Poznatky z dynamických měření snímačů tlaku

Poznatky z dynamických měření snímačů tlaku

V příspěvku jsou uvedeny některé poznatky získané při měřeních průmyslových snímačů tlaku a rozdílu tlaků uskutečněných v Ústavu automatizace a měřicí techniky FEI VUT v Brně (ÚAMT) i v provozních podmínkách při měření technologických parametrů energetických zařízení v letech 1997 až 2000. Měření se uskutečnila na téměř čtyřiceti snímačích tlaku a rozdílu tlaků od osmi různých výrobců, většinou v provedení smart a v několika případech i s jadernou kvalifikací.

1 Úvod

Užívání řídicích počítačů při řízení provozu průmyslových zařízení změnilo požadavky na měření technologických veličin. Řídicí počítače reagují na změny signálů podstatně rychleji než dříve používaná zařízení, což vyvolalo větší požadavky zejména na snímače (field instrumentation), mezi nimi na snímače tlaku a rozdílu tlaků (dále jen snímače tlaku) a jejich měřicí obvody.

Při provozu průmyslových zařízení může v impulsním potrubí (IP), prostřednictvím kterého je snímač tlaku připojen k technologickému zařízení, vzniknout tlakový ráz, představující jeden z možných parazitních signálů analyzovaných měřicími obvody. Snímače, zejména rozdílu tlaků, mohou na tento ráz reagovat stejně jako na reálný signál z technologie, což vede ke vzniku nestandardních stavů. Mechanismus tohoto jevu není vždy dostatečně exaktně znám. Jde o poměrně komplikovaný problém, kdy se tlakový ráz šíří měronosným pracovním médiem, kovovým prostředím IP i všemi opěrnými konstrukcemi (obecně okolním prostředím) rozdílnými rychlostmi a intenzitou. Vzniká stojaté kmitání, odrazy šířících se vln od stěn a přechodů IP a tím následná interference přímých i nepřímých vln. IP v obecném slova smyslu představuje akustický (hydraulický) vlnovod, který je teoreticky možné řešit pomocí přenosových funkcí jako jiné typy vlnovodů. Problémy s tím spojené jsou však takového rozsahu, že exaktní řešení je v podstatě nemožné.

IP svojí geometrií, materiálem, konstrukcí, upevněním a zabudovanými spojovacími a měřicími komponentami tvoří velmi složitý mechanicko-hydraulický rezonanční systém, který může být vybuzen a rozkmitáván na vlastní frekvenci systému i na jejích harmonických. Parazitní signály mohou být systémem i zesilovány. Dochází k vzájemnému provázání a závislostem mnoha parametrů systému navzájem, což způsobuje značné obtíže při pokusech o analytické vyjádření, popř. simulování (modelování) dynamického chování měřicího obvodu. Používaná zjednodušená řešení, omezující se pouze na IP, vedou k matematickému popisu pomocí kmitavého členu druhého řádu. Platnost takových modelů je v reálných průmyslových podmínkách dosti omezená. Chování měřicího obvodu je tudíž nezbytně nutné experimentálně ověřovat v reálných nebo jim blízkých provozních podmínkách.

Aby se vyloučilo ovlivňování zkoušeného systému měřicí metodou, musí být jejich vzájemná interakce minimální. Nejvýhodnější jsou tedy bezdotykové metody měření. Ty jsou však značně nákladné a ve skutečných pracovních podmínkách často i obtížně použitelné. Bylo proto zvoleno kompromisní řešení, spočívající v definovaném a reprodukovatelném způsobu vytváření vzruchu (s pracovním označením rázová vlna) a vyšetřování časové závislosti výstupu (odezvy) u zkoušených snímačů.

Ke sledování změny tlaku byly jako referenční použity „rychlé“ snímače tlaku firem BVH Senzor, typ DMP331, a Orbit Controls, typ STS AMT, s proudovým výstupem 4 až 20 mA a se zaručovaným frekvenčním rozsahem do 30 kHz. Signály ze zkoušených snímačů tlaku, rozdílu tlaků i referenčních snímačů byly zaznamenávány a zobrazovány číslicovým osciloskopem Hewlett-Packard HP54601B (100 MHz). Správnost (shoda) naměřených údajů byla ověřena, ve spolupráci se zastoupením dánské firmy Brüel & Kjaer v ČR, pomocí zapůjčeného několikakanálového analyzátoru 3560 a miniaturních akcelerometrů [2].

