Meranie tlaku patrí medzi základné procesné merania v priemysle. Tlakové snímače sa používajú pri monitorovaní technologických potrubí, nádrží, čerpadiel, tlakových systémov aj chemických procesov.

Nie každé médium však možno priviesť priamo k meraciemu prvku tlakového snímača.

Problém nastáva najmä pri vysokých teplotách, agresívnych chemikáliách, viskóznych kvapalinách alebo médiách, ktoré kryštalizujú či tuhnú.

V takýchto aplikáciách môže priamy kontakt s procesným médiom spôsobiť poškodenie snímača, upchatie tlakového pripojenia alebo postupnú stratu presnosti merania.

Riešením môže byť membránový oddeľovač tlaku, ktorý oddeľuje procesné médium od meracieho systému a umožňuje prenášať tlak bez priameho kontaktu média s vnútorným meracím mechanizmom.

Ako membránový oddeľovač funguje, kedy sa používa a čo treba zohľadniť pri jeho výbere?

Čo je membránový oddeľovač tlaku?

Membránový oddeľovač, označovaný aj ako diaphragm seal alebo chemical seal, je zariadenie určené na oddelenie procesného média od tlakového snímača alebo manometra.

Jeho hlavnou súčasťou je tenká kovová alebo špeciálna procesná membrána, ktorá je v priamom kontakte s meraným médiom.

Za membránou sa nachádza uzavretý priestor vyplnený vhodnou prenosovou kvapalinou.

Pri zmene procesného tlaku sa membrána mierne deformuje a prenáša tlak prostredníctvom plniacej kvapaliny na merací prvok snímača.

Výsledkom je možnosť merať tlak aj v podmienkach, kde by priame pripojenie štandardného tlakového snímača nebolo vhodné.

Membránový oddeľovač sa používa s:

• tlakovými snímačmi,

• prevodníkmi tlaku,

• snímačmi diferenčného tlaku,

• mechanickými manometrami,

• špeciálnymi meracími zostavami.

Dôležité je, že membránový oddeľovač nie je samostatným meracím prístrojom. Je súčasťou meracieho systému, ktorý musí byť správne navrhnutý a naplnený.

Ako funguje membránový oddeľovač tlaku?

Princíp fungovania je založený na prenose tlaku cez pružnú membránu a prakticky nestlačiteľnú plniacu kvapalinu.

Celý proces možno rozdeliť do štyroch krokov.

1. Procesné médium pôsobí na membránu

Tlak kvapaliny alebo plynu pôsobí na vonkajšiu stranu oddeľovacej membrány.

2. Membrána sa mierne deformuje

Pri zmene tlaku dochádza k malému pružnému vychýleniu membrány.

3. Plniaca kvapalina prenáša tlak

Uzavretá plniaca kvapalina prenáša tlak z membrány na merací prvok tlakového snímača.

4. Snímač vyhodnotí tlak

Elektronika tlakového prevodníka spracuje signál a poskytne výslednú hodnotu, napríklad prostredníctvom výstupu 4–20 mA alebo komunikácie HART.

Základnou výhodou je, že procesné médium neprichádza do priameho kontaktu s vnútorným meracím prvkom snímača.

To umožňuje používať meracie systémy aj v náročných technologických podmienkach.

Kedy je potrebné použiť membránový oddeľovač?

Membránové oddeľovače sa používajú predovšetkým v aplikáciách, kde by priame meranie tlaku spôsobovalo technické alebo prevádzkové problémy.

1. Meranie tlaku pri vysokých teplotách

Vysoká teplota procesného média môže prekročiť povolený teplotný rozsah tlakového snímača.

Pri priamom kontakte môže dochádzať k:

• prehrievaniu elektroniky,

• poškodeniu tesnení,

• zhoršeniu presnosti,

• zrýchlenému starnutiu komponentov,

• skráteniu životnosti snímača.

Membránový oddeľovač umožňuje oddeliť snímač od horúceho média.

Pri vysokoteplotných aplikáciách sa často používa aj kapilára, ktorá umožňuje umiestniť tlakový prevodník ďalej od zdroja tepla.

