Jak prawidłowo dobrać przetworniki? Jak one działają? Na co zwrócić uwagę przy zakupie?
Obecnie przetworniki ciśnienia są stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu i coraz częściej wkraczają do naszego życia codziennego. Do tematu przemysłu jeszcze wrócimy, ale zastanówmy się, gdzie przeciętny Kowalski może napotkać przetwornik ciśnienia na co dzień? Najprostsza odpowiedź to: samochód. Obecnie wszystkie nowe modele wyposażone są w przetworniki, które na bieżąco sprawdzają, czy we wszystkich oponach ciśnienie nie spada poniżej pewnego zdefiniowanego poziomu. Jeżeli opona ulegnie przebiciu, kierowca zostanie natychmiast o tym poinformowany.
Dobór przetwornika ze względu na medium
W przemyśle przetworniki ciśnienia stosuje się w układach pneumatycznych i hydraulicznych, natomiast zasada działania jest taka sama w obydwu przypadkach, dlatego też można spokojnie stosować ten sam typ zamiennie.
W pneumatyce sprawa jest dość prosta – wystarczy dobrać odpowiedni zakres pomiarowy. Zazwyczaj nie ma zdefiniowanych parametrów czystości gazu roboczego.
W hydraulice istotną kwestią jest zdefiniowanie, na jakim typie medium przetwornik będzie pracował. Uszczelnienie umieszczone na przyłączu przetwornika, które jest przeznaczone do olejów mineralnych nie koniecznie będzie się nadawało do pracy z płynami agresywnymi takimi jak np. płyn hamulcowy. Często zadawane jest pytanie: „Co z uszczelnieniami wewnątrz przetwornika?” -generalnie komora pomiarowa do której doprowadzane jest medium nie posiada uszczelnień gumowych, a więc nie ma znacznie z jakim płynem ma kontakt.
„Przetwornik to przetwornik i nie ważne jak działa!” Jesteś tego pewny?
W przemyśle mamy do czynienia z kilkoma rodzajami przetworników. Najpopularniejsze z nich to: piezorezystancyjne, pojemnościowe, piezoelektryczne. Który, gdzie zastosować i jak działa?
Przetworniki piezorezystancyjne– wyposażone są w membranę, na której wstawiony jest zestaw piezorezystorów połączonych w układzie mostka Wheatstone’a (układ pomiarowy przeznaczonym do pomiaru rezystancji z dużą dokładnością). Kiedy na membranę wywierany jest nacisk przez ciśnienie, elementy na niej naklejone są rozciągane (lub ściskane) i zmieniają swoją rezystancję. Zmiany rezystancji przeliczane są na zmianę ciśnienia. Przetworniki te są najpopularniejsze i stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu. Mają dobry stosunek jakości do ceny. Zakresy pomiarowe: od podciśnienia do 15000 bar – w zależności od producenta. Odpowiedź częstotliwościowa 1 kHz.
Przetworniki pojemnościowe – w tym przypadku membrana pokryta jest materiałem przewodzącym, który stanowi jedną z okładzin kondensatora. Nacisk na membranę zmniejsza jej odległość od elektrody, a to wpływa na zmianę pojemności kondensatora. Przetworniki pojemnościowe są bardzo czułe i dlatego używa się ich do pomiarów małych ciśnień. Zakresy pomiarowe wynoszą do 40 bar. Odpowiedź częstotliwościowa do kilkudziesięciu herców.
Przetworniki piezoelektryczne – wykorzystuje się w tym przypadku zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się ładunków elektrycznych na powierzchni materiału pod wpływem naprężeń mechanicznych. Do membrany przymocowany jest piezoelektryk. Ciśnienie wywołuje nacisk na membranę i w ten sposób powstaje napięcie wprost proporcjonalne do ciśnienia. Przetworniki tego typu wykorzystuje się do pomiarów ciśnień dynamicznych. Charakteryzują się dużą odpornością na działania wysokich temperatur. Ich odpowiedź częstotliwościowa to nawet 150kHz.
Zakresy oraz jednostki pomiarowe
Standardowe ciśnienia w pneumatyce to 8 do 12 bar. Istnieją też instalacje wysokociśnieniowe, ale ze względów bezpieczeństwa (ściśliwość medium) nie są one popularne. W przypadku hydrauliki –zakresy pracy są dużo wyższe, standardowo w maszynach przemysłowych to od około 50 do nawet 700 bar.
Jednostką pochodną układu SI dla ciśnienia jest paskal. Zdefiniowany jest jako Pa = 1 N/m2.W praktyce jest to bardzo niskie ciśnienie, dlatego stosuje się przedrostki np. hekto czy mega paskale. Najczęściej stosowaną jednostką pomiarową w pneumatyce jest bar.
