Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Ochrana měřidel tlaku před pulzacemi, tlakovými rázy a přetížením

Při měření tlaku v potrubních systémech a v nádobách se vyskytují mechanické vlivy, které mají původ v měřeném procesu. Jde o tlakové rázy, pulzace, otřesy či vibrace a někdy také o přetížení nad rámec měřicího rozsahu přístroje. Pulzace tlaku v potrubí zpravidla pochází od čerpadel, popř. od rotujících míchadel v nádobách. Tlakové rázy jsou způsobovány setrvačností sloupce kapaliny pohybující se v potrubí; na jejich vzniku se podílí i činnost ventilů a škrticích orgánů. Destruktivní účinky mohou mít i bubliny par a plynů v tekutině proudící přes ventily. Otřesy a vibrace jsou způsobovány zpravidla rotujícími částmi strojů, prouděním tekutin, pulzacemi a tlakovými rázy v potrubí. Tento článek si klade za cíl shrnout způsoby, jak lze tlakoměry před uvedenými vlivy ochránit.

Kapalinová tlumicí náplň

Nejobvyklejším způsobem ochrany tlakoměrů před pulzujícím tlakem a otřesy je kapalinová tlumicí náplň, kterou se vyplní skříň tlakoměru, takže měřicí ústrojí pracuje v kapalinové lázni. Zpravidla se používá glycerin, jehož vysoká viskozita má velký tlumicí účinek. Protože při teplotě nižší než –25 °C se viskozita glycerinu stává nepřijatelně vysokou, používá se pro tlakoměry vystavené silným mrazům silikonový olej, který má tu výhodu, že jeho viskozita je na teplotě jen málo závislá.

Kapalinová lázeň ve skříni tlakoměru tlumí kmitání jednotlivých součástí převodového ústrojí, maže převodové ústrojí a zabraňuje orosení skla tlakoměru zevnitř. Tlumení kapalinovou lázní je účinné proti vibracím, proti otřesům a proti pulzům s malou výchylkou.

Při výrazných pulzacích je toto opatření jen málo účinné a může být i kontraproduktivní. Maximum tlumicího účinku se totiž realizuje na ručce tlakoměru, především na jejím konci. Brzdná síla, která se na ručce vytvoří, zatěžuje jemné součásti převodového ústrojí tlakoměru a způsobuje jejich nadměrné opotřebení. Výjimkou není ani poškození samotné ukazovací ručky únavovým lomem.

Tlumiče tlakových rázů

Účinnější ochrana tlakoměrů a převodníků tlaku spočívá v zatlumení 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 koncipují jako samostatný prvek, který se montuje mezi potrubí a tlakoměr. Běžné tlumiče tlakových rázů používané ve spojení s tlakoměry pracují na principu škrcení průtoku kapaliny v otvoru malého průřezu, v kapiláře (obr. 1) anebo soustavou štěrbin. Tlumicí účinek je tím větší, čím větší je průtok kapaliny škrticím prvkem (kataraktem).

Účinnost škrcení závisí na pružnosti objemu tekutiny, která zůstává uzavřena za tlumičem. V případě, že je prostor za tlumičem neměnný a zároveň je vyplněn nestlačitelnou kapalinou, je průtok škrticím členem při změně tlaku nulový a tlakový ráz přes tento člen projde bez omezení. (Analogicky je tomu u RC členu v elektrických obvodech, kde k účinnému tlumení dochází jen tehdy, je-li člen tvořen jak rezistorem, tak i kondenzátorem s 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 u elektronických snímačů tlaku je účinek škrticího členu nejistý, protože průhyb měřicích členů elektronických tlakoměrů bývá velmi malý.

Pružný objem v kapalinovém systému může být představován i bublinou plynu či páry. Nevýhodou ovšem je, že bublina se časem může rozpustit v kapalině a tím zaniknout, a tak se výrazně sníží i účinek tlumiče. Jednou z cest, jak dosáhnout vysokého tlumicího účinku, je co nejvíce zúžit škrticí otvor. To však s sebou nese riziko jeho ucpání či zanesení. Tryska nebo kapilára se ucpe jediným zrnkem nečistoty, zanesení štěrbiny či labyrintu trvá o něco déle.

Nevýhodou jednoduchých tlumičů s kataraktem je rovněž proměnlivá míra tlumení v závislosti na tom, zda je v tlumiči v daném okamžiku kapalina nebo plyn. Jestliže kataraktem prochází kapalina s bublinami, vznikají tlakové rázy.

