Foruten rene trykkmålinger, kan parameteren også benyttes til måling av både nivå og mengde, for eksempel differansetrykk (dp).
Kraft per flateenhet
Trykktransmittere har en lang historie som måleparameter i industrien – og er fortsatt like aktuell! Trykk er det mest brukte måleprinsipp, og det er derfor utviklet en rekke typer trykkmålere med forskjellige egenskaper og til forskjellige applikasjoner.
Fysikken definerer trykk som kraft påvirket en flate, og uttrykker det i Pascal. Europeisk industri benytter som regel enhetene Kpa, bar/mbar eller mmH2O.
Mange målemuligheter
Siden gasstrykk påvirker alle flatene i en tank eller rør likt, kan transmitteren i prinsippet monteres hvor som helst. For væske er det selvsagt annerledes. Dens tyngdekraft påvirker bunnen mest, uavhengig av tankens form. For nivåmåling (hydrostatisk) må transmitteren fortrinnsvis monteres der man ønsker å ha nullpunktet, enten gjennom tankveggen med kun sensoren medieberørt, eller nedsenket i væsken.
Differansetrykk brukes selvfølgelig også, og her gjelder det å utnytte fordelen med at man faktisk måler forskjellen mellom to punkter, enten det er væskesøyle, trykk eller dP flow. Mer om dette i andre artikler i denne serien.
Transmittere
Trykktransmittere kan deles inn i tre hovedtyper;
- Gaugemålere/relative målere (g, evt ingen benevnelse)
- Absoluttmålere (a)
- Differanse
En gaugetransmitter og en differansetrykktransmitter (dP) er i prinsippet like, begge måler både et trykk og et referansetrykk. Forskjellen ligger i at dP-transmitteren har tilkobling til begge, mens gaugetransmitteren har atmosfæren som referansepunkt, uten tilkoblingsmulighet. En absoluttransmitter har ingen referanse til atmosfære og har absolutt vakuum som referanse!
Dette er viktig å huske på ved vakuummåling! Både gauge- og absoluttransmittere kan – dersom de ikke er av den helt enkle transducer-typen – måle vakuum.
Men det er ikke likegyldig hva man velger; vi skisserer 3 eksempler:
- Gauge: Måleområdet er definert til -100mbar til +100mbar atmosfære, og man ønsker å regulere rundt et settpunkt på 20mbar g. Her er atmosfæretrykket referansen (0 bar relativ), prosesskontrollsystemet (PCS/DCS/PLS) har det samme området og en gaugetransmitter er riktig valg. Dersom man velger en absoluttmåler vil transmitteren i verste fall vise rundt 50mbar feil!
- Absolutt 1: Barometertrykket ønskes målt: Her er det viktig å bruke en absoluttransmitter. Siden den har absolutt vakuum som referanse, vil den være i stand til å måle endringen i atmosfæretrykket (høytrykk – lavtrykk)
- Absolutt 2: Man ønsker en trykktransmitter med måleområde 50…150mbar a, og referansen er absolutt vakuum. Absolutt transmitter mener du? Helt rett, det er det som er riktig her!
Sensortyper
Det er hovedsakelig to sensortyper som benyttes for trykkmåling:
- Keramikksensorer.
- Metallmembran med hydraulisk overføring til beskyttet sensor.
Keramikksensorene er kapasitive og har fordelen av at de tåler store overtrykk i forhold til sensorstørrelsen, uten å drifte. De tåler også meget godt mekanisk påvirkning, og er motstandsdyktige mot en rekke kjemikalier – særlig de som har høy keramisk renhet.
Ulempen er at de må innfestes i prosesstilkoblingen med en o-ring. For å sikre god motstandsdyktighet mot kjemikalier er det viktig å velge riktig materiale i denne for det mediet transmitteren skal måle på.
Kapasitansendring
En keramikksensor er bygget opp av en tynn målemembran og en tykkere bakvegg. Prosesstrykket skaper en liten bøyning av målemembranen som gir en endring av kapasitansen. Denne endringen er proporsjonal med trykkendringen og blir målt og omformet til et forståelig utgangssignal.