W hydraulice bar lub mega paskal. Oczywiście istnieją inne jednostki np. milimetry słupa rtęci[mmHG], jednak jednostkę tę stosuje się w przypadku pomiarów bardzo małych ciśnień.
Należy też wspomnieć o brytyjskim systemie miar który stosowany jest w Wielkiej Brytanii oraz w dawnych koloniach brytyjskich. Podstawową jednostką jest PSI (Pounds-force per Square Inch – funt-siła na cal kwadratowy). Jednostka ta jest powszechnie używana zarówno w pneumatyce jak i w hydraulice.
W praktyce przetwornik kupuje się dobierając jego zakres do spodziewanego ciśnienia w układzie. Dobrze jest, aby maksymalna wartość mierzonego ciśnienia stanowiła 80% zakresu pomiarowego przetwornika. Pozwoli nam to uniknąć przeciążeń, które mogły by doprowadzić do jego rozkalibrowania. Jeżeli chodzi o jednostkę pomiarową, mamy pełną dowolność i należy dobrać ją zgodnie z wymaganiami użytkownika.
Ciśnienie bezwzględne czy względne? O co w tym wszystkim chodzi?
W przypadku pomiarów ciśnienia mamy do czynienia z pomiarem względnym oraz bezwzględnym. Pomiar względny jest to porównanie wartości mierzonego ciśnienia w układzie z ciśnieniem otoczenia. Jeżeli w układzie nie występuje ciśnienie, wówczas przetwornik zwróci nam wartość 0.
Pomiar bezwzględny jest to porównanie wartości mierzonego ciśnienia z ciśnieniem panującym w próżni. Jeżeli w układzie nie występuje ciśnienie, wówczas przetwornik zwróci nam wartość ciśnienia atmosferycznego. Przetwornik taki posiada zamkniętą komorę, w której umieszczone jest ciśnienie próżni i względem niej mierzone jest ciśnienie układu.
Istotne jest, aby wiedzieć z jakim pomiarem mamy do czynienia. Jeżeli widzimy tylko liczę np. 5 bar to nie wiemy, czy jest to wartość mierzona względem atmosfery czy względem próżni a to może oznaczać, że pomylimy się o 1 bar (przybliżona wartość ciśnienia atmosferycznego).
Drugą istotną sprawą są oznaczenia na przetwornikach. Zakresy pomiarowe ciśnienia bezwzględnego oznacza się po przez dodatnie skrótu ABS – bar ABS lub w przypadku jednostek imperialnych literki a czyli otrzymujemy psia. W przypadku pomiarów względnych do przetworników wyskalowanych w barach nie wprowadza się dodatkowej adnotacji, ale przy imperialnych dodajmy literkę g czyli otrzymujemy psig.
Zawsze kiedy mamy wątpliwości co do tego z jakim pomiarem mamy do czynienia, możemy odnieść się do karty katalogowej.
Temperatura pracy a błąd pomiarowy
Dobierając przetwornik często zapominamy o sprawdzeniu warunków środowiskowych pracy. Należy zwrócić uwagę nie tylko na to, w jakich temperaturach przetwornik może pracować, lecz również na zakres kompensacji temperaturowej. Standardowo kalibrację wykonuje się w 21 °C. Błąd pomiaru ulega zmianie wraz ze zmniejszeniem bądź zwiększeniem temperatury pracy.
Część producentów przedstawia charakterystyki prezentujące, jak kształtuje się błąd wraz ze zmianą temperatury. Wówczas w przypadku dokładnych pomiarów należy uwzględnić odchyłkę temperaturową w wynikach. Na rynku znajdują się również lepsze, ale niestety bardziej kosztowne rozwiązania, które zapewniają kompensację temperaturową, w zdefiniowanym, ale dość szerokim zakresie temperaturowym (np. od -10 do +80 °C).
W bardzo trudnych warunkach środowiskowych (wysoka temperatura, wibracje, wilgotność) należy rozważyć stosowanie czujników z zewnętrznym przetwornikiem, który jest najbardziej podatny na zmiany temperaturowe oraz wibracje. Wówczas stosujemy sam czujnik w strefie o niesprzyjających warunkach pracy, a przetwornik umieszczamy w szafie elektrycznej. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest łatwa kalibracja. Zazwyczaj przetworniki montowane na szynie DIN (standard metalowej szyny montażowej) posiadają potencjometry umożliwiające adjustację sygnału wyjściowego.
Podsumowanie
Jak zawsze diabeł tkwi w szczegółach. Po przeczytaniu tego artykułu powinniście wiedzieć, dlaczego i gdzie stosować dany typ przetwornika.
Pamiętajcie, jeżeli macie wątpliwości przy doborze sprzętu pomiarowego, zawsze możecie zasięgnąć pomocy specjalisty.