Diferenčný tlak patrí medzi najpoužívanejšie veličiny v priemyselnom meraní. Zistite, ako meranie diferenčného tlaku funguje, kde sa používa a ktoré chyby najčastejšie spôsobujú nepresné alebo nestabilné výsledky.
Meranie tlaku nemusí znamenať iba zisťovanie tlaku v jednom bode potrubia alebo technologického zariadenia. V mnohých aplikáciách je oveľa dôležitejšie vedieť, aký je rozdiel tlakov medzi dvoma miestami procesu.
Práve na to slúži meranie diferenčného tlaku.
Pomocou jediného diferenčného prevodníka možno sledovať zanesenie filtra, určovať prietok cez primárny merací prvok, merať hladinu v tlakovej nádobe alebo kontrolovať tlakové pomery medzi miestnosťami.
Samotný princíp je pomerne jednoduchý. Presnosť výsledku však výrazne ovplyvňuje správny návrh meracieho miesta, impulzné vedenia, montáž prevodníka aj vlastnosti média.
Čo je diferenčný tlak?
Diferenčný tlak označuje rozdiel medzi dvoma tlakmi.
Prevodník diferenčného tlaku má preto dve tlakové prípojky:
- vysokotlakovú stranu – HP alebo H,
- nízkotlakovú stranu – LP alebo L.
Zjednodušene platí:
Δp = p₁ − p₂
Ak máme napríklad pred filtrom tlak 5,0 bar a za filtrom 4,8 bar, diferenčný tlak je:
Δp = 0,2 bar = 200 mbar
Práve tento rozdiel môže byť pre diagnostiku procesu podstatne dôležitejší než samotná hodnota 5 bar.
Ako funguje prevodník diferenčného tlaku?
Obidva procesné tlaky pôsobia na merací systém prevodníka z opačných strán.
Zariadenie následne vyhodnocuje ich rozdiel a prevádza ho na použiteľný výstupný signál, napríklad:
- 4–20 mA,
- HART,
- digitálnu komunikáciu podľa konkrétneho zariadenia.
Dôležité je uvedomiť si, že prevodník môže merať veľmi malý rozdiel tlakov aj v systéme, v ktorom je celkový statický tlak vysoký.
Môžeme napríklad potrebovať merať rozdiel iba niekoľko desiatok mbar, hoci obe strany prevodníka sú vystavené procesnému tlaku niekoľkých barov.
Preto pri výbere nestačí poznať iba požadovaný rozsah Δp. Potrebné je preveriť aj maximálny prípustný statický tlak prevodníka a jeho odolnosť proti jednostrannému preťaženiu.
Kde sa diferenčný tlak používa?
Výhodou diferenčného tlaku je jeho univerzálnosť.
Jedna fyzikálna veličina sa využíva v niekoľkých úplne odlišných aplikáciách.
Kontrola zanesenia filtrov
Jednou z najjednoduchších a zároveň veľmi praktických aplikácií je sledovanie stavu filtra.
Na čistom filtri vzniká určitá tlaková strata. Postupným zanášaním sa odpor proti prúdeniu zväčšuje a rozdiel medzi tlakom pred a za filtrom rastie.
Namiesto výmeny filtra iba podľa pevného časového intervalu možno sledovať jeho skutočný stav.
Diferenčný tlak tak umožňuje:
- signalizovať zanesenie,
- plánovať údržbu,
- predchádzať nadmerným tlakovým stratám,
- sledovať stav filtra počas prevádzky.
Rovnaký princíp možno využiť aj pri ďalších zariadeniach, na ktorých vzniká tlaková strata.
Meranie prietoku pomocou diferenčného tlaku
Diferenčný tlak sa veľmi často používa aj na meranie prietoku.
Do potrubia sa vloží primárny prvok, ktorý vytvorí definované zúženie alebo inú zmenu prúdenia. Môže ísť napríklad o:
- meraciu clonu,
- Venturiho trubicu,
- dýzu,
- Pitotovu alebo priemerujúcu Pitotovu sondu.
Pred a za meracím prvkom vznikne rozdiel tlakov, ktorý závisí od prietoku.
Diferenčný prevodník tento rozdiel zmeria a následne možno z hodnoty Δp určiť prietok média.
Pozor na nelineárny vzťah
Pri klasickom diferenčnom meraní prietoku nie je prietok priamo úmerný diferenčnému tlaku.
Zjednodušene platí, že:
prietok je úmerný druhej odmocnine z diferenčného tlaku.
Ak sa teda diferenčný tlak zvýši štvornásobne, prietok sa nezvýši štvornásobne, ale približne dvojnásobne.
Túto odmocninovú charakteristiku môže spracovať samotný prevodník alebo nadradený riadiaci systém.
