Malá a velká technika pro kalibraci měřidel tlaku

Malá a velká technika pro kalibraci měřidel tlaku

Malý a velký jsou relativní pojmy. V názvu článku mají naznačit, že ke kalibraci tlakoměrů je možné přistupovat diametrálně odlišnými způsoby. K vysvětlení dobře poslouží příklad z jednoho nejmenovaného provozu:

(1) Aby bylo učiněno zadost směrnici o řízení jakosti, dělá se jednou za dlouhou dobu odstávka, při níž se demontují a odesílají ke kalibraci hydrostatické snímače výšky hladiny.

(2) Aby měl vedoucí provozu průběžně jistotu, že hladinoměry dobře fungují, vykonávají se podstatně častěji kontrolní měření hladiny při použití násady z koštěte.

Kdyby byl postup (2) včleněn do metrologického řádu pracoviště, průběžně správně dokumentován a násada od koštěte nahrazena vhodným délkovým měřidlem, bylo by možné práci a náklady spojené s bodem (1) ušetřit.

Pomine-li se skupina stanovených měřidel, která jsou definována zákonem o metrologii a navazujícími vyhláškami ministerstva průmyslu a obchodu (např. měřidel používaných v obchodním styku nebo měřidel majících zásadní vliv na bezpečnost), neexistuje žádný všeobecně platný předpis, který by určoval, jak často, s jakou přesností a jakou metodou se má provádět kalibrace – to je na odpovědnosti příslušného uživatele měřidla.

Při návrhu kalibračních postupů, a tedy i při pořizování kalibrační techniky, je nutné vycházet z požadavků daného provozu. Z analýzy dané technologie a z provozních zkušeností by měly pro každé provozní měřidlo tlaku vyplynout základní požadavky na jeho kalibraci, které jsou pak zahrnuty do metrologického řádu pracoviště, resp. do její příručky řízení jakosti. Takovými základními požadavky jsou:

• přesnost měřidla, kterou se rozumí maximální přípustná odchylka údaje měřidla od skutečnosti, resp. jeho nejistota; ta by neměla vycházet ze štítkových údajů daného měřidla, ale z přesnosti, s jakou je třeba měřit v daném měřicím místě,

• časový interval mezi kalibracemi, který se stanoví na základě údajů výrobce o dlouhodobé stabilitě či kvalifikovaným odhadem na základě zkušeností; jestliže měřidlo při kontrole opakovaně nevyhoví požadované přesnosti, je třeba interval zkrátit, a naopak; k mimořádné kontrole měřidla je třeba přistoupit, když se vyskytne nesoulad mezi jednotlivými měřenými veličinami,

• způsob kalibrace, neboť měřidlo lze buď demontovat a poté kalibrovat v laboratoři, nebo je kalibrovat přímo na místě.

Obr. 1. Pneumatické kalibrační kleště s tlakoměrem PS111 o přesnosti 0,15 %

V dalším textu bude pozornost věnována především technice pro kalibrování přímo na místě, tj. v provozních podmínkách.

Kalibrace na místě

Kalibrací v provozu se ušetří práce spojená s demontáží a montáží přístroje a zmenší se riziko, že následkem přepravy a manipulace bude narušena přesnost již zkalibrovaného přístroje. Další výhodou kalibrace na místě je, že lze kontrolovat celý měřicí řetězec. Z těchto důvodů je vhodné už při projektování technologického zařízení počítat s kalibrací na místě a volit takové uspořádání, které kalibraci na místě umožní.

Cílem kalibrace není nalepit na měřidlo kalibrační nálepku, ale zkontrolovat, zda měřidlo v potřebném rozsahu pracuje s vyhovující přesností. Není tedy bezpodmínečně nutné, aby se kalibrace prováděla v celém měřicím rozsahu měřidla; v odůvodněných případech postačí přesnost zkontrolovat v rozsahu přiměřeně upraveném podle pracovního režimu daného zařízení (tzn. v technologickém rozsahu měřidla).

Uplatnění kreativity při kontrole přesnosti provozních měřidel ovšem neznamená, že by měly být opuštěny zásady definované příslušnými normami. Jako příklad uveďme postup pro kontrolu převodníku tlaku, který slouží v regulační smyčce v nepřetržitém provozu bez možnosti odstávky. K soustavě se za provozu připojí etalonové měřidlo tlaku (master) a navzájem se porovnávají hodnoty naměřené etalonem a ověřovaným převodníkem, a to v celém pracovním rozsahu, zahrnujícím pokud možno maximální i minimální provozní hodnotu. Nelze-li dosáhnout ustáleného stavu soustavy, je třeba počítat s určitým poklesem přesnosti (vzroste nejistota typu A), ale i tak je možné při určité modifikaci standardního kalibračního postupu vyhodnotit chyby měření a zjistit přesnost přístroje včetně stanovení opakovatelnosti, hystereze a nejistoty kalibrace.

