Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Dpharp EJX – nový standard v měření tlaků

číslo 7/2004

Dpharp EJX – nový standard v měření tlaků

Když v roce 1991 uvedla firma Yokogawa na trh novou řadu snímačů tlaku Dpharp EJ, využívající mikromechanické křemíkové rezonátory, byl její podíl na světovém trhu v této komoditě zanedbatelný – třinácté místo. Obr. 1. Během následujících třinácti let, zejména po nástupu řady Dpharp EJA v roce 1994, prodala Yokogawa více než 1,2 milionu snímačů a nyní se s téměř 20% podílem na trhu řadí v tomto oboru na druhé místo. Strmý vzestup úspěšnosti není způsoben marketingovou agresivitou, protože firma je svým založením velmi konzervativní. Vždyť v roce 1994, kdy byly z prototypových senzorů již šestý rok známy údaje o stabilitě (obr. 1), uváděla snímače Dpharp EJA se stabilitou 0,1 % za šest měsíců a nová řada Dpharp EJX – s desetiletou zárukou stability při všech provozních stavech 0,1 % – přišla až za deset let! Technické přednosti vyplývající z principu měření jsou hlavní důvody narůstajícího zájmu o snímače tlaku Yokogawa.

Princip snímání

Přestože od počátku byly snímače rozdílu tlaků vybaveny schopností měřit také statický tlak, je tato vlastnost plně uživatelsky využita až u nové série Dpharp EJX. Senzor se skládá ze dvou krystalických rezonátorů (obr. 2), které mění svou frekvenci se zatížením podle vztahu:

Vztah 1

e = e0 ± edp + esp

kde f je rezonanční frekvence, E Youngův modul pružnosti, r hustota křemíku, l a h délka a tloušťka rezonátoru, e zatěžující síla, e0 počáteční zatěžující síla, edp změna zatěžující síly vlivem rozdílu tlaků, esp změna zatěžující síly vlivem statického tlaku, k1 bezrozměrná konstanta; k1 = 4,73, k2 konstanta; k2 = 0,236 6 N–1.

Obr. 2.

Uvedený vztah lze zjednodušit do tvaru:

f2 = f02(1 + Gfe)

kde f0 je rezonanční frekvence při nulovém pnutí, Gf druhá mocnina citlivosti rezonátoru (k2(l/h)2).

Jsou-li rezonátory umístěny na jednom čipu, jak ukazuje obr. 2, je při zatížení jeden rezonátor natahován a v důsledku toho má frekvenci f1 a druhý, který je naopak stlačován, má frekvenci f2. Změny frekvencí lze vyjádřit vztahy:

Df12 = f012Gf1(+edp1 + esp1)

Df22 = f022Gf2(–edp2 + esp2)

Rozdíl čtverců frekvencí (Df12 – a·Df22) eliminuje účinek statického tlaku a naopak jejich součet (Df12 + b·Df22) eliminuje vliv rozdílu tlaků. Proto lze z vratných deformací jedné krystalické membrány, které se odrážejí ve změnách frekvence, velmi snadno vypočítat statický tlak (součet) i rozdíl tlaků (rozdíl). Snímače rozdílu tlaků EJX110A mohou nyní hodnotu statického tlaku indikovat na displeji, ale také vybavit při dosažení limitní úrovně volitelný spínací tranzistorový výstup. Eliminací A/D převodu v převodnících tlaku otevřela Yokogawa novou kapitolu v průmyslovém využití digitální měřicí techniky.

Obr. 3.

Víceparametrový převodník Dpharp EJX910A

Přesnost měření statického tlaku nového typu víceparametrového snímače rozdílu tlaků a průtoku Dpharp EJX910A je ±0,1 % při 1 MPa. Nastavitelný rozsah měření rozdílu tlaků je 500 Pa až 700 kPa, statický tlak do 25 MPa, dynamický rozsah teplotní kompenzace (externí senzor Pt100) –200 až +850 °C, fixní rozsah –275 až +1 927 °C. Korigovaný hmotnostní průtok na škrticích orgánech lze měřit s přesností 1 % z okamžité hodnoty v celém rozsahu. Převodník má kromě proudového výstupu také pulsní výstup 0 až 10 kHz, volitelný limitní kontaktní výstup (tranzistorový v zapojení s otevřeným kolektorem), komunikační výstupy HART, Foundation Fieldbus i Profibus. K dispozici je software pro konfiguraci převodníku, nastavení typu primárního prvku (dvacet typů), zadání vlastností měřeného média (nyní dvanáct, v budoucnu až dvě stě médií) atd.

