Tlak v priemyselnom potrubí nemusí byť vždy stabilná hodnota. V systémoch s čerpadlami, kompresormi, piestovými mechanizmami alebo rýchlo pracujúcimi ventilmi môže tlak pravidelne alebo nepravidelne pulzovať.
Na displeji snímača alebo v riadiacom systéme sa potom môže zobrazovať kolísajúca hodnota. V horšom prípade vznikajú krátkodobé tlakové špičky, ktoré bežná vizualizácia ani nemusí zachytiť, no napriek tomu mechanicky namáhajú merací prvok.
Pulzácie preto nie sú iba problémom „nepokojného signálu“. Môžu ovplyvniť presnosť a stabilitu merania, reguláciu procesu a pri dlhodobom pôsobení aj životnosť tlakového snímača.
Čo sú pulzácie tlaku?
Pulzáciou označujeme opakovanú zmenu tlaku média v čase.
Namiesto približne stabilného tlaku napríklad 6 bar môže skutočný tlak v potrubí neustále oscilovať:
5,7 → 6,2 → 5,8 → 6,3 → 5,7 bar...
Pulzácie môžu byť:
- pravidelné,
- nepravidelné,
- pomalé,
- veľmi rýchle,
- s malou amplitúdou,
- alebo s výraznými tlakovými špičkami.
Ich charakter závisí od technológie a zdroja, ktorý ich vytvára.
Kde pulzácie najčastejšie vznikajú?
Typickým zdrojom sú zariadenia, ktoré nevytvárajú dokonale kontinuálny prietok.
Patria sem najmä:
- piestové čerpadlá,
- membránové čerpadlá,
- dávkovacie čerpadlá,
- piestové kompresory,
- pulzujúce hydraulické systémy,
- rýchlo pracujúce regulačné a uzatváracie ventily.
Pri piestovom alebo membránovom čerpadle sa médium neposúva úplne rovnomerne. Jednotlivé pracovné cykly vytvárajú tlakové impulzy, ktoré sa šíria potrubným systémom.
Tlakový snímač ich následne registruje.
Pulzácia nie je to isté ako vodný ráz
Tieto dva javy sa môžu zamieňať, ale nie sú totožné.
Pulzácia tlaku je typicky opakujúca sa zmena tlaku spôsobená prevádzkou technológie.
Vodný ráz predstavuje prudký prechodový dej, ktorý môže vzniknúť napríklad pri rýchlom uzatvorení ventilu alebo náhlej zmene rýchlosti prúdenia.
Vodný ráz môže vytvoriť veľmi krátku, ale vysokú tlakovú špičku.
Pulzácie môžu naopak pôsobiť na snímač tisíce alebo milióny cyklov počas jeho prevádzky.
Oba javy však môžu byť pre meraciu techniku problematické.
Čo vidí tlakový snímač?
Tlakový snímač reaguje na tlak pôsobiaci na jeho merací prvok.
Ak sa tlak neustále mení, mení sa aj výstupný signál.
Pri prevodníku 4–20 mA sa preto môže namiesto stabilnej hodnoty objavovať kolísajúci prúdový signál, ktorý PLC alebo riadiaci systém interpretuje ako meniaci sa procesný tlak.
Problém je, že rôzne snímače nemusia rovnakú pulzáciu zobrazovať rovnako.
Rozhoduje napríklad:
- rýchlosť odozvy snímača,
- frekvencia pulzácií,
- nastavené tlmenie,
- vzorkovanie riadiaceho systému,
- spôsob spracovania signálu.
Prečo môže tlak na displeji vyzerať stabilne, aj keď nie je?
To je veľmi dôležitý praktický problém.
Predstavme si rýchlu tlakovú pulzáciu. Samotný snímač ju môže zachytiť, ale displej sa obnovuje oveľa pomalšie.
Obsluha potom vidí napríklad:
6,0 bar
a nadobudne dojem, že tlak je stabilný.