Obr. 2. Hydraulické kalibrační kleště pro tlak do 25 MPa s tlakoměrem o přesnosti 1 %

Mezi pravidelně vykonávané kalibrační práce je správné zahrnout i kontrolu spínacího bodu tlakových spínačů, a to zejména s ohledem na to, že tyto tzv. presostaty často plní úlohu bezpečnostních pojistek.

Nevýhodou kalibrace na místě je větší opotřebení a riziko hrubého poškození kalibrační techniky. Proto je správné vyhnout se používání kalibrační techniky neúčelně přesné, a tudíž neúměrně nákladné.

Při výběru kalibrační techniky je třeba se rozhodnout, zda použít samostatný zdroj tlaku (kalibrační pumpu) a k ní etalonový tlakoměr, nebo kompaktní řešení, tedy kalibrátor tlaku. V následujících odstavcích je nabídnut výběr kalibrační techniky ze sortimentu firmy BHV senzory s. r. o. Pro ilustraci jednoho z významů slov „malý„ a „velký„ jsou u některých příkladů uvedeny i přibližné ceny.

Pneumatické klešťové kalibrační pumpy
Pákový převodový mechanismus ruční klešťové kalibrační pumpy je konstruován tak, aby účinnost přenosu síly z rukojetí na píst v průběhu zdvihu vzrůstala, což odpovídá tomu, že v průběhu zdvihu vzrůstá i protitlak na píst. Z tohoto hlediska lze uvedené zařízení považovat za ergonomické (obr. 1).

Součástí pumpy je objemový regulátor pro přesné nastavení tlaku, dvě výstupní hrdla pro připojení tlakoměrů a odvzdušňovací (vypouštěcí) ventil. Pumpy jsou určeny k vyvození buď přetlaku, nebo podtlaku nebo jsou univerzální s přepínacím ventilem pro oba režimy. Jako maximální pracovní tlak se u konkrétních typů obvykle uvádí 2,0 až 4,5 MPa, v oblasti podtlaku 88 kPa. Etalonový tlakoměr se zašroubuje přímo do výstupního hrdla pumpy, takže s ní tvoří jeden celek, což usnadňuje manipulaci.

Obr. 3. Vřetenová kalibrační pumpa TR700 MD pro tlak do 70 MPa

Klešťové kalibrační pumpy lze pořídit za cenu od asi 10 000 korun výše.

Hydraulické klešťové kalibrační pumpy
S hydraulickými klešťovými pumpami (obr. 2) lze snadno dosahovat tlaku 35 MPa i více. Není to příliš pracné, protože kapaliny jsou nestlačitelné. Součástí pumpy je spolu s objemovým regulátorem a vypouštěcím ventilem i nádobka s pracovní kapalinou (olej, ale i líh či voda). K připojení zkoušeného tlakoměru je vhodné použít tenké vysokotlaké diagnostické hadičky tak, aby množství kapaliny v hadicích bylo co nejmenší, a rychlospojky s automatickými uzávěry, které po rozpojení hadiček zabrání úniku pracovní kapaliny.

Stolní vřetenová kalibrační pumpa
Vřetenová kalibrační pumpa se skládá ze šroubového lisu s pístem, nádobky na pracovní kapalinu s vypouštěcím ventilem a dvou hrdel, jednoho pro připojení tlakového etalonu a druhého pro zkoušený přístroj. Tlak v systému se vytvoří jediným zdvihem pístu. Pracovní kapalinou je olej nebo voda. Vřetenové pumpy obvykle vyvozují tlak až desítek megapascalů a jejich ceny začínají asi na 18 000 korunách (obr. 3).

Jiné pneumatické zdroje tlaku
Při hydraulické kalibraci se pracovní kapalina dostane do etalonu i do zkoušeného tlakoměru a pak je obvykle obtížné se jí zbavit. Ale i naopak: tlakoměry z provozu mohou nést zbytky měřeného média, která kontaminují pracovní kapalinu v kalibračním zařízení.