Účinnost tlumení se nastavuje např. průměrem a délkou kapiláry (obr. 2). Průřez kataraktu lze dále zmenšovat vkládáním drátků do kapiláry. U tlumičů tlakových rázů vyráběných tuzemským výrobcem Armaturka Vranová Lhota lze velikost kataraktu seřídit stavěcím šroubkem.

Membránový oddělovač s tlumičem

Maximálního tlumicího účinku se dosáhne kombinací kataraktu s membránovým oddělovačem. Toto uspořádání je schematicky naznačeno na obr. 3. Před tlakoměr je předřazen membránový oddělovač. Na spodní stranu oddělovací membrány přichází měřené médium, nad membránou je pracovní kapalina, jíž je obvykle silikonový olej. Obecně se membránové oddělovače používají v případech, kdy nelze připustit, aby měřené médium přicházelo do přímého styku s měřicím ústrojím tlakoměru. Při použití membránového oddělovače k tlumení se využívá možnost realizovat tlumení až za oddělovací membránou, tedy na silikonovém oleji.

Výhodou je, že kataraktem může být kapilára velmi malého průřezu, a přesto nehrozí její ucpání. Viskozita silikonového oleje se jen málo mění s teplotou, a tak je tlumicí účinek nezávislý na teplotě. Tlumicí účinek je stejný bez ohledu na to, zda se v daném okamžiku na vstupní hrdlo membránového oddělovače dostává kapalina nebo vzdušina.

Časovou konstantu takto koncipovaného tlumení lze upravit na desítky sekund až minuty.

Příklad sestavy membránového oddělovače a tlakoměru s kataraktem je na obr. 4. Zobrazený tlakoměr je kromě tlumiče chráněn i glycerinovou tlumicí náplní.

Membránový oddělovač s kapilárou

Důsledkem tlakových rázů a pulzací je neklidné potrubí. V takovém případě tlakoměry trpí nejen pulzacemi měřeného média, ale také vnějšími otřesy. K eliminaci vnějších otřesů se používá tlakoměr s membránovým oddělovačem připojeným na kapiláře (tzv. vzdálené membrány, resp. vzdálené přenašeče tlaku; obr. 5).

Membránový oddělovač je upevněn na potrubí a chvěje se, ale tlakoměr je upevněn mimo dosah chvění, např. na stěně budovy. Tyto sestavy se vyrábějí s kapilárou o délce až 10 m. Uvedený způsob ochrany tlakoměru se také volí tam, kdy je měřicí přístroj třeba chránit před vysokou teplotou média proudícího v potrubí; v takovém případě se využívá skutečnost, že membránové oddělovače odolávají teplotám až do 400 °C.

Omezovače přetížení

Tlakový ráz je krátkodobý děj, jehož účinky lze eliminovat tlumením. Jiná situace nastává při přetížení tlakem, které trvá déle než tlumicí účinek dostupného tlumiče. (V praxi jde o 1 nebo 2 s.) V takovém případě se používá omezovací ventil. Při tlaku pod nastavenou mezí ventil působí jako průchozí prvek. Jakmile tlak ve vstupním hrdle překročí nastavenou mez, ventil se automaticky uzavře a otevře se až při poklesu tlaku na hodnotu zhruba 25 % pod nastavenou mezí (obr. 6). Kvalitní omezovače jsou konstruovány tak, aby při jejich činnosti nedocházelo k žádnému úniku tlakového média do okolního prostředí (tzv. odfouknutí), a tak je možné je používat i v kombinaci s membránovými oddělovači. V některých případech je třeba použít jak tlumiče (k ochraně před rychlými ději), tak i omezovací ventily.

 

Jan Vaculík,
BHV senzory s. r. o.

 

 Obr. 1. Extrémní příklad pružného deformačního členu (Bourdonova pera) poškozeného přetížením

Obr. 2. Tlumič tlakových rázů se sadou výměnných kataraktů o různém škrticím účinku (Prematlak)

Obr. 3. Schéma tlakoměru s membránovým oddělovačem a s tlumičem tlakových rázů

Obr. 4. Sestava tlakoměru s tlumicí glycerinovou náplní doplněného membránovým oddělovačem s vestavěným tlumičem (BHV senzory)

Obr. 5. Tlakoměr s membránovým oddělovačem přírubového typu připojeným na kapiláře

Obr. 6. Detail omezovacího ventilu OVR