2. Dynamické vlastnosti snímačů

K základním parametrům charakterizujícím dynamické vlastnosti snímačů tlaku patří časová konstanta, dopravní zpoždění, doba odezvy, doba ustálení a tlumení snímače. Tyto jednoznačné a v prvním přiblížení bezproblémové základní údaje při podrobnějším pohledu svoji triviálnost v některých aspektech ztrácejí. Navíc se lze setkat i s jejich nejednotnou interpretací. Proto dále uvádíme jejich vymezení, popř. i způsob měření ve shodě se zavedenou praxí (např. [8]):

• Časová konstanta t (time constant) je definována jako doba, za kterou výstupní signál snímače dosáhne úrovně 63,2 % konečné hodnoty odezvy na jednotkový skok tlaku, počínaje okamžikem první změny výstupního signálu. U snímačů tlaku se jednotkový skok tlaku realizuje obvykle z maximálního tlaku na minimální. Časová konstanta se nejčastěji určuje z přechodové charakteristiky (graficky nebo numericky). Při konkrétním vyhodnocování přechodových charakteristik byly používány obě metody (přednostně metoda numerická).

• Dopravní zpoždění T_d (dead time) je časový interval vymezený okamžikem počátku jednotkové změny tlaku (t = 0) na vstupu snímače a okamžikem první pozorovatelné změny výstupního signálu snímače.

• Doba odezvy T_R (response time) je doba, která uplyne od okamžiku zavedení jednotkového skoku tlaku vstupního tlaku (t = 0) do dosažení 63,2 % konečné hodnoty signálu na výstupu snímače tlaku. Doba odezvy je tedy součtem dopravního zpoždění a časové konstanty snímače.

• Dobou ustálení T_S (settling time) je doba mezi začátkem jednotkového skoku tlaku a okamžikem, kdy výstupní signál snímače tlaku dosáhne 98 % své konečné hodnoty. V praxi se používají hodnoty dané součtem dopravního zpoždění a čtyřnásobku až sedminásobku časové konstanty t.

• Tlumení snímače je obvykle řešeno hardwarově způsobem umožňujícím nastavit dobu odezvy snímače tlaku buď plynule, nebo skokově. Ovlivňuje velikost šumu (mění poměr signál/šum).

Uvedené parametry se obvykle stanovují z přechodové charakteristiky snímačů tlaku (odezvy snímače na jednotkový skok tlaku), jejíž průběh závisí na konstrukci (principu čidla, typu a výrobci snímače) a u číslicových snímačů tlaku také se vzorkováním a způsobem (dobou) převodu měronosného signálu v elektronické části snímačů tlaku (s metodou a algoritmizací použitých konverzí).

Celková doba odezvy T_R, která má v praxi pro většinu uživatelů zásadní význam, závisí u snímačů tlaku (uvažujeme-li provedení smart) na:

• „mechanické“ odezvě čidla,
• době převodu A/Č převodníku,
• taktovací frekvenci procesoru (popř. DSP – Digital Signal Processor),
• době převodu Č/A převodníku.

Obecně lze dobu odezvy snímačů tlaku ovlivňovat změnou dopravního zpoždění, časové konstanty a tlumení. Dopravní zpoždění je určeno dobami trvání A/Č a Č/A převodu a taktovací frekvencí procesoru. Proto je u čistě analogových snímačů tlaku obvykle kratší. Časová konstanta snímačů tlaku závisí dále na rozměrech, materiálu, náplni a teplotě vlastního čidla.

Zmíněné základní údaje výrobci u svých snímačů obvykle udávají. Existují však i další vlivy, které ovlivňují dobu odezvy (časovou konstantu). Údaje o jejich působení však běžně nejsou uživateli dostupné. Příkladem může být zpráva [8], zabývající se touto problematikou, kde jsou definovány tyto podmínky měření a nastavení snímačů:

• teplota,
• materiál membrány a tlumicí náplně,
• smysl změny tlaku,
• velikost tlumení,
• dopravní zpoždění a doba odezvy.

