Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Snímače tlaku od firmy Endress+Hauser pro každé prostředí

Tlak je jednou z nejčastěji měřených provozních veličin. Snímače tlaku zajišťují bezpečný chod technologických procesů a dodávají nezbytné informace o používaných médiích. Měření tlaku a tlakové diference se využívá např. při měření průtoku průřezovými měřidly a při určování výšky hladiny hydrostatickou metodou. Tlak je tedy klíčovou vstupní veličinou pro řídicí systémy v mnoha provozech.
 

Historie

 
Již 25 let zkušeností v oblasti vývoje konstrukce senzorů tlaku umožňuje společnosti Endress+Hauser vytvářet snímače, které se stávají standardem v oboru provozních přístrojů. Jsou v nich spojeny nejnovější technické poznatky s nejvyšší možnou kvalitou zpracování.
 
Začátkem 80. let minulého století zahájila společnost Endress+Hauser výrobu piezorezistivních senzorů pro hydrostatické měření výšky hladiny. Během krátké doby se značka Endress+Hauser dostala do povědomí uživatelů měřicí a automatizační techniky také díky průkopnickému použití kapacitních keramických senzorů ve snímačích tlaku pro průmyslové využití. V dalších letech byl vyvinut přístroj, který se stal technickým standardem – keramický senzor tlakové diference značky Endress+Hauser s automatickou diagnostikou založenou na analýze teploty olejové náplně senzoru. Zakrátko se na trhu objevil i první snímač tlaku modulární konstrukce, která umožnila značně zjednodušit a zrychlit diagnostiku a údržbu, popř. opravy snímačů. V polovině 90. let společnost Endress+Hauser jako první uvedla na trh měřicí přístroj s kompletní nabídkou digitálních komunikačních rozhraní (HART, Profibus-PA, Foundation Fieldbus).
 
Společnost Endress+Hauser v současnosti vyrábí celkem více než 250 000 snímačů tlaku a tlakové diference. Jako jediný výrobce na světě má k dispozici automatickou kalibrační laboratoř pro ověřování snímačů tlaku při výrobě, která je akreditována Německou kalibrační službou DKD. Služeb této laboratoře využívají i jiní dodavatelé. V této laboratoři lze vyvozovat kalibrační tlaky v rozsahu od vakua až do 70 MPa s rozlišením 0,1 Pa.
 

Přístroje do různého prostředí

 
Kritickou částí měřicího přístroje je vlastní senzor, který je ve styku s měřeným médiem. Jeho konstrukce proto musí splňovat podmínky specifické pro dané použití. Vedle tradičního křemíkového piezorezistivního senzoru pro měření velkých tlaků je k dispozici kapacitní keramický senzor Ceraphire, který rozšiřuje možnosti měření tlaku v obtížných podmínkách, kde se projevují nedostatky křemíkového senzoru. Hermeticky uzavřený senzor typu Cintáte je nejlepším a osvědčeným senzorem tam, kde je v místě měření značná vlhkost, včetně zkondenzované, nebo v podmínkách s častými tlakovými rázy a rychlými změnami teploty. Membránový oddělovač zase umožňuje použít snímač s křemíkovým senzorem při vysokých teplotách nebo v podmínkách, kde by bez použití oddělovače byl vlastní senzor zničen.
 

Křemíkový piezorezistivní senzor

 
Klasický křemíkový piezorezistivní senzor s kovovou měřicí membránou (obr. 1) je používán ve snímačích určených k měření absolutního i relativního tlaku, hlavně v oblastech vysokých tlaků, nebo k měření tlakové diference. Vyznačuje se velmi dobrou přesností a odolností proti změnám okolní teploty a statického tlaku. Snímač může být instalován tak, že membrána lícuje s vnitřním povrchem nádoby nebo potrubí, takže není zapotřebí elastomerové těsnění, a v místě měření lze tudíž dodržet požadavky na hygienu a čistitelnost. Materiály, z nichž jsou membrány vyrobeny, současně vyhovují i podmínkám v mnoha chemických a petrochemických provozech. Omezujícími faktory tohoto typu senzoru jsou např. jeho velmi malá odolnost proti hlubokému vakuu, difuze molekul vodíku způsobující ztrátu linearity senzoru a malá odolnost tenké kovové membrány proti mechanickému poškození.
 

