Датчики давления и перепада давления

Что такое датчик давления?

Датчик давления — это полевой прибор, который воспринимает давление среды и преобразует его в стандартный электрический сигнал и цифровые данные. В отличие от механического манометра, показывающего значение только на месте, он передает измеренное значение в удаленную систему управления; интеллектуальные датчики дополнительно поддерживают цифровую связь, местную настройку, самодиагностику и диагностику процесса. Поэтому данные о давлении используются не только для контроля, но и в контурах регулирования, сигнализации и функциях безопасности.

По опорному давлению различают три основных вида: датчик избыточного давления измеряет относительно атмосферного давления, датчик абсолютного давления — относительно полного вакуума, а датчик перепада давления измеряет разность давлений между двумя точками процесса. Измерение перепада лежит в основе измерения расхода с первичными преобразователями, гидростатического измерения уровня и контроля перепада на оборудовании, например на фильтрах или теплообменниках.

Рассматриваемая на этой странице модульная платформа объединяет в единой архитектуре электроники фланцевый сенсорный модуль, удобный для совместной работы с клапанными блоками, первичными преобразователями расхода и мембранными разделителями, и штуцерный сенсорный модуль, который присоединяется непосредственно к процессу. Задачи измерения уровня, границы раздела фаз и плотности с мембранными разделителями подробно рассмотрены на странице об уровнемерах перепада давления с разделительными мембранами.

Принцип измерения избыточного, абсолютного давления и перепада давления

В датчике давления давление процесса измеряется по четырехступенчатой цепи — от смачиваемой изолирующей мембраны к сенсору и далее к цифровой электронике:

1.      Воздействие давления на изолирующую мембрану: Рабочая среда давит на тонкую изолирующую мембрану из таких материалов, как нержавеющая сталь 316L, сплав C-276, сплав 400 или тантал. Мембрана — смачиваемый барьер, который отделяет рабочую среду от чувствительного элемента.

2.      Передача давления на сенсор через заполняющую жидкость: Замкнутый объем между мембраной и чувствительным элементом в стандартном исполнении заполнен силиконовой жидкостью, опционально — инертной заполняющей жидкостью. Поскольку объемное смещение во фланцевом модуле не превышает 0,08 см³, давление передается на сенсор практически без изменения объема у мембраны.

3.      Преобразование в электрический сигнал и цифровая обработка: Чувствительный элемент преобразует давление в электрическую величину. Электроника обновляет данные сенсора 48 раз в секунду (167 раз в быстродействующем исполнении) и с учетом калибровочных и характеризационных данных формирует измеренное значение в инженерных единицах.

4.      Выход, индикация и связь: По выбору пользователя измеренное значение преобразуется в двухпроводный сигнал 4–20 мА с линейной или корнеизвлекающей характеристикой, на который накладывается цифровой сигнал HART. Демпфирование настраивается от 0 до 60 секунд; то же измерение выводится на местный графический индикатор и, при наличии, управляет встроенными реле.

Три вида давления по опорному значению

При измерении избыточного давления опорная сторона сенсора сообщается с атмосферой; в штуцерных модулях измерение распространяется на отрицательные значения избыточного давления до –1,01 бар, поэтому можно контролировать и условия, близкие к вакууму. При измерении абсолютного давления опорой служит полный вакуум; показания не зависят от изменений атмосферного давления, поэтому этот вид предпочтителен для вакуумных процессов и для контроля таких величин, как давление насыщенных паров.

При измерении перепада стороны высокого и низкого давления датчика подключаются к двум разным точкам процесса. В зависимости от кода диапазона датчик сохраняет нормированные характеристики при статическом давлении в линии до 250 бар, а с опцией высокого статического давления — до 425 бар. Влияние давления в линии на ноль можно устранить подстройкой нуля под рабочим давлением. Если из-за ошибочных переключений клапанов одна сторона оказывается под полным статическим давлением, выходной сигнал смещается и требуется повторная подстройка нуля.

Фланцевый и штуцерный сенсорные модули

Фланцевый сенсорный модуль поддерживает все три вида измерения: перепад, избыточное и абсолютное давление. Его присоединение к процессу — отверстия ¼–18 NPT с межосевым расстоянием 54 мм, которые фланцевые адаптеры переводят на ½–14 NPT. Модуль комбинируется с интегральными клапанными блоками на 2, 3 или 5 вентилей, традиционными фланцами и фланцами для прямого монтажа на резервуар (2 дюйма / 3 дюйма Class 150–300, DN 50 / DN 80 PN 40).