Lze dovodit, že doba odezvy bude záviset i na měřicím rozsahu snímačů tlaku (range code, Meßbereich). Jeho změnou (i u různých modelů stejného typu) se může měnit tuhost deformačního členu, což se projevuje změnou mechanických vlastností čidla.

S ohledem na omezené vybavení byly zkoušky vykonávané v ÚAMT zaměřeny především na zjišťování vzájemného vlivu tlumení a doby odezvy na měřicí rozsah snímače a na odezvy snímačů na rázovou vlnu a možnosti omezení jejího vlivu.

Ačkoliv eliminování parazitních vlivů rázové vlny zvětšováním tlumení snímače autoři nepovažují za správné, má hodnota tlumení a její stabilita značný význam. Vzhledem k tomu, že parazitní tlakový ráz v IP podle kap. 1 se v daných podmínkách projevoval různě u i jednotlivých typů snímačů jednotlivých výrobců, bylo nutné snímače navzájem porovnat. Pro ověření chování snímačů a zkoumání daného parazitního jevu bylo navrženo a zřízeno zvláštní experimentální pracoviště.

3. Experimentální pracoviště

3.1 Návrh a realizace zařízení
Při koncipování experimentálního pracoviště byly za základ vzaty uspořádání, rozměry a materiály IP běžně používané v průmyslových zařízeních. Protože se provedení IP v jednotlivých provozech liší co do délky, tvaru i upevnění, bylo snahou zohlednit především jejich nejtypičtější a nejčastěji se vyskytující znaky.

Při zkouškách byla použita tři zkušební zařízení (stendy). První, jehož schéma je na obr. 1, sloužilo pouze ke snímání přechodových charakteristik snímačů [1]. Druhé bylo navrženo a používáno pro ověřování chování snímačů tlaku při působení tlakového rázu. Třetí zařízení se nejvíce blížilo skutečnému provedení IP v praxi při snaze o konstrukci v co největší míře modulární a univerzální.

Schéma třetího zařízení, vyrobeného brněnskou firmou Vavra spol. s r. o. v laboratoři ÚAMT, je na obr. 2. Zařízení má tři základní části: konzolu umožňující připojit zkoušené snímače, vlastní IP a válec sloužící k nastavení stejných pracovních podmínek snímačů, jaké jsou v reálném provozu (pracuje se s malým rozdílem tlaků asi do 5 kPa).

Na zdi upevněná konzola drží pěticestný ventilový blok, určený k připojení zkoušeného snímače tlaku (rozdílu tlaků) i „rychlého“ referenčního snímače tlaku (na vstup „plus“ i „minus“ zkoušeného průmyslového snímače rozdílu tlaků). Celek je k IP připojen pomocí tvarovky ve tvaru T, umožňující napojit další potřebné komponenty (popř. zařízení odvzdušňovat) a dvoucestný ventilový blok v každém vstupu.

IP představují trubky o vnějším průměru 14 mm a vnitřním 10 mm v celkové délce jedné větve až 9 m, které je možné uchytit ke stěně laboratoře pěti ocelovými úchyty, na obr. 2 označenými písmeny A až E. Lze volit libovolnou kombinaci úchytů.

Na druhé stěně, kolmé ke stěně s IP, je upevněn válec z korozivzdorné oceli o vnějším průměru 90 mm a tloušťce stěny 4 mm, simulující např. tlakový zásobník parogenerátoru a umožňující nastavit požadovaný pracovní bod snímačů tlaku v rozsahu od nuly do asi 790 mm vodního sloupce. K jeho hornímu víku je připojen dvoucestný ventilový blok pro přepouštění plnicího média (vody), odvzdušňování celého systému atd. Stejné řešení je použito i ve dně válce, kde ale slouží ke snižování hladiny ve válci a tím i k nastavení požadovaného rozdílu tlaku mezi místem horního odběru (+IP vlevo nahoře) a dolního odběru (–IP vlevo dole). Pod napouštěcím vyústěním vpravo nahoře je vývod pro připojení kontrolního tlakoměru k měření tlaku ve válci (v systému). Napouštěcí i vypouštěcí trubka jsou uchyceny na zdi pod válcem a připojeny přes dvoucestný ventilový blok. Vypouštěcí trubka je připojena ke sběrnému zařízení (odpadu), napouštěcí k vodovodnímu potrubí nebo k nádobě s tlakovým plynem (pro nastavení statického tlaku). Podél celého IP byla zvolena místa, ve kterých byl systém buzen definovanými mechanickými rázy (na obr. 2 označená číslicemi 1 až 19).