Senzor s membránovým oddělovačem

 
Při použití oddělovače (obr. 2) lze piezorezistivní senzor používat i při vysokých teplotách měřeného média. Kromě toho správně navržený oddělovač poskytuje snímači odolnost proti krystalizaci a tvorbě nánosů média. Důležitou vlastností oddělovačů je, že poskytují široké možnosti volby materiálů smáčených měřeným médiem nebo umožňují realizaci různorodých, často velmi netypických způsobů procesních připojení snímače k technologickému zařízení. Membránové oddělovače jsou však současně citlivé na podtlakové rázy a vzhledem k olejové náplni vyžadují dodržování přesných postupů při montáži. Způsobují i dodatečnou chybu měření, pro jejíž kompenzaci je třeba určité zkušenosti s touto technikou.
 

Hermeticky uzavřený senzor Contite

 
Unikátní konstrukce využívající křemíkový senzor byla vyvinuta pro měření výšky hladiny hydrostatickou metodou nebo měření tlaku hlavně v potravinářském a farmaceutickém průmyslu a v biotechnologiích. Díky hermetickému plášti chránícímu křemíkový senzor a jeho elektroniku je toto čidlo (obr. 3) bezkonkurenčním řešením pro prostředí s vysokou vlhkostí a trvalou kondenzací. Měřicí prvek je těsně uzavřen mezi dvěma membránami – měřicí a referenční. Speciálně konstruovaná měřicí membrána z materiálu Hastelloy C276 s velkou mechanickou odolností dobře snáší tlakové rázy a vydrží časté čištění. Kompenzace teplotních rázů pomocí rychlého a přesného měření teploty v blízkosti měřicí membrány uvnitř senzoru zajišťuje vhodnou reakci senzoru během čištění a sterilizace CIP/SIP. Digitální komunikace mezi vlastním senzorem Contite a převodníkem snímače tlaku zaručuje velmi dobrou přesnost a opakovatelnost měření při zachování elektromagnetické kompatibility.
 

Kapacitní senzor s keramickou membránou (Ceraphire)

 
Keramika je jeden z nejtvrdších materiálů. Vyznačuje se velkou mechanickou a chemickou odolností. Suchý (bez použití oleje) kapacitní senzor Endress+Hauser je osazen (obr. 4) keramickou měřicí membránou s třicetkrát větší tloušťkou, než je tomu u klasických senzorů s kovovou membránou. To přináší zřetelné rozdíly – senzor se vyznačuje značnou tlakovou přetížitelností, je odolný proti mechanickému poškození a abrazi a má vynikající vlastnosti při měření hlubokého vakua až do teploty 150 °C (autoklávy, sterilizace párou). Velmi čistý keramický materiál (99,9% Al2O3) zaručuje velmi dobrou odolnost proti korozi a minimalizuje efekt hystereze i při nízkých provozních teplotách. Při všech uvedených přednostech jsou zachovány i příznivé náklady na výrobu senzorů v porovnání s náklady na výrobu křemíkových senzorů ze speciálních materiálů. I keramický senzor má některá omezení. Je třeba brát v úvahu náchylnost vnitřního prostoru senzoru pro měření relativního tlaku ke zvlhnutí a zpožděnou kompenzaci teplotních šoků. Vzhledem ke speciální konstrukci senzoru je také nutné spokojit se s maximálním měřicím rozsahem 4 MPa.
 
Keramický senzor je však vynikající volbou při výrobě papíru a celulózy (přítomnost louhů a buničiny), v chemii (výskyt koncentrovaných kyselin a vodíku) a v energetice (např. ve výměnících za turbínami). V těchto prostředích keramický senzor dokonale nahradí drahé senzory s kovovou membránou vyráběné ze speciálních materiálů.
 

Přístroje pro každého uživatele

 
Neustálý rozvoj a zdokonalování produktů firmy Endress+Hauser a jejich optimalizace na základě požadavků jednotlivých průmyslových odvětví přinesly ovoce v podobě vytvoření skupiny vyzrálých převodníků tlaku a tlakové diference, ke kterým aplikační specialisté Endress+Hauser vyberou nejvhodnější senzor tak, aby splňoval všechny požadavky téměř libovolné měřicí úlohy. Uživatelé přístrojů značky Endress+Hauser tak mají unikátní možnost zvolit si přístroj odpovídající přesně jejich očekáváním ohledně funkce i požadavkům technologického procesu při zachování příznivých nákladů na měřicí techniku.
 
Obr. 1. Křemíkový piezorezistivní senzor
Obr. 2. Senzor s membránovým oddělovačem
Obr. 3. Hermeticky uzavřený senzor Cintáte
Obr. 4. Kapacitní senzor Ceraphire s keramickou membránou