Meranie hladiny pomocou diferenčného tlaku
Ďalšou významnou aplikáciou je meranie hladiny kvapaliny.
Hydrostatický tlak na dne nádoby závisí od:
- výšky stĺpca kvapaliny,
- hustoty média,
- gravitačného zrýchlenia.
Pri otvorenej nádrži možno hladinu merať aj bežným tlakovým snímačom.
Situácia sa mení pri uzavretej tlakovej nádobe.
Nad hladinou môže pôsobiť ďalší tlak, ktorý by meranie ovplyvňoval. Preto sa použije diferenčný prevodník:
- jedna strana sníma tlak pri dne nádoby,
- druhá strana tlak v priestore nad hladinou.
Rozdiel medzi týmito tlakmi potom zodpovedá hydrostatickému tlaku kvapaliny a možno z neho určiť hladinu.
Meranie diferenčného tlaku vo vzduchotechnike
Diferenčný tlak má významné využitie aj v HVAC, čistých priestoroch, laboratóriách a technologických objektoch.
Možno ním sledovať napríklad:
- zanesenie vzduchových filtrov,
- tlakové pomery medzi miestnosťami,
- podtlak alebo pretlak v technologickom priestore,
- tlakové straty vzduchotechnického systému.
V týchto aplikáciách môžu byť merané rozdiely veľmi malé – často iba jednotky alebo desiatky pascalov.
Správny rozsah snímača je preto mimoriadne dôležitý.
Merací rozsah musí zodpovedať skutočnému Δp
Jednou z najčastejších chýb je použitie zbytočne veľkého meracieho rozsahu.
Predstavme si filter, na ktorom chceme sledovať diferenčný tlak približne 0 až 100 mbar.
Použitie prevodníka s rozsahom 0–1 bar môže byť technicky možné, ale významnú časť dostupného rozsahu vôbec nevyužijeme.
Pri výbere preto treba poznať:
- normálny diferenčný tlak,
- minimálnu hodnotu,
- maximálnu očakávanú hodnotu,
- statický tlak systému,
- možné preťaženie,
- požadovanú presnosť.
Cieľom nie je zvoliť čo najväčší rozsah, ale rozsah vhodný pre konkrétny merací bod.
Statický tlak nesmieme ignorovať
Toto je pri diferenčných prevodníkoch veľmi dôležité.
Predstavme si proces:
HP = 10,05 bar
LP = 10,00 bar
Diferenčný tlak je iba:
50 mbar
Prevodník teda meria veľmi malý rozdiel, ale jeho merací systém je zároveň vystavený statickému procesnému tlaku približne 10 bar.
Preto musí byť zariadenie vhodné nielen pre rozsah 0–50 mbar, ale aj pre príslušný statický tlak.
Tieto dve hodnoty nemožno zamieňať.
Impulzné vedenia výrazne ovplyvňujú výsledok
Diferenčný prevodník často nie je namontovaný priamo na meranom zariadení.
Procesný tlak sa k nemu privádza pomocou impulzných vedení.
A práve tie sú častým zdrojom problémov.
Obe vedenia by mali byť navrhnuté tak, aby vytvárali čo najviac porovnateľné podmienky na HP a LP strane.
Problém môže spôsobiť napríklad:
- vzduch v kvapalinovom vedení,
- kondenzát v plynovom vedení,
- upchaté impulzné potrubie,
- netesnosť,
- rozdielna výška kvapalinových stĺpcov,
- nevhodné trasovanie vedenia.
Výsledkom môže byť posun nulového bodu alebo úplne nesprávna hodnota diferenčného tlaku.
Pri kvapalinách pozor na plynové bubliny
Ak meriame kvapalinu, impulzné vedenia by mali zostať správne zaplnené procesným médiom alebo vhodnou plniacou kvapalinou podľa návrhu meracieho systému.
Vzduchová alebo plynová bublina môže zmeniť tlakové pomery a spôsobiť chybu.
Dôležité je preto vhodné trasovanie potrubia a možnosť odvzdušnenia.
Pri plynoch pozor na kondenzát
Pri meraní plynov môže vzniknúť opačný problém.
Ak sa v impulznom vedení začne hromadiť kondenzát, vytvorí dodatočný hydrostatický tlak.
Ak sa kondenzát nachádza iba na jednej strane merania alebo sú jeho stĺpce rozdielne, výsledok bude skreslený.
Aj preto je správna poloha prevodníka voči odberným miestam závislá od typu média.
Pri pare sú podmienky ešte náročnejšie
Pri meraní diferenčného tlaku pary nemožno vysokoteplotnú paru jednoducho priviesť priamo k meracej membráne bežného prevodníka.