Штуцерный сенсорный модуль предназначен только для избыточного и абсолютного давления и благодаря компактной конструкции монтируется непосредственно на технологическое присоединение. Варианты присоединения: внутренняя резьба ½–14 NPT, наружная резьба G½ A по DIN 16288, безрезьбовой приборный фланец и — для самого высокого диапазона до 689,47 бар — высоконапорное присоединение с конусом и резьбой.

Измерение расхода и уровня по перепаду давления

Перепад давления на первичном преобразователе расхода пропорционален квадрату расхода; корнеизвлекающий выход или встроенная конфигурация расхода датчика превращает эту зависимость в линейный сигнал. Платформа предлагается и как готовый расходомер переменного перепада давления, сконфигурированный и испытанный на герметичность на заводе: осредняющая напорная трубка с малой безвозвратной потерей давления для трубопроводов большого диаметра, кондиционирующая диафрагма, сокращающая требуемые прямые участки до 2D до и после местных сопротивлений, компактная диафрагма для установки между существующими фланцами и встроенная диафрагма с прецизионно обработанным измерительным участком для малых диаметров.

В зависимости от первичного преобразователя и класса точности неопределенность измерения расхода составляет примерно от ±0,75 % до ±2,70 % от расхода; эти значения предполагают постоянные плотность, вязкость и коэффициент расширения и не включают коррекцию по давлению и температуре. В задачах измерения уровня тот же принцип применяется для гидростатического измерения — с фланцем, установленным непосредственно на резервуар, или с системами мембранных разделителей.

Диагностика и технологическая информация

Диагностика электрической петли выявляет такие проблемы, как коррозия клемм, влага в клеммном отсеке или нестабильное питание, еще до того, как они повлияют на измерение. Функция обнаружения засорения импульсных линий на основе статистической обработки сигнала распознает забивание импульсных трубок или отборов давления на первичном преобразователе.

Функция статистического мониторинга процесса отслеживает разброс измеряемого давления (стандартное отклонение и коэффициент вариации) и может заблаговременно предупреждать о нештатных ситуациях: нестабильности факела в печах, кавитации насосов, захлебывании ректификационных колонн, изменении состава среды, захвате воздуха, прекращении перемешивания и утечках. Пошаговые меню контрольных испытаний, частичное контрольное испытание на месте без внешнего источника давления, а также журналы калибровки и диагностики упрощают периодическое тестирование функций безопасности.

Датчик соответствует рекомендациям NAMUR NE 107 по самоконтролю и NE 43 по уровням сигнала. При обнаружении критического отказа прибора аналоговый выход в соответствии с выбранной конфигурацией сигнализации переводится на верхний уровень 22,5 мА или на нижний уровень 3,725 мА (3,575 мА в конфигурации по NAMUR).

Ключевые особенности

·         Три класса точности: Основная погрешность ±0,025 % от диапазона в высокоточном классе и ±0,035 % от диапазона в стандартном; класс, оптимизированный для измерения расхода, обеспечивает ±0,04 % от измеренного значения при перенастройке диапазона перепада до 8:1.

·         Широкая перенастройка диапазона: Коэффициент перенастройки 200:1 или 150:1 в зависимости от класса точности и 800:1 в диапазоне от –2,49 до 2,49 бар с опцией универсального диапазона сокращает номенклатуру запасных приборов для разных диапазонов.

·         Долговременная стабильность на 20 лет: Стабильность нормирована на 20 лет: ±0,10 % от верхнего предела измерений в высокоточном классе и ±0,15 % в стандартном.

·         Быстрый динамический отклик: Полное время отклика — 80 мс в стандартной конфигурации и 40 мс с быстродействующим сенсором; время запаздывания — соответственно 40 мс или 20 мс.

·         Встроенные релейные выходы: Два реле с двумя группами переключающих контактов (DPDT) на клеммной колодке, управляемые измерением датчика, обеспечивают дискретное управление там, где нет ПЛК или РСУ, и резервный канал к исполнительному элементу в системах ПАЗ.

·         Многоуровневые пакеты диагностики: Три уровня диагностического охвата — от базовой диагностики прибора и электрической петли до пошаговых контрольных испытаний, статистического мониторинга процесса и обнаружения засорения импульсных линий.