Dôležité: Samotný membránový oddeľovač automaticky nezaručuje dostatočné ochladenie snímača. Rozhodujúca je konštrukcia zostavy, teplota média, spôsob montáže, kapilára a použitá plniaca kvapalina.

Typickými aplikáciami sú:

• horúce technologické oleje,

• chemické reaktory,

• vysokoteplotné procesné nádrže,

• výroba plastov,

• potravinárske technológie.

2. Agresívne a korozívne médiá

Niektoré chemické látky môžu poškodzovať materiály bežných tlakových snímačov.

Môže ísť napríklad o kyseliny, zásady alebo ďalšie agresívne procesné kvapaliny.

V takýchto prípadoch je dôležité vybrať vhodný materiál oddeľovacej membrány.

Podľa konkrétnej aplikácie sa používajú napríklad:

• nehrdzavejúca oceľ 316L,

• Hastelloy,

• tantal,

• špeciálne povlaky a ďalšie chemicky odolné materiály.

Materiál membrány musí byť kompatibilný s procesným médiom, jeho koncentráciou, teplotou a prevádzkovými podmienkami.

Nesprávne zvolený materiál môže viesť ku korózii membrány a následnému zlyhaniu meracieho systému.

3. Viskózne a husté kvapaliny

Pri meraní tlaku viskóznych médií môže dochádzať k zanášaniu alebo upchávaniu úzkych tlakových pripojení.

Typickými príkladmi sú:

• husté oleje,

• lepidlá,

• živice,

• sirupy,

• pasty,

• polyméry,

• rôzne chemické zmesi.

Pri takýchto aplikáciách môže byť vhodným riešením membránový oddeľovač s čelnou membránou, ktorá je umiestnená v jednej rovine s procesným pripojením.

Takéto vyhotovenie obmedzuje vznik priestorov, v ktorých by sa médium mohlo usadzovať.

Výhodou je jednoduchšie čistenie a nižšie riziko upchatia meracieho pripojenia.

4. Kryštalizujúce a tuhnúce médiá

Niektoré technologické kvapaliny pri poklese teploty tuhnú alebo vytvárajú kryštalické usadeniny.

Ak sa takéto médium dostane do úzkeho tlakového kanála, môže ho postupne upchať.

Výsledkom býva:

• oneskorená reakcia snímača,

• nesprávna hodnota tlaku,

• úplná strata merania,

• potreba častého čistenia.

Membránový oddeľovač s vhodným procesným pripojením môže tento problém výrazne obmedziť.

Pri niektorých aplikáciách však môže byť potrebné aj vyhrievanie procesného pripojenia alebo iné konštrukčné opatrenia.

5. Hygienické aplikácie

V potravinárskom a farmaceutickom priemysle sú dôležité nielen technické parametre merania, ale aj hygienické požiadavky.

Meracie zariadenia musia byť navrhnuté tak, aby sa minimalizovali priestory, v ktorých sa môžu zachytávať zvyšky produktu.

Membránové oddeľovače s hygienickými procesnými pripojeniami sa používajú napríklad pri:

• výrobe mliečnych výrobkov,

• spracovaní nápojov,

• farmaceutických procesoch,

• výrobe kozmetiky,

• technologických systémoch CIP a SIP.

Pri výbere treba zohľadniť požiadavky na čistiteľnosť, materiálové vyhotovenie a príslušné hygienické certifikácie.

Priamy membránový oddeľovač alebo oddeľovač s kapilárou?

Membránové oddeľovače sa používajú v rôznych konštrukčných vyhotoveniach.

Jedným z najdôležitejších rozdielov je spôsob spojenia oddeľovača s tlakovým snímačom.

Priamo pripojený membránový oddeľovač

Pri tomto riešení je tlakový snímač namontovaný priamo na membránovom oddeľovači.

Výhody:

• kompaktná konštrukcia,

• spravidla rýchlejšia odozva,

• menší objem plniacej kvapaliny,

• jednoduchšia montáž,

• menší vplyv teplotných zmien plniaceho systému.

Nevýhodou môže byť vyššie tepelné zaťaženie snímača, ak je procesné médium veľmi horúce.