V impulzných vedeniach sa využíva kondenzát, ktorý vytvára ochranný kvapalinový stĺpec a oddeľuje horúcu paru od prevodníka.
Obidve strany merania však musia mať správne a porovnateľné podmienky.
Rozdielna výška kondenzačných stĺpcov môže vytvoriť dodatočný diferenčný tlak a tým chybu merania.
Manifold nie je iba montážne príslušenstvo
Pri diferenčných prevodníkoch sa často používajú ventilové bloky – manifoldy.
Typické riešenie môže obsahovať:
- uzatvárací ventil HP strany,
- uzatvárací ventil LP strany,
- vyrovnávací ventil,
- prípadne odvzdušňovacie alebo vypúšťacie ventily.
Vyrovnávací ventil umožňuje spojiť obe strany prevodníka a vytvoriť na nich rovnaký tlak.
To je užitočné napríklad pri kontrole nulového bodu alebo pri uvádzaní merania do prevádzky.
Nesprávna manipulácia s ventilmi však môže prevodník vystaviť jednostrannému preťaženiu alebo spôsobiť nesprávne meranie.
Najčastejšie chyby pri meraní diferenčného tlaku
V praxi sa opakovane stretávame s niekoľkými problémami.
Nesprávne zvolený merací rozsah
Príliš veľký rozsah znižuje využitie meracieho rozsahu a môže zhoršiť schopnosť rozlíšiť malé zmeny procesu.
Zámena HP a LP strany
Ak sú tlakové prípojky zapojené opačne, výsledok môže mať opačné znamienko alebo nemusí zodpovedať očakávanému správaniu procesu.
Nevhodne vedené impulzné potrubia
Vzduchové bubliny, kondenzát alebo rozdielne hydrostatické stĺpce môžu vytvárať dodatočný tlak.
Upchaté impulzné vedenie
Usadeniny, kryštalizácia alebo nečistoty môžu čiastočne alebo úplne zablokovať prenos tlaku.
Meranie potom reaguje pomaly, zostane „zamrznuté“ alebo ukazuje nesprávnu hodnotu.
Netesnosť
Aj malá netesnosť impulzného vedenia alebo armatúry môže ovplyvniť výsledok, najmä pri meraní veľmi malých diferenčných tlakov.
Ignorovanie statického tlaku
Prevodník môže mať správny rozsah Δp, ale nemusí byť konštrukčne vhodný pre statický tlak konkrétneho procesu.
Nesprávne nulovanie
Poloha prevodníka, impulzné vedenia alebo kvapalinové stĺpce môžu vytvoriť posun nulového bodu.
Nulovanie preto treba vykonať za podmienok definovaných výrobcom a podľa konkrétneho zapojenia.
Ako vybrať vhodný diferenčný prevodník?
Pred výberom zariadenia je potrebné poznať viac než iba údaj „potrebujem 0–100 mbar“.
Dôležité sú najmä:
- merané médium,
- minimálny a maximálny diferenčný tlak,
- normálny pracovný Δp,
- maximálny statický tlak,
- teplota média,
- materiál membrány a zmáčaných častí,
- procesné pripojenie,
- požadovaná presnosť,
- výstupný signál,
- požadované certifikácie,
- spôsob montáže,
- možnosť jednostranného preťaženia.
Pri agresívnych, viskóznych, kryštalizujúcich alebo vysokoteplotných médiách môže byť potrebné použiť aj vhodné membránové oddeľovače.
Zapamätajte si
Diferenčný prevodník nemeria dva tlaky samostatne – jeho hlavnou meranou veličinou je rozdiel medzi HP a LP stranou.
Pri správnom návrhu preto nestačí poznať iba požadovaný rozsah Δp.
Treba zohľadniť statický tlak, teplotu a vlastnosti média, impulzné vedenia, spôsob montáže, možné preťaženie a požadovanú presnosť.
Veľká časť problémov s diferenčným meraním pritom nevzniká v samotnom prevodníku, ale v jeho procesnom pripojení a impulzných vedeniach.
Záver
Meranie diferenčného tlaku patrí medzi najuniverzálnejšie metódy priemyselného merania. Jediný princíp možno použiť na sledovanie filtrov, meranie prietoku, určovanie hladiny v tlakových nádobách aj kontrolu tlakových pomerov v technologických priestoroch.
Presný výsledok však závisí od celého meracieho reťazca. Správne zvolený prevodník môže poskytovať nesprávne údaje, ak sú nevhodne navrhnuté odberné miesta, impulzné vedenia alebo montáž.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva diferenčné tlakomery a prevodníky diferenčného tlaku pre priemyselné aplikácie a pomáha s návrhom vhodného meracieho rozsahu, materiálového vyhotovenia a procesného pripojenia podľa konkrétnych prevádzkových podmienok.