны первичных преобразователей и позволяют изготовителям сконцентрировать внимание на других аспектах".

Номенклатура измерительных приборов Термины сенсор, датчик и преобразователь описывают различные аспекты измерительного прибора. Ниже приведены некоторые основные допустимые описания: Сенсор — Стандартное устройство с мембраной и электронными компонентами для формирования „сырого" сигнала. Этого недостаточно для автономной работы, и оно продается, в основном, для поставщиков комплексного оборудования, так называемых OEM-компаний. Преобразователь — Сенсор с базовой электронной поддержкой для усиления и преобразования первичного сигнала в удобный формат, например, 4-20 мА. Датчик— Сенсор с наиболее усовершенствованной электронной поддержкой, способный преобразовывать параметр процесса в аналоговый или цифровой формат и передавать его через аппаратные средства либо через протокол fi eldbus. Интеллектуальный датчик — Датчик с дополнительными функциями диагностики и измерения параметров. Датчики на базе HART являются наиболее общим примером. Измерительный прибор — Менее конкретный термин, который может включать и преобразователи, и датчики, и прочие устройства.

Установка, расширение, техобслуживание

Правильность установки может иметь такую же важность, что и выбор корректного устройства. Датчики для измерения давления обычно монтируются с клапаном-отсекателем, особенно в непрерывных процессах. Таким образом, датчики можно калибровать, ремонтировать или заменять, не прерывая процесс. В ситуациях, когда рабочий режим является периодическим, это не настолько критично, и устройство можно устанавливать непосредственно в поток. Участок трубы или трубопровода, ведущего к сенсору, называется импульсной линией и помогает в тех случаях, когда нет достаточного пространства для доступа к корпусу датчика. Тем не менее, импульсные линии следует использовать осторожно:

• Импульсная линия должна иметь минимальные размеры;

• Если в качестве технологической среды используется жидкость, следует стравить воздух;

• Если требуется, чтобы вывод данных осуществлялся в более удобном месте, следует удлинить кабель, а не импульсную линию;

• В высокотемпературной среде, в особенности при наличии пара, следует убедиться, что импульсная линия может выступать в качестве сифона.

Этот датчик устанавливается с пробоотборным краном, отсечным вентилем, установленным на короткой импульсной линии

Вспомогательные принадлежностимогут упростить монтаж или защитить устройство. Существует несколько примеров:

Запорный и стравливающий вентиль — вентиль, монтируемый на импульсной линии, который позволяет стравить давление из сенсора, как только отключается соединение с процессом.

Демпфирующее устройство — устройство для торможения потока среды от процесса к датчику, обычно используется для подавления пульсаций и продления срока службы устройства. При правильном использовании показания датчика будут корректными, при этом не повреждается мембрана сенсора.

Разделительная мембрана — мембрана, монтируемая перед самим датчиком, для передачи давления без просачивания технологической жидкости в сенсор. При использовании мембраны, датчик должен заполняться инертной жидкостью, обычно силиконовым маслом, для передачи давления.

Устройство защиты от избыточного давления — подпружиненный вентиль, который закрывается в случае избыточного давления, предотвращая повреждение датчика. Используется в тех ситуациях, когда возможны большие скачки давления.

Вентильный блок — устройство, упрощающее комплексную компоновку трубопровода для установки устройства измерения дифференциального давления, обычно включающее внутренние вентили для отсечки процесса, стравливания и выравнивания давления.

Требования к техобслуживанию и калибровке датчика зависят от требований технологического процесса и измерительного прибора. Качественное устройство в любом применении вторичной важности может работать много лет без особого внимания персонала. С другой стороны, в приложениях с высоким приоритетом точности измерений, датчики требуют периодической калибровки. В то же время, высококачественные преобразователи и датчики точно калибруются на заводе изготовителя, а большинство подразделений по техобслуживанию на промышленных объектах не имеют подобной возможности. Зачастую попытки повысить точность измерений собственными силами приводят к противоположным результатам. На практике устройства от известных изготовителей, показания которых не соответствуют заводской калибровке и требуют постоянного контроля, чаще всего оказываются поврежденными или монтируются неправильным образом, что снижает возможность передачи корректных данных.

Интеллектуальная диагностика

Интеллектуальный датчик представляет собой устройство, способное выполнять множество функций, а не только передавать один измеренный параметр технологического процесса. Но как это применить к датчику давления? Что еще следует измерять?

Датчики дифференциального давления часто используют вентильные блоки для упрощения соединений. Вентильный блок включает вентили для изоляции какой-либо стороны или выравнивания внутреннего давления по мере необходимости. Если оба отсечных клапана закрыты, то датчик можно отключить от процесса, не стравливая давление

„В случае возникновения отказа или другого события, требующего вмешательства операторского или обслуживающего персонала, возникает необходимость понять причину и предотвратить повтор такой ситуации, -говорит Пол Шмелинг, старший менеджер по маркетингу компании Emerson Process Management. — Поскольку измерительные приборы являются „глазами и ушами" производства, необходимо расширить их функциональность для получения более полной картины особенностей контролируемого процесса".

Некоторые интеллектуальные функции связаны с осуществлением контроля над процессом и дублируют действия, которые могла бы выполнять АСУ. Но если прибор работает независимо, то такие функции могут иметь большую важность. Поскольку предложения изготовителей отличаются, ниже приведены несколько примеров таких функций:

• Измерение и регистрация момента превышения порога давления;

• Счет сигналов тревоги и сигналов об ошибках;

• Анализ шумов в сигнале датчика, приводящих к сбою;

• Измерение температуры окружающей среды и технологической жидкости;

• Автоматическая корректировка значения давления для компенсации температурных изменений;

• Автоматическая диагностика внутренних электронных функций и аппаратного обеспечения;

• Настройка аварийной сигнализации;

• История и график калибровки.

Датчик может передавать эту информацию, например, по протоколу HART или fieldbus. Передача данных может быть постоянной при подключении к большой системе управления либо по запросу с портативного устройства сбора данных.

В конечном счете, при выборе устройства для измерения давления или любого другого типа измерений лучше всего сначала понять рамки его использования. Информация о точности, способе передачи и диагностики является частью его технических характеристик. В противном случае, при выборе сенсора давления можно пропустить что-либо важное, в результате чего в управлении процессом будет отсутствовать критический компонент.

Петер Веландер является редактором
Process Industries в журнале Control Engineering.
peter.welander@reedbusiness.com