Давление - в норме

Дело принципа
Давление – важнейший параметр многих технологических процессов. Для непрерывного измерения значения давления (избыточного, разрежения, гидростатического, абсолютного, разности) используются преобразователи, или датчики давления с аналоговым и/или цифровым сигналом. Они применяются практически на всех объектах нефтегазового комплекса: в установках подготовки нефти, на нефте-и газоперерабатывающих заводах, терминалах, магистральных и потребительские трубопроводах, расходомерных установках, на компрессорных станциях, танкерах, в резервуарах.
Так же широко они используются в энергетике - для антипомпажной защиты турбин и компрессоров динамического сжатия (помпаж - неустойчивый режим работы агрегата с резкими колебаниями напора и расхода перекачиваемой среды, - прим. EnergyLand.info), контроля работы паровых и водогрейных котлов, магистралей подачи пара и горячей воды.

STD120 (ST 3000 серии 100, фото Honeywell «Промышленная автоматизация»)

«Физический принцип работы датчика первичен и несет в себе набор преимуществ и ограничений, которым определяется область его применения, - убежден Александр Спасский, к.т.н., ведущий специалист отдела КИП и А Honeywell «Промышленная автоматизация» (г. Москва). - При этом материальное исполнение датчика, конструктивные особенности и коммуникационные возможности конкретного прибора должны полностью соответствовать области его применения и обеспечивать его надежную и долговечную работу без потери основных эксплуатационных характеристик».
В представленных на мировом рынке датчиках можно выделить три основных типа чувствительных элементов (ЧЭ). Во-первых, это тензопреобразователь (кремний на сапфире или кремний на кремнии): под воздействием давления на чувствительный элемент изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов, которое преобразуется в выходной сигнал датчика. Этот тип уже стал классическим по массовости использования в промышленных измерениях давления.
«Датчики Honeywell ST 3000 с использованием пьезорезистивного чувствительного элемента в сочетании с микропроцессорной обработкой обеспечивают унифицированный аналоговый или цифровой выходной сигнал, пропорциональный измеряемому параметру (перепад давления, избыточное и абсолютное давление), - рассказывает Александр Спасский. – Микропроцессорная обработка повышает точность измерений за счет ввода поправки выходного сигнала на температуру измеряемой среды, изменения статического давления и учета индивидуальной нелинейности устройства. Связь (с помощью КИП-коммуникатора, ПК или станций операторского интерфейса управляющих систем Honeywell) позволяет дистанционно настраивать и диагностировать датчик. Для коррозионно-опасных применений и экстремальных условий выпускаются ST 3000 с выносными мембранами или со специальным подбором материалов, контактирующих с измеряемой средой. Лучшие показатели, достигнутые Honeywell: основная погрешность – 0,0375% от калиброванной шкалы, временная стабильность – 0,01% в год».


Микропроцессорная обработка сигнала датчиком ST 3000TM (рис. Honeywell «Промышленная автоматизация»)

Емкостная ячейка (второй тип): в датчиках на базе емкостного сенсора давление через разделительные мембраны и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под давлением мембрана прогибается, и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора. Генерируемый электрический сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер.
«Впервые емкостный метод был применен в датчиках давления Rosemount 1151 более 30 лет назад, и с тех пор он постоянно совершенствовался, - говорит Евгений Тихоступ, управляющий по продукту ПГ «Метран» (г. Челябинск). - В датчиках  Rosemount 2051, 3051  и Метран-150 используются конструкция ячеек второго поколения, отличающаяся наличием гальванической развязки между обкладками конденсатора и корпусом ячейки, что существенно улучшает защиту от электромагнитных воздействий. Беспроводные решения компании Emerson Process Management используют открытый протокол передачи данных Wireless Hart».
«Наше предприятие предлагает емкостной датчик давления серии CDS-3151M, - рассказывает Сергей Иванов, ведущий инженер ООО НПО «Ризур» (г. Рязань). - Модуль электроники конструктивно расположен в непосредственной близости от ЧЭ, имеющего встроенные датчик температуры и память, в которую заносятся данные характеризации модуля при изготовлении прибора. В дальнейшем эти данные используются для коррекции выходного сигнала в режиме эксплуатации и настройки датчика в случае замены измерительного блока, либо модуля электроники. Корпус электроники оснащен высококонтрастным ЖК-дисплеем. Для удаленной настройки и калибровки в лабораторных условиях можно применять модем HK-HART 232, малогабаритный коммуникатор HK-HART 375 или коммуникатор Rosemount 275. Диапазон измерения: до 41,37 МПа, базовая точность: 0,075%».