Trykkområdet til en keramikksensor er begrenset til et område der målemembranen blir så tykk, og dermed så stiv, at unøyaktigheten blir uakseptabel. Normalt går derfor keramikksensorer kun opp til 40bar. På den andre siden kan en keramikksensor måle tilnærmet absolutt vakuum, noe en sensor med metallmembran ikke egner seg til.
Metallmembraner har hydraulisk overføring av prosesstrykket til en beskyttet sensor. Membranet er følsomt for mekanisk påvirkning, og en trykktransmitter med metallmembran må behandles med større forsiktighet enn en keramisk før og under montasje. Også i forhold til mekanisk påvirkning fra mediet – eller andre prosessmessige faktorer – må dette tas hensyn til.
For bedre korrosjonsbestandighet er det normalt mulig å velge mellom ulike metaller. Brukererfaring, korrosjonstabeller og leverandørens erfaring bidrar til optimalt valg. Også oljen tilbys gjerne i ulike utgaver, avhengig av mediets temperatur eller type industri. Grensen for sensorstørrelse, for transmittere med metallmembran, er atskillig høyere enn for keramikksensorer, gjerne flere hundre bar!
Spesialsensorer
Det finnes også en tredje type sensor, beregnet på applikasjoner med store og raske temperaturendringer, og gjerne fuktige omgivelser. Typisk for slike forhold er den såkalte pumpeeffekten. Gjentatt oppvarming og nedkjøling vil medføre at fuktig luft trekkes inn i transmitteren og skaper måleforstyrrelser på referansesiden. For å hindre dette har eksempelvis Endress+Hauser utviklet en sensor som har en gass- og væsketett membran, også på referansesiden. Sensoren er derfor upåvirket av pumpeeffekten og er velegnet i utsatte applikasjoner, typisk i for eksempel meierier.
I visse tilfeller er også «Diaphragm Seal» en nødvendighet, et ekstra sett med membran og olje som blant annet gir større avstand til prosessen.
Med dette kan man utvide temperaturområdet for direktemontering av en trykktransmitter.
Diaphragm Seal gir også flere valgmuligheter med hensyn til metallkvaliteter.
Ulempen er at transmitteren på grunn av den ekstra oljen får en større temperaturkoeffisient, som påvirker nøyaktigheten og responstiden til det målte signalet.
Utgangssignalet tilbys i dag gjerne som tradisjonelt 4…20mA signal med (overlagret) Hart, eller i form av en kommunikasjonsprotokoll som Fieldbus Foundation (FF) eller Profibus PA. Enkle modeller kan også ha andre signalvalg, tilpasset egne typer industrier.
Størrelsen teller
Trykktransmittere har forskjellige sensorstørrelser. Bortsett fra de helt enkle modellene kan så et måleområde skaleres innenfor dette. Dette kalles "Turndown" og kan for eksempel variere mellom 1:4 og 1:100, selvsagt avhengig av type og elektronikk. Måleområdet defineres likt i transmitter og prosesskontrollsystemet, og formidles via 4…20mA signalet. Der digital busskommunikasjon brukes (Hart/FF/Profibus), behøves ingen skalering, da signalet ut fra transmitter er et direkte uttrykk for den målte verdien.
I tillegg til flere typer sensorer og ulike trykkreferanser finnes det også variasjoner i tilkobling og brukergrensesnitt.
Fra helt enkle transducere med kun mulighet for en liten nullpunktsjustering og med relativt få valgmuligheter i mekanisk utførelse, via et mellomsegment med større bredde i mekanisk og elektronisk tilbud, til toppmodellene med stor grad av modularitet, nøyaktighet og elektronisk brukervennlighet. Her kan man også gjerne velge om parametriseringen skal foregå direkte på transmitteren, med et Plant Asset Management (PAM)-verktøy som for eksempel Endress+Hausers Fieldcare eller direkte i kontrollsystemet – dersom det er funksjonalitet for dette.