Přednosti snímačů Dpharp EJX

Jednou z nejvýraznějších změn je zkrácení doby odezvy – u EJA to bylo 580 ms, u EJX to je 95 ms (obr. 3). EJX je nejrychlejší inteligentní snímač na trhu, a tohoto vylepšení bylo dosaženo:

  • Zmenšením objemu vnitřní náplně na desetinu, vedoucím k minimálním přestavným objemům a také k poloviční teplotní chybě.

  • Zvýšením napěťového výstupu rezonátorů 1,5krát; to vede k rychlejší detekci frekvence a většímu odstupu signálu a šumu (obr. 4).

  • Inovovaným způsobem detekce zvaným time expansion method, umožňujícím odděleně detekovat časové úseky kratší než jeden puls CPU pomocí 64násobného zvětšení. Tato metoda vede k malé spotřebě, rychlejší detekci a pětkrát většímu rozlišení ve srovnání se staršími typy.

  • Úpravou výpočetních úkonů – omezením výpočtů s pohyblivou desetinnou čárkou, výpočtem málo se měnících faktorů na pozadí hlavní kalkulace.

  • Zvětšením frekvence referenčního taktu.

  • Vylepšením procesoru z 8 b/0,6 MHz na 16 b/1,2 MHz.

  • Multiplexovaným desetkrát rychlejším šestnáctibitovým D/A převodem.

Obr. 4.

Zcela novou koncepcí měřicí kapsle se dvěma ochrannými membránami byla zvětšena odolnost k jednostrannému přetížení – nyní je to 0,03 % z horní meze měřicího rozsahu (URL, Upper Range Limit) po přetížení 25 MPa. Zákazníci ocení také téměř neměřitelný vliv vibrací, malé rozměry (oproti staršímu typu zmenšené o 30 %), menší hmotnost – jen 2,7 kg, rozsáhlou diagnostiku (třicet stavů) s indikací až dvaceti výstražných hlášení. Zdokonalená diagnostika umožňuje např. zjistit, která strana impulsního potrubí je ucpaná, nebo z dvojnásobného interního měření teploty odhalit včas nebezpečí zámrazu celého měřicího systému při poruše parního či elektrického otopu. Inovovaný šestimístný displej má přídavný čárový graf a v dolní části zobrazuje jednotky i zkrácené diagnostické zprávy. Uživatelé jistě ocení zvýšenou chemickou odolnost standardního provedení oddělovacích membrán (jako tomu bylo u řady EJA) – Hastelloy C-275 s pasivací oxidem chromu.

Dpharp EJX je bezpečný a spolehlivý snímač

Rezonanční princip snímání se dvěma rezonátory nemá tzv. nebezpečný stav1) a také hardwarová koncepce převodníku je velmi bezpečná. Firmware zaručuje rozsáhlou diagnostiku a provádí se zpětný kontrolní výpočet základní frekvence rezonátorů. Doložená střední doba mezi poruchami (MTBF) předchozí řady Dpharp EJA je 485 let a firma Yokogawa při návrhu i výrobě postupuje podle mezinárodních standardů ISO. Všechny uvedené skutečnosti měly podíl na úspěšné certifikaci snímačů řady Dpharp EJX podle IEC 61508 (společností TÜV) pro zařízení úrovně SIL2. Dosahovaný parametr střední pravděpodobnosti výskytu přípustné chyby (PFD, Probability of Failure on Demand) je 1,49·10–4 za rok. Navíc je certifikační značkou označen každý snímač, bez příplatku!

Závěr

Snímače Dpharp EJX se svými užitnými vlastnostmi – rychlostí, přestavitelností, přesností, stabilitou, přetížitelností a spolehlivostí – výrazně převyšují běžně dostupné převodníky. Cena za snímač rozdílu tlaků se pohybuje v úrovni přibližně 37 000 korun, a to vzhledem k uvedeným parametrům rozhodně není mnoho.

(Yokogawa GesmbH)

YOKOGAWA – Reprezentační kancelář
1. máje 120
703 00 Ostrava
tel.: 595 953 967
fax: 595 955 673
e-mail: yokogawa@daas.cz


1) Nebezpečný stav (dangerous mode) je stav, kdy dojde k poruše, která není detekována vnitřní diagnostikou. U senzoru se dvěma rezonátory je porucha jednoho z nich detekována srovnáním se signálem druhého rezonátoru. Situace, že by chyba jednoho rezonátoru byla kompenzována stejně velkou chybou druhého, ale s opačným znaménkem, je téměř vyloučená.

Inzerce zpět