·         Локальный доступ по Bluetooth: Настройка и обслуживание на расстоянии, как правило, не менее 15 м в пределах прямой видимости — персоналу реже приходится заходить во взрывоопасную зону.

·         Графический индикатор и выносной интерфейс: Графический ЖК-индикатор 128 × 128 пикселей с подсветкой, семь языков меню и местные кнопки для подстройки нуля, перенастройки диапазона и проверки петли; при необходимости — выносной индикатор с кабелем длиной до 152,4 м.

·         Настройка под задачу: За несколько шагов датчик можно настроить на измерение уровня, объема, расхода или накопленного расхода.

·         Высокое статическое давление: Статическое давление в линии до 250 бар при измерении перепада или до 425 бар с опцией высокого статического давления.

·         Интегральные клапанные блоки и варианты присоединения: Сборки с интегральными клапанными блоками на 2, 3 и 5 вентилей, традиционными фланцами и фланцами для резервуаров можно заказать как единое изделие.

·         Исполнения для холодного климата: Варианты для работы при температуре окружающей среды –50 °C и –60 °C в соответствующих конфигурациях.

Технические характеристики

Ниже приведены типовые технические данные платформы датчиков давления и перепада давления, описанной на этой странице. Значения зависят от вида измерения, кода диапазона, класса точности и выбранных опций и должны подтверждаться на этапе проекта.

Влияние давления в линии и температуры окружающей среды, влияние монтажного положения (не более 3,11 мбар для фланцевых модулей перепада и избыточного давления, устраняется подстройкой нуля) и пределы перегрузки зависят от кода диапазона. В сборках из нескольких компонентов максимальное рабочее давление ограничивается компонентом с наименьшим номинальным давлением.

Основные преимущества

·         Меньше вариантов запасных приборов: Широкая перенастройка позволяет перенастроить один датчик на разные диапазоны и сократить число моделей на складе.

·         Надежность измерения в долгосрочной перспективе: Стабильность, нормированная на 20 лет, помогает планировать интервалы проверки калибровки на основе оценки рисков и снижает погрешности, связанные с дрейфом.

·         Предотвращение незапланированных остановов: Диагностика электрической петли, засорения импульсных линий и статистический мониторинг процесса выявляют проблемы, влияющие на измерение, прежде чем они приведут к отказам.

·         Более безопасное обслуживание: Связь по Bluetooth и выносной индикатор позволяют выполнять настройку и проверки, не заходя во взрывоопасную зону и не поднимаясь к труднодоступным точкам.

·         Пригодность для функций безопасности: Сертификация по IEC 61508, данные FMEDA и частичное контрольное испытание на месте поддерживают проектирование и периодическое тестирование систем ПАЗ.

·         Быстрые контуры регулирования: Время отклика от 40 мс и обновление данных сенсора 167 раз в секунду повышают качество регулирования в быстро меняющихся контурах давления и расхода.

·         Стойкость к жестким условиям объекта: Корпус IP66/IP68, виброустойчивость по IEC 61298-3, соответствие ЭМС по EN 61326 и опциональный блок защиты от перенапряжений сохраняют непрерывность измерения на объектах со сложными электрическими и механическими условиями.

·         Без отдельного реле давления: Встроенные реле обеспечивают дискретное управление по давлению, расходу или уровню от того же прибора и снимают проблемы точности и надежности, характерные для отдельных реле давления.

Области применения

Датчики давления и перепада давления применяются для управления процессами, измерения расхода и уровня, контроля оборудования и в функциях безопасности. Технологии измерения расхода, не основанные на перепаде давления, можно сравнить в разделе решений для измерения расхода.

Нефть, газ и нефтепереработка

В средах добычи нефти и газа и нефтепереработки, содержащих сероводород, перепад давления измеряется при высоком статическом давлении с материалами, отвечающими требованиям NACE MR0175/ISO 15156 и MR0103/ISO 17945. Для расхода жидкости, газа и пара применяются расходомеры переменного перепада с интегрированным первичным преобразователем.

Химия и нефтехимия

Для агрессивных сред предпочтительны мембраны из сплава C-276, сплава 400 или тантала. Статистический мониторинг процесса помогает на ранней стадии выявлять захлебывание ректификационных колонн, изменение состава среды или прекращение перемешивания.

Энергетика и паровые системы

Расход по перепаду давления измеряется на паропроводах и линиях питательной воды, давление контролируется в котлах и печах. Анализ изменчивости сигнала давления дает дополнительную информацию о нештатных ситуациях, например о нестабильности факела в топке и кавитации насосов.

