Pomiar ciśnienia

Czujniki różnicy ciśnień – najważniejsze informacje w pigułce

Pomiary ciśnienia różnicowego są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych, w tym w sterowaniu i optymalizacji. Dostarczają one przecież informacji o wzajemnej relacji 2 zakresów ciśnienia. Do bezpiecznego i niezawodnego określenia różnicy ciśnień służą specjalne czujniki różnicy ciśnień. Dowiedz się więcej o zasadzie działania, obszarach zastosowań i cechach tych sprytnych czujników!

Spis treści

Co to są czujniki różnicy ciśnień?

Czujniki różnicy ciśnień mierzą różnicę pomiędzy 2 ciśnieniami bezwzględnymi p1 i p2 w gazach, parze i cieczach. Można je znaleźć między innymi w monitorowaniu filtrów, pomiarach poziomu w zamkniętych zbiornikach oraz w systemach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa. Często są one określane jako przetworniki różnicy ciśnień.


Zasada pomiaru ciśnienia różnicowego

Na rysunku przedstawiono sposób działania czujnika ciśnienia różnicowego.

Oznaczenia:

  • p1 – ciśnienie procesowe 1
  • p2 – ciśnienie procesowe 2
  • Δp - różnica ciśnień (ciśnienie różnicowe)


Jak działa przetwornik różnicy ciśnień?

Czujnik różnicy ciśnień posiada 2 hermetycznie/powietrznie uszczelnione komory, każda z przyłączem procesowym, które są oddzielone od siebie elastyczną membraną z przyklejonym mostkiem oporowym. Przyłącza procesowe są połączone przed i za ewentualną redukcją ciśnienia, tak że ciśnienia działają na membranę w przeciwnym kierunku. Jeśli ciśnienie w komorach jest takie samo, membrana pozostaje płaska. Gdy ciśnienie w jednej z komór zmniejsza się lub zwiększa, membrana przechyla się w kierunku komory o niższym ciśnieniu. Stopień odkształcenia odpowiada różnicy 2 ciśnień: p2-p1=Δp. Można to wykryć poprzez zmianę wartości rezystancji, która może być przetworzona na sygnał elektryczny do dalszej obróbki.

Rys. 1 Schematyczny schemat czujnika różnicy ciśnień - Czujnik różnicy ciśnień posiada dwa przyłącza procesowe. Ciśnienia działają w przeciwnych kierunkach na membranę. Wynik pomiaru jest zawsze różnicą obu ciśnień p2 - p1 = ∆p.

Jakie są różne rodzaje czujników różnicy ciśnień?

Rozróżnia się pomiar piezorezystancyjny i pojemnościowy. Większość czujników różnicy ciśnień opiera się obecnie na efekcie piezorezystancyjnym (zmiana oporu elektrycznego materiału spowodowana napięciem lub ciśnieniem). Efekt ten jest osiągany przez metaliczne tensometry, które są przyklejone do wspomnianej już elastycznej membrany, lub przez płytki krzemowe. W przeciwieństwie do tensometrów, rezystory pomiarowe są zintegrowane bezpośrednio z membraną krzemową, dzięki czemu nie ma potrzeby przyklejania tensometrów. W ten sposób zwiększa się dokładność pomiaru, odporność na temperaturę i trwałość. Ponadto, czujniki krzemowe są znacznie tańsze niż czujniki cienkowarstwowe. Wszystkie piezorezystancyjne czujniki różnicy ciśnień są praktycznie wolne od dryftu.

Pojemnościowe przetworniki różnicy ciśnień posiadają kondensator zintegrowany z krzemowym układem scalonym, co pozwala na wnioskowanie o powstałej różnicy ciśnień na podstawie zmian jego pojemności.

Przykłady zastosowania pomiaru różnicy ciśnień

Monitorowanie filtrów w systemach wentylacyjnych

W systemach wentylacyjnych różnica ciśnień może być wykorzystana do określenia stopnia zanieczyszczenia filtra. Mierzone jest wówczas ciśnienie przed i za filtrem. Im bardziej zanieczyszczony jest element filtrujący, tym większy jest opór dla przepływającego przez niego medium.