V skutočnosti môže tlak medzi jednotlivými zobrazeniami rýchlo oscilovať.
Podobná situácia môže vzniknúť v PLC alebo SCADA systéme, ak je signál výrazne filtrovaný alebo zaznamenávaný v príliš dlhých intervaloch.
Stabilná hodnota na obrazovke preto automaticky neznamená stabilný tlak v potrubí.
Priemer môže skryť skutočný problém
Ak tlak osciluje medzi 4 a 8 bar, jeho priemerná hodnota môže byť približne 6 bar.
Riadiaci systém teda môže zobrazovať:
6 bar
To však neznamená, že snímač je vystavený iba tlaku 6 bar.
Merací prvok môže byť v skutočnosti opakovane zaťažovaný celým rozsahom pulzácie.
Pri hodnotení namáhania snímača je preto dôležitá nielen priemerná hodnota, ale aj:
- minimálny tlak,
- maximálny tlak,
- amplitúda pulzácie,
- frekvencia,
- počet tlakových cyklov.
Ako pulzácie ovplyvňujú presnosť merania?
Pri rýchlo sa meniacom tlaku môže byť problémom už samotná otázka:
Akú hodnotu vlastne chceme merať?
Môže nás zaujímať:
- okamžitý tlak,
- maximálny tlak,
- minimálny tlak,
- priemerný tlak,
- amplitúda pulzácií,
- dynamický priebeh tlaku.
Bežný procesný tlakový prevodník sa často používa predovšetkým na sledovanie procesnej hodnoty a reguláciu.
Ak potrebujeme analyzovať veľmi rýchle tlakové deje, môže byť potrebná meracia technika s vhodnou dynamickou odozvou a dostatočne rýchlym záznamom dát.
Pulzácie môžu spôsobovať nestabilnú reguláciu
Predstavme si regulačný systém, ktorý používa tlakový snímač ako spätnú väzbu.
Ak tlak pulzuje, regulátor dostáva neustále meniaci sa signál.
Môže naň reagovať zmenami výstupu a napríklad neustále korigovať polohu regulačného ventilu alebo otáčky čerpadla.
Ak je regulácia nastavená nevhodne, môže vzniknúť situácia, keď systém začne reagovať na samotné pulzácie namiesto skutočnej zmeny procesného tlaku.
Výsledkom môže byť:
- nestabilná regulácia,
- kmitanie regulačného ventilu,
- časté zmeny otáčok čerpadla,
- zvýšené mechanické opotrebovanie,
- nepresná procesná hodnota.
Preto sa pri takýchto aplikáciách často používa vhodné tlmenie signálu.
Čo je damping tlakového snímača?
Mnohé inteligentné tlakové prevodníky umožňujú nastaviť damping – časové tlmenie výstupného signálu.
Snímač potom nereaguje na každú rýchlu zmenu okamžite, ale výstup sa mení plynulejšie.
Výhodou je stabilnejší signál pre:
- PLC,
- regulátor,
- vizualizáciu,
- záznam procesných údajov.
Treba však postupovať opatrne.
Príliš silné tlmenie môže spôsobiť, že snímač bude reagovať pomaly aj na skutočnú a dôležitú zmenu procesného tlaku.
Damping preto nie je univerzálnym riešením každého kolísajúceho signálu.
Elektronické filtrovanie nerieši mechanické namáhanie
Toto je jeden z najdôležitejších rozdielov.
Ak v elektronike nastavíme damping, môžeme dosiahnuť krásne stabilný výstup 4–20 mA.
Tlaková membrána snímača však môže byť naďalej vystavená skutočným pulzáciám.
Elektronický filter totiž upravuje výstupný signál, nie fyzikálny tlak pôsobiaci na snímač.
Ak sú pulzácie dostatočne intenzívne, treba preto riešiť aj samotný tlakový impulz predtým, ako sa dostane k meraciemu prvku.