Membránový oddeľovač s kapilárou

Pri tomto riešení je oddeľovač spojený so snímačom pomocou tenkej kapiláry naplnenej prenosovou kvapalinou.

Výhodou je možnosť umiestniť snímač mimo bezprostrednej blízkosti procesu.

Používa sa napríklad pri:

• vysokých procesných teplotách,

• zle prístupných meracích miestach,

• náročných montážnych podmienkach,

• niektorých meraniach diferenčného tlaku a hladiny.

Kapilára však môže ovplyvňovať presnosť a dynamickú odozvu meracieho systému.

Ako dĺžka kapiláry ovplyvňuje meranie?

Kapilára nie je iba mechanickým prepojením medzi oddeľovačom a snímačom.

Je súčasťou hydraulického meracieho systému.

Jej dĺžka, vnútorný priemer, objem plniacej kvapaliny a teplotné podmienky môžu ovplyvňovať výsledok merania.

Pri dlhších kapilárach môže dochádzať k:

• pomalšej odozve na zmeny tlaku,

• vyššiemu vplyvu okolitej teploty,

• väčším teplotne podmieneným odchýlkam,

• zložitejšiemu návrhu meracej zostavy.

Preto nie je vhodné voliť kapiláru automaticky čo najdlhšiu.

Správna dĺžka kapiláry má byť taká, aby vyhovovala montážnym a teplotným podmienkam, ale zároveň zbytočne nezhoršovala vlastnosti merania.

Pri presných aplikáciách treba posúdiť celý merací systém.

Prečo je dôležitá plniaca kvapalina?

Pri membránových oddeľovačoch zohráva významnú úlohu kvapalina, ktorá prenáša tlak medzi membránou a snímačom.

Plniaca kvapalina musí mať vhodné vlastnosti pre konkrétne prevádzkové podmienky.

Pri výbere sa posudzuje najmä:

• minimálna a maximálna prevádzková teplota,

• tepelná rozťažnosť,

• viskozita,

• tlak pár,

• kompatibilita s aplikáciou,

• požiadavky na bezpečnosť a hygienu.

Používajú sa napríklad rôzne silikónové oleje alebo špeciálne plniace kvapaliny.

Pri hygienických aplikáciách môžu byť potrebné plniace kvapaliny schválené pre príslušné použitie.

Čo sa stane pri nesprávnom výbere?

Ak plniaca kvapalina nie je vhodná pre daný teplotný rozsah, môže dochádzať k zhoršeniu presnosti, pomalej odozve alebo poškodeniu meracieho systému.

Pri vysokých teplotách je dôležitý aj tlak pár kvapaliny, najmä v kombinácii s nízkym procesným tlakom.

Preto musí byť plniaca kvapalina zvolená podľa konkrétnych prevádzkových podmienok.

Ako teplota ovplyvňuje presnosť membránového oddeľovača?

Jedným z najdôležitejších faktorov je tepelná rozťažnosť plniacej kvapaliny.

Pri zmene teploty sa mení jej objem.

Keďže ide o uzavretý systém, objemová zmena môže spôsobiť deformáciu membrány a vznik dodatočného tlakového účinku.

Ten sa môže prejaviť ako chyba merania.

Tento jav je významný najmä pri:

• veľkých teplotných rozdieloch,

• dlhých kapilárach,

• nízkych meracích rozsahoch,

• meraní diferenčného tlaku,

• aplikáciách s vysokými požiadavkami na presnosť.

Preto je potrebné pri výbere zohľadniť nielen presnosť samotného tlakového snímača, ale aj teplotnú chybu celej zostavy s membránovým oddeľovačom.

Membránové oddeľovače pri meraní diferenčného tlaku

Membránové oddeľovače sa používajú aj pri meraní diferenčného tlaku.

Typickou aplikáciou je meranie hydrostatickej hladiny v uzavretých tlakových nádržiach.

Pri takomto meraní môže byť jeden membránový oddeľovač pripojený k spodnej časti nádrže a druhý k hornej časti.

Diferenčný tlakový prevodník vyhodnocuje rozdiel medzi oboma tlakmi.