Системы противоаварийной защиты

Датчики с сертификацией по IEC 61508 и данными FMEDA могут служить входами давления, расхода и уровня в инструментальных функциях безопасности; встроенные реле могут обеспечивать резервный канал к исполнительному элементу.

Водоподготовка и питьевое водоснабжение

С опцией допуска для питьевой воды можно измерять давление, перепад на фильтрах и расход на линиях очистки и распределения. На насосных станциях без ПЛК для простого дискретного управления можно использовать встроенные реле.

Морские и шельфовые объекты

Варианты типовых одобрений классификационных обществ позволяют применять датчик для измерения давления и уровня на судах и морских платформах; в коррозионной атмосфере предпочтителен корпус из нержавеющей стали.

Как выбрать датчик давления или перепада давления

Правильный выбор датчика требует совместной оценки требований процесса и управления в точке измерения и характеристик прибора. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Вид измерения и диапазон

·         Измеряемая величина: избыточное, абсолютное давление или перепад; нужно ли рассчитывать расход или уровень

·         Минимальное, номинальное и максимальное рабочее давление и требуемый настроенный диапазон

·         Для перепада: максимальное статическое давление в линии и возможная односторонняя перегрузка

·         Работа под вакуумом или при отрицательном избыточном давлении

·         Ожидаемые изменения диапазона и требуемый коэффициент перенастройки

Погрешность и динамические характеристики

·         Требуемая основная погрешность и класс точности

·         Суммарная погрешность при изменениях температуры окружающей среды и давления в линии

·         Требования контура регулирования к быстродействию (стандартный или быстрый отклик)

·         Долговременная стабильность и планируемый интервал проверки калибровки

·         Для измерения расхода по перепаду: тип первичного преобразователя и целевая неопределенность расхода

Присоединение к процессу и материалы

·         Температура процесса, заполняющая жидкость (силиконовая или инертная) и работа под вакуумом

·         Совместимость смачиваемых материалов и требования NACE для сред с сероводородом

·         Схема присоединения: интегральный клапанный блок, традиционный фланец, фланец для резервуара или прямое штуцерное присоединение

·         Длина импульсных линий и риск их засорения; при необходимости — система мембранных разделителей

·         Варианты очистки и испытаний давлением для сред, требующих специальной очистки

Электрический интерфейс, связь и сертификация

·         Интеграция 4–20 мА HART, релейный выход и предпочтительный уровень сигнализации по NAMUR

·         Потребность в местном и выносном индикаторе и Bluetooth

·         Материал корпуса и резьба кабельного ввода (½–14 NPT, G½, M20 × 1,5)

·         Классификация взрывоопасной зоны и требуемый набор сертификатов взрывозащиты

·         Требования к функциональной безопасности (IEC 61508), прослеживаемости материалов (EN 10204 3.1) и сертификату калибровки

В коррозионных, вязких, склонных к забиванию или очень горячих процессах датчик следует применять не с прямым присоединением к процессу, а с системой мембранных разделителей; в этом случае выбор выполняется для всей системы, включая разделитель и заполняющую жидкость.

Взрывозащита, функциональная безопасность и сертификаты на материалы

В зависимости от выбранных кодов опций для датчика доступны следующие одобрения, сертификаты и стандарты:

Область действия каждого сертификата зависит от заказанного кода опции; набор сертификатов взрывозащиты и функциональной безопасности для конкретного проекта следует подтверждать совместно с инженерной командой TLY Enerji.

Решения TLY Enerji для измерения давления

TLY Enerji рассматривает измерение давления и перепада давления не как поставку отдельного прибора, а как проектирование всей точки измерения. Исходя из рабочего и расчетного давления, наша инженерная команда определяет вид измерения, диапазон и класс точности, проверяет схему импульсных линий и клапанного блока, а в задачах измерения расхода по перепаду помогает совместно подобрать первичный преобразователь и датчик.

На протяжении проекта мы оказываем техническую поддержку при документировании требований взрывозащиты и функциональной безопасности, передаче данных HART и диагностических сигналов в ПЛК, РСУ или SCADA, интеграции релейных выходов в логику управления и настройке нуля и диапазона при пусконаладке. Мы также помогаем планировать интервалы проверки калибровки с учетом данных о стабильности прибора и критичности процесса.

Часто задаваемые вопросы

Что такое датчик давления и чем он отличается от манометра?