Problémy se znečišťováním odpadají v případě pneumatické kalibrace. Její možnosti jsou však v praxi limitovány omezenými parametry zdrojů tlaku, k nimž se vedle již zmíněných pneumatických klešťových pump dále řadí:

• kompresory,
• násobiče tlaku,
• tlakové láhve.

Dobře dostupné jsou jednostupňové pístové kompresory, které ale obvykle pokrývají tlaky jen do 0,6 až 1 MPa.

Překvapivě velký tlak – téměř 3 MPa – poskytne obyčejný kompresor z ledničky. Protože je určen pro práci v uzavřeném okruhu, je třeba ze vzduchu odlučovat olej a vracet jej do kompresoru.

Obr. 4. Násobič tlaku se vzdušníkem a přesným redukčním ventilem pro tlaky do 4 MPa

Větší tlaky lze získat při použití násobiče tlaku (multiplikátoru), jednoduchého zařízení založeného na principu dvou spřažených pístů. Velký píst je poháněn stlačeným plynem, malý píst stlačuje plyn na větší tlak. Malé jednostupňové násobiče, které zvyšují tlak 2,5krát až 4,5krát na hodnoty až 5 MPa, lze pořídit za cenu asi 20 000 korun (obr. 4).

Z tlakové láhve lze získat vzduch nebo dusík o tlaku až 20 MPa. Výhodou dusíku je lepší stabilita tlaku v systému. Vodní pára obsažená ve vzduchu je totiž příčinou cyklických termodynamických změn, které se v uzavřeném systému projeví kolísáním tlaku.

K dosažení největších tlaků se opět používají násobiče tlaku; v tomto případě však jde o složitá, nákladná a hlučná zařízení, která už vůbec nelze zařadit mezi „malou„ kalibrační techniku.

K doladění tlaku na požadovanou hodnotu jsou určeny speciální redukční ventily s jemným nastavením a objemové regulátory. Jako nejjednodušší objemový regulátor při malých tlacích vyhoví i běžná injekční stříkačka.

Etalony tlaku

Jaká má být přesnost etalonu tlaku? Záleží na požadavcích konkrétní tlakoměrné úlohy, podle zkušeností z praxe ale u drtivé většiny měřidel v systémech průmyslového měření a regulace postačí přesnost 1 až 2 % z nastaveného měřicího rozsahu, v mnoha případech dokonce i 5 %. Samotná přesnost etalonu tedy nemusí být tak úplně prvořadým a všespásným činitelem. Metrologické navázání přesnějšího měřidla je totiž také nákladnější. Proto bude v některých případech výhodnější používat větší počet etalonů méně přesných, avšak s optimálně odstupňovanými měřicími rozsahy. Je pravděpodobné, že měřidla určitých rozsahů se budou používat méně často, a u těch bude možné zavést delší interval mezi kalibracemi.

Dále, pokud zkoušené měřidlo tlaku má přesnost lepší, než jaká je pro dané měřicí místo požadována (a tomu tak v mnoha případech skutečně je), postačí i méně přesná kalibrace (s větší nejistotou) k tomu, aby měřidlo mohlo být uznáno co do přesnosti za vyhovující.

V tab. 1 je ohledně přesnosti a ceny porovnáno několik vybraných typů tlakoměrů připadajících k použití ve funkci provozních etalonů tlaku.

Při volbě etalonu je možné buď dát přednost jednomu přesnějšímu měřidlu, které s dostatečnou přesností pokryje několik rozsahů, anebo několika méně přesným etalonům tlaku.

Podobná otázka vyvstává při již naznačené volbě mezi jedním měřidlem s několika měřicími rozsahy a několika jednotlivými etalony „jednorozsahovými„. Přínos měřidel s několika rozsahy vůbec není jednoznačný. Nutným častějším používáním se takové měřidlo ve funkci etalonu rychleji opotřebovává, a tudíž je nutné je také častěji kalibrovat.

Obr. 5. Digitální tlakoměr TDLMM o přesnosti 0,05 %
Obr. 6. Pneumatické kalibrátory tlaku Diptron 3 plus (nahoře) a DPR 20C

Jestliže se při kalibraci běžných provozních tlakoměrů ještě používají kvalitní pístové závažové etalony tlaku, je namístě zvážit, zda by nebylo vhodné pro běžnou práci pořídit levnější elektronická měřidla a pístové tlakoměry ponechat jako etalon, na který budou elektronická měřidla navázána. Doba života nákladných pístových etalonů se tím podstatně prodlouží a může se prodloužit i interval pro jejich kalibraci (navázání), což vede k významným úsporám.