Pri návrhu však treba zohľadniť:

• výškové rozdiely medzi oddeľovačmi a prevodníkom,

• hydrostatický tlak plniacej kvapaliny,

• dĺžku kapilár,

• rozdielne teplotné podmienky,

• hustotu meraného média,

• nastavenie nulového bodu a meracieho rozsahu.

Nesprávne navrhnutá zostava môže vykazovať významnú chybu aj vtedy, keď je samotný diferenčný tlakový prevodník technicky v poriadku.

Najčastejšie chyby pri výbere membránového oddeľovača

V priemyselnej praxi sa opakujú viaceré problémy, ktorým možno predísť už vo fáze návrhu.

1. Nesprávny materiál membrány

Materiál nemusí odolávať konkrétnemu médiu alebo jeho koncentrácii.

Výsledkom môže byť korózia a poškodenie membrány.

2. Nevhodná plniaca kvapalina

Kvapalina nemusí vyhovovať prevádzkovej teplote alebo tlakovým podmienkam.

3. Zbytočne dlhá kapilára

Príliš dlhá kapilára môže zhoršiť dynamickú odozvu a zvýšiť teplotnú chybu.

4. Nevhodne zvolený merací rozsah

Pri nízkych tlakoch môže byť vplyv membránového systému na celkovú presnosť významný.

5. Nesprávne umiestnenie snímača

Výškový rozdiel medzi oddeľovačom a prevodníkom môže vytvárať hydrostatický posun merania.

6. Nesprávne procesné pripojenie

Nevhodné vyhotovenie môže spôsobovať zanášanie, usadzovanie média alebo komplikácie pri čistení.

7. Neodborný zásah do naplneného systému

Membránový oddeľovač, kapilára a tlakový snímač často tvoria uzavretú zostavu naplnenú a kalibrovanú výrobcom.

Neodborná demontáž alebo otvorenie systému môže spôsobiť stratu plniacej kvapaliny, vniknutie vzduchu a znehodnotenie merania.

Môže membránový oddeľovač zhoršiť presnosť merania?

Áno.

Membránový oddeľovač umožňuje merať tlak v náročných podmienkach, ale zároveň pridáva ďalšie prvky do meracieho systému.

Na celkovú presnosť môžu vplývať:

• charakteristika oddeľovacej membrány,

• objem plniacej kvapaliny,

• teplotná rozťažnosť,

• dĺžka kapiláry,

• hydrostatický tlak plniacej kvapaliny,

• spôsob montáže.

Preto nemožno automaticky predpokladať, že zostava s membránovým oddeľovačom bude mať rovnakú presnosť ako samotný tlakový prevodník uvedený v datasheete.

Pri návrhu je potrebné posudzovať celkovú neistotu meracieho systému, nie iba základnú presnosť snímača.

Ako správne vybrať membránový oddeľovač?

Pred výberom odporúčame pripraviť základné technické údaje o aplikácii.

Pri náročných aplikáciách je vhodné konzultovať návrh celej zostavy s dodávateľom meracej techniky.

Záver

Membránový oddeľovač tlaku je dôležitým riešením pre aplikácie, v ktorých nemožno procesné médium bezpečne alebo spoľahlivo priviesť priamo k tlakovému snímaču.

Používa sa najmä pri vysokých teplotách, agresívnych chemikáliách, viskóznych a kryštalizujúcich médiách alebo pri hygienických požiadavkách.

Jeho hlavnou úlohou je chrániť merací systém pred nepriaznivými vlastnosťami procesného média a zároveň zabezpečiť prenos tlaku na snímač.

Správny výber membránového oddeľovača však vyžaduje posúdenie celej meracej zostavy. Rozhodujúci nie je iba materiál membrány, ale aj plniaca kvapalina, teplotné podmienky, kapilára, procesné pripojenie a požadovaná presnosť.

Spoločnosť REFLOW SK dodáva priemyselnú meraciu a regulačnú techniku vrátane riešení na meranie tlaku a diferenčného tlaku. Pri výbere vhodného meracieho systému vám pomôžeme zohľadniť vlastnosti média, prevádzkové podmienky aj požiadavky na presnosť a spoľahlivosť merania.