Ako pulzácie ovplyvňujú životnosť snímača?
Meracia membrána tlakového snímača sa pri zmene tlaku mechanicky deformuje.
Pri bežnej prevádzke je táto deformácia veľmi malá a snímač je navrhnutý na veľké množstvo pracovných cyklov.
Problém môže vzniknúť pri kombinácii:
- vysokej amplitúdy,
- vysokej frekvencie,
- dlhodobého cyklického zaťažovania,
- tlakových špičiek blízko alebo nad povoleným preťažením.
Takéto podmienky môžu zvýšiť únavové namáhanie meracieho prvku a skrátiť životnosť snímača.
Pozor na tlakové špičky nad meracím rozsahom
Ak máme snímač s rozsahom:
0–10 bar
neznamená to automaticky, že sa pri tlaku 11 bar poškodí.
Výrobca zvyčajne definuje samostatne:
- merací rozsah,
- povolené preťaženie,
- prípadne deštrukčný tlak.
Tieto hodnoty však nemožno zamieňať.
Ak proces bežne pracuje na 8 bar, ale pulzácie vytvárajú krátke špičky 15 bar, treba overiť, či konkrétny snímač takéto namáhanie zvládne.
Pri výbere preto nestačí poznať iba bežný pracovný tlak.
Ako pulzácie tlaku obmedziť?
Existuje viac možností. Správne riešenie závisí od zdroja pulzácií, média, ich frekvencie a požiadaviek na dynamiku merania.
1. Tlmič tlakových rázov alebo pulzácií
Pred tlakový snímač možno zaradiť mechanický tlmiaci prvok.
Jeho úlohou je obmedziť rýchle tlakové zmeny ešte predtým, ako sa dostanú k meracej membráne.
Takéto riešenie môže výrazne stabilizovať meranie a zároveň znížiť mechanické namáhanie snímača.
2. Snubber
V tlakových aplikáciách sa používa aj snubber, ktorý vytvára definované obmedzenie prietoku v tlakovej prípojke.
Rýchle tlakové zmeny sa cez toto obmedzenie prenášajú pomalšie.
Výsledkom je pokojnejší tlak pôsobiaci na snímač.
Snubber musí byť zvolený podľa:
- média,
- viskozity,
- tlaku,
- požadovanej odozvy,
- materiálovej kompatibility.
Príliš výrazné priškrtenie môže meranie neprimerane spomaliť.
3. Impulzné potrubie
Určitý tlmiaci účinok môže mať aj vhodne navrhnuté impulzné potrubie medzi procesom a snímačom.
Jeho geometria a objem ovplyvňujú dynamickú odozvu meracieho systému.
Nie je však správne používať náhodne dlhú alebo úzku impulznú trubku iba preto, aby sa „upokojil tlak“.
Treba zohľadniť aj:
- možnosť zanášania,
- odvzdušnenie,
- kondenzáciu,
- teplotu,
- orientáciu potrubia,
- požadovanú odozvu.
4. Pulzačný tlmič pri čerpadle
Ak je zdrojom pulzácií napríklad membránové alebo piestové čerpadlo, môže byť efektívnejšie riešiť problém pri jeho zdroji.
Do systému možno podľa aplikácie zaradiť pulzačný tlmič alebo akumulátor.
Ten znižuje amplitúdu tlakových zmien v samotnom potrubnom systéme.
Výhodou je, že sa nezlepšuje iba meranie tlaku, ale môžu sa znížiť pulzácie aj pre ďalšie komponenty technológie.
5. Elektronický damping
Ak mechanické pulzácie nepredstavujú riziko pre snímač a problémom je najmä nestabilný signál, možno použiť elektronické tlmenie.
To je vhodné napríklad vtedy, keď potrebujeme pre reguláciu sledovať predovšetkým priemerný procesný tlak.
Treba však nájsť kompromis medzi:
stabilitou signálu ↔ rýchlosťou odozvy.