3.2 Pracovní podmínky v laboratoři
Při zkouškách snímačů byly dodržovány tyto podmínky:

• teplota okolí 22 ±3 °C,
• relativní vlhkost 55 ±20 %,
• celkový zatěžovací odpor snímačů 430 W (rezistor typu TR 161),
• minimální doba náběhu přístrojů po zapnutí 20 min,
• montáž snímačů na svislé IP,
• napájecí napětí snímačů 24 V DC.

4. Průběh a výsledky měření

Experimentální pracoviště byla umístěna v laboratoři ÚAMT. S ohledem na skutečné pracovní podmínky byl celý systém IP pevně přichycen pouze ve dvou místech: na konzole pěticestného ventilového bloku a na tlakovém válci. Ostatní místa uchycení se měnila podle potřeby experimentů. Systém byl vyspádován (asi 10°) a naplněn vodou. Před každým měřením, popř. při výměně snímače nebo jiné komponenty, byl odvzdušněn a měření bylo opakováno nezávisle na sobě (v časovém odstupu obvykle třikrát) tak, aby byla splněna podmínka reprodukovatelnosti. Nicméně i při tomto postupu existoval určitý rozptyl naměřených hodnot. Jako výsledky měření jsou proto obvykle uvedeny střední hodnoty.

Největší problémy byly s odvzdušňováním systému. Dodržován byl stále stejný postup, modifikovaný pouze v závislosti na typu snímače a jeho obslužném komfortu.

Například po nakonfigurování snímače rozdílu tlaků (ručně, komunikátorem nebo modemem a PC) na měřicí rozsah 0 až 4,71 kPa (s výjimkou snímačů H&B AVK-800, kde bylo nastaveno 5,0 kPa, u Fisher-Rosemount 1151DP4 asi 6 kPa a u ITT Barton 9,8 až 0,0 kPa) a tlumení (v intervalu od minima do 2 s) byly měřicí komory snímačů zaplněny vodou a ještě před montáží k ventilovému bloku odvzdušněny. Následoval proplach, opakované odvzdušnění a nastavení poloviny pracovního rozsahu (přibližně na 2,35 kPa, tj. na výstupní proud snímače 12 mA při rozsahu 4,71 kPa). Při ověřování snímačů při vyšším statickém tlaku byly použity tlakové láhve se stlačený vzduchem. Protože nebyl k dispozici kalibrátor tlaku, byla přesná změna měřicího rozsahu možná pouze u snímačů v provedení smart.

IP bylo buzeno úderem s použitím kyvadlového zařízení, u kterého bylo možné měnit velikost energie úderu. Jednalo se o kyvadlo s konstantní délkou, s nastavitelnou hmotností a úhlem vychýlení. Nejčastěji byly použity úhly 20° nebo 30°, odpovídající hodnotě síly195 nebo 268,5 N (měřeno rázovým kladívkem [2]). V tomto režimu se odezvy na rušivý signál nejvíce blížily skutečným průběhům naměřeným v reálných podmínkách praxe.

5. Diskuse výsledků experimentů

Na IP je nutné pohlížet jako na velmi komplikovaný komplexní systém, jehož všechny komponenty jsou spolu velmi těsně provázány a navzájem se značně ovlivňují.

Na šíření poruchového jevu mohou mít tedy vliv všechny komponenty systému, tj. vlastní IP, pracovní tlakové médium i okolí v mechanickém kontaktu s IP – např. nosníky, opěrné a pomocné konstrukce, měřicí a regulační prvky – a jejich vzájemné mechanické vazby.