  Метран-150 (фото ПГ «Метран)

И третий тип - кремниевый механический резонатор. В зависимости от знака приложенного давления резонатор растягивается или сжимается, и частота его собственных механических колебаний соответственно растет или уменьшается. Колебания механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразуются в колебания электрического контура, и на выходе ЧЭ получается цифровой (частотный) сигнал, отражающий величину измеряемого давления.
«Особенность датчиков давления Fuji Electric - применение в качестве чувствительного элемента «плавающего микроемкостного кремниевого датчика», который позволяет снизить влияние статического давлении и температуры за счет уменьшения объема заполняющей жидкости в измеряемом блоке, - говорит Сергей Зятчин, ведущий инженер компании «Invert Electric Systems» (г. Москва, официальный дистрибьютор Fuji Electric, Япония). – Датчики допускают применение защитных либо выносных мембран. Выходной сигнал - 4-20 мА, поддерживаются протоколы FUJI, HART, Fieldbus Foundation H1 и Profibus PA. Выпускаются две серии датчиков FCX-AII с погрешностью 0,07%, и серия FCX-CII (эконом) с погрешностью 0,1%».
В последнее время в России все большую популярность приобретают датчики давления с ЧЭ на базе емкостной ячейки или кремниевого резонатора, дополненные соответствующей микропроцессорной обработкой результатов измерений. По своим эксплуатационным характеристикам они постепенно приближаются к преобразователям на базе тензорезисторов, которые по-прежнему доминируют.










FCX-AII (фото Fuji Electric)

Точно и без проводов
Сегодняшние высокие показатели точности (0,0375-0,075% от калиброванной шкалы) датчиков давления и ее стабильности (0,01-0,03% от шкалы в течение года) удовлетворяют большинству случаев практического применения приборов в современных промышленных установках. В итоге конкуренция развернулась в отношении цены и готовности производителей обеспечить технические требования в каждом конкретном случае инсталляции, в том числе при экстремальном сочетании параметров среды. Немаловажным стало удобство и особенно удешевление эксплуатации и технического обслуживания (в частности, метрологического сопровождения).
Особое значение приобрела возможность интегрировать вновь устанавливаемый современный датчик в уже имеющуюся систему управления объектом, что определяется коммуникационными свойствами прибора. В этом плане датчики с цифровым выходным сигналом более перспективны – они позволяют не только производить высокоточные измерения, но и настраивать (диагностировать) их с помощью соответствующих коммуникаторов непосредственно на месте установки.
«В ХХI веке для контроля за промышленными объектами стали применяться беспроводные технологии, - отмечает Александр Спасский. - Расширение сферы таких применений и создание сетевых беспроводных структур, включающих весь спектр датчиков давления - инновационное направление сегодняшнего дня. Приближение периода обновления данных в таких беспроводных сетях к периоду опроса современных средств распределенных систем управления, снижение энергопотребления источников сигналов, повышение надежности и помехозащищенности в беспроводных сетевых структурах являются определяющими на пути их повсеместного практического использования».

 Rosemount 3051S (фото ПГ «Метран)

«Современные датчики давления постоянно проводят самодиагностику, анализируют состояние ответственных узлов, и в случае ошибки выдают сигнал о неисправности, - добавляет Евгений Тихоступ. - Более того, на базе одного прибора (например, Rosemount 3051S) уже можно создавать законченные решения для измерения давления, расхода и уровня. Передовые датчики позволяют диагностировать технологический процесс, отслеживая закупорку импульсной линии, изменение в структуре потока, появление кавитации в жидкости или паров в газе, нестабильность пламени, увеличение вибрации в приводах и подшипниках».
Несмотря на общий экономический кризис, продажи датчиков давления промышленного назначения в России снизились несущественно. Это связано со значительной потребностью предприятий в точной измерительной технике, основанной на беспроводных технологиях, и сохранением части масштабных проектов по модернизации и реконструкции сырьевых и энергообразующих комплексов.









Олег Никитин, EnergyLand.info

На первом фото – семейство датчиков Honeywell ST 3000
Ссылка по теме:
Монтаж средств измерений и автоматизации. Справочник.