Kde namontovať tlakový snímač?
Aj miesto montáže môže ovplyvniť výsledok.
Snímač umiestnený bezprostredne pri zdroji pulzácií môže byť vystavený výraznejším dynamickým zmenám ako snímač vo vhodnejšom bode potrubnej siete.
Pri návrhu je preto dobré poznať:
- polohu čerpadla alebo kompresora,
- ventily,
- akumulátory,
- odbočky,
- zmeny priemeru potrubia,
- miesto, ktorého tlak chceme skutočne sledovať.
Snímač by nemal byť premiestnený iba preto, aby ukazoval pokojnejšiu hodnotu. Musí stále merať tlak reprezentatívny pre daný proces.
Ako zistiť, či máme problém s pulzáciami?
Prvým signálom môže byť kolísajúca procesná hodnota.
Podobný prejav však môže mať aj:
- elektrické rušenie,
- problém so signálom 4–20 mA,
- nevhodné uzemnenie,
- zavzdušnenie impulzného potrubia,
- chybný snímač,
- nestabilný proces.
Preto je vhodné porovnať elektrický signál so skutočným dynamickým priebehom tlaku.
Pri rýchlych dejoch môže byť potrebné použiť meranie s vyššou vzorkovacou frekvenciou, pretože bežná SCADA história nemusí krátke tlakové špičky vôbec zachytiť.
Kedy nestačí bežný procesný tlakový snímač?
Bežný priemyselný prevodník je vhodný na veľké množstvo aplikácií.
Ak však potrebujeme presne analyzovať veľmi rýchle tlakové deje, môže byť potrebný dynamický tlakový snímač a zodpovedajúci rýchly záznam dát.
Rozhodujúce je, čo chceme z merania získať.
Je rozdiel medzi požiadavkou:
„Potrebujem vedieť prevádzkový tlak v potrubí.“
a:
„Potrebujem zaznamenať priebeh každej tlakovej špičky pri pracovnom cykle čerpadla.“
Tieto dve úlohy môžu vyžadovať rozdielne meracie riešenia.
Čo potrebujeme vedieť pri výbere snímača?
Ak sa v aplikácii vyskytujú tlakové pulzácie, pri návrhu je vhodné poznať:
- médium,
- normálny pracovný tlak,
- minimálny a maximálny tlak,
- očakávané tlakové špičky,
- frekvenciu pulzácií,
- teplotu média,
- zdroj pulzácií,
- požadovanú rýchlosť odozvy,
- účel merania,
- požadovaný výstupný signál.
Dôležitý je tiež údaj výrobcu o povolenom preťažení snímača.
Výber snímača iba podľa bežného pracovného tlaku môže byť pri pulzujúcej aplikácii nedostatočný.
Záver
Pulzácie tlaku sú bežným javom najmä v systémoch s piestovými, membránovými a dávkovacími čerpadlami, kompresormi alebo rýchlo pracujúcimi ventilmi.
Ich dôsledkom nemusí byť iba kolísajúca hodnota na displeji.
Rýchle tlakové zmeny môžu ovplyvniť stabilitu signálu, regulačný proces a mechanické namáhanie meracieho prvku. Navyše môžu existovať aj vtedy, keď PLC alebo displej ukazuje zdanlivo stabilnú priemernú hodnotu.
Riešením môže byť mechanické tlmenie pulzácií, snubber, vhodné impulzné potrubie, pulzačný tlmič pri zdroji alebo elektronický damping. Každá z týchto možností však ovplyvňuje dynamickú odozvu merania.
Preto je potrebné najskôr určiť, či chceme pulzácie merať, alebo ich naopak potlačiť a sledovať priemerný procesný tlak.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva snímače a prevodníky tlaku pre priemyselné aplikácie. Pri výbere riešenia vieme zohľadniť tlakový rozsah, médium, dynamiku procesu, výstupný signál aj spôsob montáže.