Při uvažování IP jako akustického vlnovodu a rychlosti šíření zvuku ve vodě asi 1 420 m·s^–1, vychází základní rezonanční kmitočet IP v rozmezí přibližně od 6 do 140 Hz.

Tyto skutečnosti byly experimentálně ověřovány v laboratorních podmínkách i v průmyslovém prostředí a bylo dosaženo jejich dobré vzájemné shody (včetně shody s teoretickými předpoklady).

Jestliže na IP nahlížíme jako na selektivní laděný obvod, je možné, ve shodě s experimenty provedenými ve Škoda Plzeň [1], konstatovat, že IP přenáší dynamické změny tlaku bez ovlivňování pouze v případě, že mezní horní kmitočet těchto změn je podstatně menší než rezonanční kmitočet IP. Protože tato podmínka nebývá splněna, chová se IP jako selektivní přenosový člen, který může v určitém frekvenčním rozsahu změny tlaku nejen zkreslovat, ale i zesilovat (změna fáze i amplitudy změn tlaku v IP).

Vznik poruchového jevu je obecně možný tehdy, je-li IP jako celku dodána energie (vnějším nebo vnitřním mechanismem). V praxi nejčastěji přicházejí v úvahu různé mechanické rázy do vlastního IP nebo do kotvicích a pomocných konstrukcí v kobkách, skokové (rázové) změny z technologie atd. Byly uvažovány pouze mechanismy vzniku poruchového jevu reálně se vyskytující za běžného provozu.

Vliv statického tlaku se projevuje v IP prostřednictvím důležitého fenoménu vyskytujícího se v hydraulických systémech – vzduchu. Ten má zcela zásadní vliv na chování systému, a to zejména při přesném měření dynamických změn tlaku. Proto je nutné věnovat odvzdušnění značnou pozornost a dbát na všechny předpisy a doporučení. Problém je o to komplikovanější, že ve většině případů není možná zcela objektivní rychlá kontrola odvzdušnění IP v systému (např. opticky, frekvenční charakteristikou atd.).

Nicméně lze konstatovat, že se při experimentech podařilo IP reprodukovatelně vybudit a přesvědčit se, že pokud je systém dokonale odvzdušněn, nemá statický tlak v systému podstatný vliv na vznik a šíření poruchových jevů typu rázové vlny. Mění se pouze tuhost celého systému a tím i nepodstatně některé časově závislé veličiny (např. časová konstanta, doba odezvy, doba ustálení a rezonanční frekvence).

Poruchový jev typu rázové vlny lze ovlivňovat několika způsoby. Především změnou tlumení snímače, což však není postup koncepčně správný z hlediska měřicí ani regulační techniky. Zvětšováním tlumení snímače se sice vliv poruchových jevů omezí, popř. zcela odstraní, ale za cenu zmenšení informačního obsahu výstupního signálu a rychlosti odezvy, u řídicích systémů kvality regulace. Správným řešením je neomezovat informační obsah (rychlost odezvy) snímačů, ale zamezit vznik rušivých signálů v časové a frekvenční oblasti, které se mohou spektrálně překrývat se signály z technologie. Dále je nutné používat účinné (efektivní) programové algoritmy ke zpracování a vyhodnocování signálů.

Celkem bylo zkouškám zaměřeným na zjišťování dynamických vlastností měřicích obvodů se snímači tlaku podrobeno 38 snímačů od osmi výrobců, uvedených v tab. 1.

Tab. 1. Zkoušené snímače tlaku a rozdílu tlaků

Všechna měření znovu prokázala známé skutečnosti týkající se průmyslových snímačů tlaku (např. že využitelnost měřicího rozsahu nesouvisí pouze s přesností, ale i s přídavnými chybami, jako jsou stabilita nuly, chyba způsobená vnější teplotou, vlhkostí, tlakem a vlivy zvlnění a dynamiky měřeného i výstupního signálu, s velikostí a stálostí zesílení elektroniky snímače a u snímačů rozdílu tlaků také s velikostí statického tlaku a popř. i dalšími vlivy).