Pomiar natężenia przepływu – przepływomierze zwężkowe (kryzowe)

Powszechnym zastosowaniem pomiaru różnicy ciśnień jest pomiar natężenia przepływu w rurociągach. Ta metoda pomiaru wymaga zainstalowania w rurze kryzy – zwężki pomiarowej. Są one dostępne w różnych wersjach. Zmniejszają one lokalnie przekrój poprzeczny rury. Powoduje to wzrost prędkości przepływu w punkcie zwężenia, co z kolei przekłada się na zmianę ciśnienia statycznego. Przyłącza do pomiaru ciśnienia znajdują się bezpośrednio przed i za zwężką. Różnica ciśnień jest zatem pośrednią miarą natężenia przepływu.

Różnica ciśnień jest zatem pośrednią miarą natężenia przepływu.

Oznaczenia:

  • P1 stat – ciśnienie statyczne przed zwężką
  • P1 stat – ciśnienie statyczne za zwężką
  • Δp – różnica ciśnień (pośrednia miara natężenia przepływu)


Gdzie stosowane są czujniki różnicy ciśnień?

Czujniki różnicy ciśnień znajdują się wszędzie tam, gdzie trzeba w sposób ciągły mierzyć i sprawdzać stosunek ciśnień (np. w monitoringu filtrów lub pomiarach przepływu).

Monitorowanie filtrów

W systemach wentylacyjnych, ciśnienie różnicowe może być wykorzystane do określenia stopnia zanieczyszczenia filtra, gdy ciśnienia są mierzone przed i za filtrem. Im bardziej zanieczyszczony element filtracyjny, tym większy opór stawia przepływającemu przez niego medium.

Pomiar przepływu

Innym obszarem zastosowań czujników różnicy ciśnień jest pomiar przepływu w rurach. Ta metoda pomiaru ciśnienia różnicowego wymaga zainstalowania w rurze elementu pierwotnego. Elementy pierwotne są dostępne w różnych wersjach. Zwężają one przekrój poprzeczny rury i w ten sposób zapewniają przepływającemu medium opór określony przez ich geometrię. Powoduje to lokalny wzrost prędkości przepływu w punkcie zwężenia, co z kolei skutkuje zmianą ciśnienia statycznego przed (p1 stat) i za (p2 stat) elementem pierwotnym. Przyłącza ciśnieniowe do pomiarów znajdują się bezpośrednio przed i za elementem pierwotnym. Różnica ciśnień jest pośrednią miarą przepływu.

Rys. 2 Przetwornik różnicy ciśnień ze spadkiem ciśnienia statycznego -

Aktywny przetwornik ciśnienia z obniżeniem ciśnienia statycznego

p1stat - ciśnienie statyczne przed zwężką
p2stat - ciśnienie statyczne za zwężką
∆p - różnica ciśnień (pośrednia miara natężenia przepływu).

Który czujnik różnicy ciśnień wybrać?

Czujniki ciśnienia różnicowego i przetworniki ciśnienia różnicowego są dostępne w wielu wersjach. To, czy dany czujnik może być użyty w konkretnej aplikacji, zależy przede wszystkim od minimalnego i maksymalnego poziomu ciśnienia, które może być przetwarzane, wpływów środowiskowych aplikacji oraz przydatności mediów. Na przykład, pojemnościowe czujniki ciśnienia prowadzą do niedokładności pomiaru w aplikacjach z silnymi wibracjami; nie każdy czujnik toleruje agresywne gazy i ciecze. W zależności od rodzaju aplikacji wymagane są określone dopuszczenia. Przykłady obejmują SIL 2/SIL 3 zgodnie z normą DIN EN 61508, PL zgodnie z normą DIN EN 13849 lub wersję dla obszarów zagrożonych wybuchem. W przypadku niepewności należy poprosić o szczegółową konsultację.

Jak zachowują się przetworniki ciśnienia różnicowego przy długotrwałym użytkowaniu?

Urządzenia pomiarowe są narażone na wiele różnych naprężeń mechanicznych, termicznych lub chemicznych, przez co mierzone wartości zmieniają się i tracą dokładność z upływem czasu. Na przykład przesunięcia zerowe lub histereza mogą prowadzić do zagrożenia bezpieczeństwa i zmniejszenia wydajności procesu. Regularna kalibracja nie może zapobiec takim zmianom, ale może je w porę wykryć. W przypadku mechanicznych i elektrycznych urządzeń do pomiaru ciśnienia zaleca się zatem przeprowadzanie kalibracji raz w roku.