V oblasti digitálních tlakoměrů nabízí firma BHV Senzory následující přístroje.

Digitální tlakoměr PS111
Tlakoměr PS111 s piezorezistivním čidlem a digitálním zpracováním signálu (v soupravě s pneumatickou klešťovou pumpou na obr. 1) se vyrábí o přesnostech 0,5 %, 0,25 % a 0,15 % z měřicího rozsahu. K zobrazení měřeného tlaku slouží čtyřmístný displej z LED nebo vícemístný LCD. K dispozici je analogový výstupní signál, popř. rozhraní RS-232. Přístroj se napájí z vestavěného akumulátoru nebo ze síťového zdroje. Je k dispozici s měřicími rozsahy od 4 kPa až do 70 MPa (přetlak, podtlak, absolutní tlak) v cenách od 8 000 do 12 000 korun.

Digitální tlakoměr TDLLM
Tlakoměr TDLLM (obr. 5) s piezorezistivním čidlem má přesnost 0,05 % z měřicího rozsahu. Je napájen z baterie s výdrží jeden rok. Měřicí rozsahy jsou od 100 kPa do 200 MPa. Fyzikální jednotky lze přepínat (stejně jako u všech ostatních zde uvedených digitálních tlakoměrů a kalibrátorů) a k dispozici je i výstup RS-232. Cena je 24 000 korun.

Kompaktní řešení: kalibrátory tlaku
Dále uvedené výrobky, také dodávané firmou BHV Senzory, jsou z produkce tradičního německého výrobce přesných tlakoměrů, firmy Wallace & Tiernan (obr. 6).

Pneumatický kalibrátor pro tlaky do 2 MPa
Univerzální přenosný kalibrátor DPE 750 pro tlaky od 20 kPa do 2 MPa měří s přesností 0,02 % z měřené hodnoty ±3 digity. Součástí přístroje jsou vestavěná ruční pumpička, objemový regulátor a nulovací ventil. Vedle toho lze přístroj napájet i z vnějšího zdroje tlaku. Rozsahy lze též volit pro podtlak či přetlak, včetně možnosti přepínat pumpičku. Kalibrátor obsahuje multimetr pro měření elektrického analogového výstupního signálu převodníků tlaku s možností přepnutí do režimu pro zkoušení tlakových spínačů. Naměřené hodnoty se ukládají do vnitřní paměti přístroje pro případné dodatečné zpracování na počítači. Cena kalibrátoru je asi 100 000 korun. Vhodný je pro práci v terénu i v laboratoři.

Pneumatický kalibrátor pro tlaky do 20 MPa
Podobné možnosti jako již popsaný kalibrátor DPE750 nabízí přístroj DPE 200, avšak pro měřicí rozsah až do 20 MPa. Z tohoto důvodu je vystrojen vysokotlakými armaturami včetně rychlospojek pro přívod a odvod stlačeného vzduchu. Jeho součástí je i objemový regulátor konstrukčně speciálně přizpůsobený velkým provozním tlakům. Kalibrátor se napájí vzduchem nebo dusíkem z tlakové láhve i popř. plynem z jiného vnějšího zdroje. Jeho cena je asi 200 000 korun.

Pneumatický kalibrátor s automatickou regulací tlaku do 2 MPa
Pneumatický kalibrátor s automatickou regulací tlaku DPR 20C je elektropneumatický přístroj, který automaticky reguluje tlak na zvolenou úroveň a přesně měří jeho skutečnou hodnotu. Měřicí rozsahy jsou od 10 kPa do 20 MPa, přesnost 0,03 % z rozsahu, a to pro přetlak i podtlak. Jde o přístroj vhodný zejména pro opakovanou práci v kalibrační laboratoři. Obsluha může předem nadefinovat požadovaný průběh tlaku pro celý kalibrační cyklus, který potom probíhá v automatickém režimu. Cena přístroje je v rozmezí od 160 do 220 000 korun podle toho, zda má jeden, nebo dva měřicí rozsahy.

Ing. Jan Vaculík,
BHV senzory s. r. o.

BHV senzory
160 00 Praha 6 - Sedlec
Suchdolská 4
tel.: 220 920 253
tel./fax: 220 922 036
e-mail: bhvsenzory@bhvsenzory.cz
http://www.bhvsenzory.cz