Zjištěny byly ale i skutečnosti méně známé, jako např. závislost doby odezvy (časové konstanty) na měřicím rozsahu při konstantním tlumení snímače. Doba odezvy se může prodlužovat i zkracovat, přičemž její změna se změnou měřicího rozsahu snímače nemusí být monotónní. Ukázka změny přechodové charakteristiky digitálního snímače tlaku, a s ní doby odezvy, v závislosti na měřicím rozsahu při konstantním minimálním tlumení snímače je na obr. 3 (nahoře přechodové charakteristiky při třech měřicích rozsazích 100, 47,1 a 4,71 kPa, dole časový průběh měřeného tlaku). Na obr. 4 je uvedena tatáž závislost pro analogový typ snímače tlaku. Závislost časové konstanty na měřicím rozsahu snímače byla experimentálně prověřena u všech ověřovaných snímačů (tab. 1).

Na základě výsledků měření je možné konstatovat, že u snímače tlaku (rozdílu tlaků) nelze a priori předpokládat, že při konstantním tlumení např. není ovlivňována doba odezvy změnou měřicího rozsahu. Všude tam, kde záleží na přesné a stálé hodnotě doby odezvy nezávislé na měřicím rozsahu a tlumení snímače, je nutné tuto nezávislost u konkrétního modelu snímače experimentálně ověřit. Nejlépe v podmínkách, které se blíží skutečnému pracovnímu režimu (výrobci podmínky, za jakých platí jimi udávané hodnoty, neuvádějí). Doba odezvy T_R se totiž může podle výrobce a typu snímače měnit v širokých mezích (u proměřovaného souboru snímačů tlaku to bylo v rozsahu od –24 do +92 % jmenovité hodnoty).

Řešením uvedeného problému, ale i dynamického měření tlaku obecně, může být v některých případech i funkce smart smoothing, použitá u průmyslových snímačů tlaku (rozdílu tlaků) firmou Foxboro Eckardt. Představuje způsob, označovaný také jako inteligentní vyhlazování, popř. dynamický programovatelný filtr, spojený se zlepšením přesnosti a maximálním využitím měřicího rozsahu. Může odstranit obvyklé provozní technologické šumy vznikající např. chvěním IP, opěrných konstrukcí a jiných komponent měřicího řetězce, nestabilitou (vířením) povrchu hladiny v nádržích a zásobnících apod.

6. Závěr

Cílem článku je upozornit na jev parazitního rázu, který může nastat v případě využívání IP v měřicích obvodech snímačů ve spojitosti s moderní digitální technikou. Jak prokázala měření, lze tento jev opakovaně vyvolat, ve větší či menší míře, u všech zkoušených snímačů tlaku. Jde tedy o jev spojený s využitím IP. Dále bylo prokázáno, že tento nežádoucí jev lze potlačit bez vlivu na kvalitu a dynamiku měření úpravami IP.

Na základě pozitivní odezvy na dosavadní výsledky zkoušek dynamických vlastností snímačů tlaku (rozdílu tlaků) a zájmu výrobců (distributorů) o ně se v experimentech v ÚAMT dále pokračuje. Za pomoci některých výrobců snímačů tlaku (zejména Emerson Process Management, Foxboro Eckhardt, Siemens, Honeywell a Endress+Hauser [8], [6], [5]) a firem Vavra spol. s r. o. Brno, Atecom spol. s r. o. Bílovice a I&CS Třebíč se daří postupně budovat potřebná pracoviště.

V současné době je v ÚAMT již uvedena do provozu nová laboratoř pro měření průtoku a tlaku, umožňující vykonávat všechna měření uvedená v článku a navíc již vybavená vlastním multianalyzátorem firmy Brüel & Kjaer 3560 C (poskytuje možnost uskutečňovat např. srovnávací čtyřkanálové měření). K dispozici je i řídicí systém DeltaV od firmy Emerson Process Management.

Dalším významným zařízením je i vzduchová zkušební trať pro průtokoměry DN 80 (připravují se varianty DN 50 a DN 100), realizovaná firmou Vavra spol. s r. o. a určená zejména pro měření několikaotvorových rychlostních sond. Rychlost průtoku vzduchu je regulovatelná v rozsahu 0 až 20 m·s^–1.

Ludvík Bejček, Jaroslav Prečan
(bejcek@feec.vutbr.cz)