Датчик давления — полевой прибор, который измеряет давление среды и преобразует его в стандартный электрический сигнал, например 4–20 мА, и в цифровые данные, например по протоколу HART. Манометр лишь показывает значение на месте, а датчик передает его в систему управления; интеллектуальные датчики дополнительно поддерживают дистанционную настройку, сигнализацию, релейные выходы и диагностику прибора и процесса. Поэтому именно датчики применяются в контурах регулирования и функциях безопасности.

Чем отличаются датчики избыточного, абсолютного давления и перепада давления?

Датчик избыточного давления измеряет давление относительно атмосферного, поэтому его показания меняются вместе с атмосферным давлением. Датчик абсолютного давления использует в качестве опоры полный вакуум и подходит для вакуумных процессов и измерений, на которые не должны влиять колебания атмосферного давления. Датчик перепада давления измеряет разность давлений между двумя точками процесса и применяется для измерения расхода, уровня и перепада на фильтрах или теплообменниках.

Как измеряется расход с помощью датчика перепада давления?

Первичный преобразователь в трубопроводе — например, диафрагма, кондиционирующая диафрагма или осредняющая напорная трубка — создает перепад давления, связанный с расходом. Поскольку перепад пропорционален квадрату расхода, датчик извлекает квадратный корень и формирует линейный сигнал расхода. Неопределенность измерения расхода зависит от первичного преобразователя и динамического диапазона; для газа и пара следует также предусмотреть коррекцию по давлению и температуре.

Что означает коэффициент перенастройки диапазона датчика давления?

Коэффициент перенастройки — это отношение верхнего предела измерений датчика к наименьшему диапазону, на который его можно настроить. Например, датчик с перенастройкой 200:1 можно настроить на диапазон шириной всего 0,5 % от верхнего предела измерений. Широкая перенастройка позволяет применять один прибор для разных диапазонов и сокращает номенклатуру запасных частей; однако на узких диапазонах формулы погрешности могут меняться, поэтому нужен расчет.

Как долговременная стабильность влияет на планирование калибровки?

Долговременная стабильность показывает, насколько датчик может со временем отклониться от опорного значения. Для описанной на этой странице платформы стабильность нормирована на 20 лет: ±0,10 % или ±0,15 % от верхнего предела измерений в зависимости от класса точности. Малый дрейф позволяет планировать интервалы проверки калибровки на основе оценки рисков — с учетом критичности процесса и допустимого бюджета погрешности.

Как обнаружить засорение импульсной линии?

При засорении импульсных линий датчик перестает воспринимать реальные колебания давления в процессе, и его выходной сигнал ведет себя как «замороженный». Диагностика засорения статистически анализирует шумовые характеристики сигнала давления, расценивает существенное изменение уровня шума как признак забивания и формирует предупреждение. Тот же метод помогает выявлять засорение отборов давления на первичном преобразователе и другие проблемы технологического присоединения.

Как статическое давление влияет на измерение перепада?

У датчиков перепада, работающих под высоким статическим давлением, давление в линии может вызывать небольшие смещения нуля и диапазона. Погрешность нуля устраняется подстройкой нуля, когда датчик находится под рабочим давлением. При выборе всегда нужно указывать максимальное статическое давление в линии: для этой платформы предел составляет до 250 бар в зависимости от кода диапазона и до 425 бар с опцией высокого статического давления. После ошибочных переключений клапанов может потребоваться повторная подстройка нуля.

Для чего нужны встроенные релейные выходы?

Встроенные реле переносят в датчик функцию обычного реле давления. Работая по собственному измерению датчика и настройкам технологических предупреждений, два реле могут напрямую коммутировать цепи насосов, клапанов или сигнализации по давлению, расходу или уровню. Это дает дискретное управление на объектах без ПЛК или РСУ; питание реле должно быть независимым от питания датчика.

Можно ли применять датчики давления во взрывоопасных зонах и функциях безопасности?

Да. Датчик можно заказать со взрывонепроницаемой оболочкой, искробезопасной цепью и защитой от воспламенения пыли по ATEX и IECEx, а также с сертификатами США и Канады. Для систем ПАЗ опционально доступны сертификат IEC 61508 и данные FMEDA; пошаговые контрольные испытания и функции частичного тестирования упрощают периодические проверки. Подходящий набор сертификатов определяется для каждого проекта в соответствии с классификацией взрывоопасных зон объекта.