Przetwornik ciśnienia

Przetwornik ciśnienia jest urządzeniem pomiarowym, które przekształca mierzone ciśnienie gazu lub cieczy w sygnał elektryczny możliwy do odczytania przez sterownik, system automatyki lub układ monitoringu.

W zależności od konstrukcji urządzenia sygnał wyjściowy może mieć postać między innymi 4–20 mA, 0–10 V lub sygnału cyfrowego przesyłanego za pomocą odpowiedniego protokołu komunikacyjnego.

Przetwornik umożliwia ciągły pomiar ciśnienia oraz wykorzystanie uzyskanej wartości do kontroli, regulacji i automatyzacji pracy instalacji. Urządzenia tego typu są szeroko stosowane między innymi w systemach HVAC, instalacjach przemysłowych, hydraulicznych i technologicznych.

Przy doborze odpowiedniego przetwornika należy uwzględnić przede wszystkim rodzaj mierzonego medium, zakres ciśnienia, temperaturę pracy, wymagany sygnał wyjściowy oraz warunki środowiskowe. Specjalistyczne urządzenia mogą być przystosowane również do pracy przy bardzo wysokich temperaturach, jednak dopuszczalne wartości zawsze zależą od konkretnego modelu oraz konstrukcji przyłącza procesowego.

Budowa czujnika i przetwornika ciśnienia

Przetwornik ciśnienia składa się przede wszystkim z dwóch współpracujących ze sobą części:

• elementu pomiarowego lub czujnika ciśnienia, który reaguje na oddziaływanie mierzonego medium i przekształca zmianę ciśnienia w zmianę określonej wielkości elektrycznej,
• układu elektroniki, który wzmacnia, kompensuje i przetwarza sygnał pochodzący z elementu pomiarowego na standardowy sygnał wyjściowy możliwy do wykorzystania przez automatykę.

W zależności od technologii stosuje się między innymi czujniki piezorezystancyjne, tensometryczne i pojemnościowe. Poszczególne rozwiązania różnią się zakresem pomiarowym, czułością, odpornością na przeciążenia i przeznaczeniem.

Przetwornik wyposażony jest również w przyłącze procesowe umożliwiające kontakt z mierzonym medium, obudowę oraz złącze elektryczne służące do zasilania urządzenia i przesyłania sygnału.

Rodzaj przyłącza może być bardzo różny – stosowane są między innymi gwinty G, NPT, M oraz rozwiązania przeznaczone do specjalistycznych instalacji przemysłowych.

Zakresy pomiarowe przetworników ciśnienia

Szeroka gama dostępnych urządzeń pozwala dobrać przetwornik do bardzo różnych zastosowań. Zakres pomiarowy zależy przede wszystkim od rodzaju instalacji oraz wartości ciśnienia, które ma być kontrolowane.

W instalacjach wentylacyjnych często wykorzystuje się przetworniki bardzo małych ciśnień lub różnicy ciśnień, których zakres może być podawany w paskalach. Służą one między innymi do kontroli ciśnienia w kanałach, pomiaru sprężu wentylatora lub monitorowania spadku ciśnienia na filtrze.

W instalacjach wodnych, chłodniczych i grzewczych stosuje się natomiast urządzenia pracujące w zakresie kilku lub kilkudziesięciu barów. Znacznie wyższe zakresy, sięgające setek barów, spotykane są przede wszystkim w hydraulice siłowej i specjalistycznych instalacjach przemysłowych, a nie w typowych systemach HVAC.

Poza zakresem pomiarowym podczas doboru przetwornika należy uwzględnić między innymi:

• dokładność pomiaru,
• stabilność długoterminową,
• odporność na chwilowe przeciążenie ciśnieniowe,
• zakres temperatury medium i otoczenia,
• zgodność materiałów mających kontakt z medium,
• wymagany stopień ochrony obudowy,
• rodzaj sygnału wyjściowego i sposób komunikacji ze sterownikiem.

Zastosowanie przetworników ciśnienia w instalacjach HVAC

Przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień znajdują szerokie zastosowanie w instalacjach HVAC, między innymi:

• w instalacjach wentylacji mechanicznej i rekuperacji – do pomiaru ciśnienia w kanałach, kontroli sprężu wentylatorów oraz monitorowania oporów przepływu,
• do kontroli zabrudzenia filtrów poprzez pomiar różnicy ciśnień przed i za filtrem,
• w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych – do monitorowania ciśnienia czynnika chłodniczego,
• w instalacjach grzewczych i wodnych – do kontroli ciśnienia w obiegach hydraulicznych,
• w systemach automatyki budynkowej – jako źródło danych wykorzystywanych do regulacji pomp, wentylatorów, zaworów i innych urządzeń.

Warto przy tym odróżnić przetwornik ciśnienia od presostatu. Przetwornik przekazuje ciągłą informację o aktualnej wartości ciśnienia, natomiast klasyczny presostat zazwyczaj reaguje po przekroczeniu ustalonego progu i przełącza styk elektryczny.

Czujniki i przetworniki ciśnienia znajdują zastosowanie również poza branżą HVAC, między innymi:

• w automatyce przemysłowej i procesowej,
• w hydraulice siłowej,
• w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym,
• w energetyce i systemach technologicznych,
• w motoryzacji, urządzeniach laboratoryjnych oraz aparaturze medycznej.

Zasada działania przetworników ciśnienia

Podstawą działania wielu przetworników ciśnienia jest odkształcenie elementu pomiarowego pod wpływem ciśnienia medium. Elementem tym może być na przykład cienka membrana.

Powstałe odkształcenie powoduje zmianę określonego parametru elektrycznego – na przykład rezystancji lub pojemności. Układ elektroniczny przetwarza następnie tę zmianę na sygnał odpowiadający aktualnej wartości ciśnienia.

W jaki sposób przebiega pomiar ciśnienia w przetworniku?

1. Ciśnienie medium oddziałuje na element pomiarowy. W wielu konstrukcjach jest nim membrana, która odkształca się pod wpływem różnicy ciśnień działającej na jej powierzchnię.
2. Odkształcenie zostaje przekształcone w zmianę wielkości elektrycznej. Sposób realizacji tego etapu zależy od zastosowanej technologii czujnika.

Do najczęściej stosowanych rozwiązań należą:

• czujniki piezorezystancyjne – odkształcenie membrany powoduje zmianę rezystancji elementów pomiarowych. Technologia ta jest szeroko stosowana w nowoczesnych przetwornikach ciśnienia,
• czujniki pojemnościowe – odkształcenie membrany powoduje zmianę odległości pomiędzy elementami tworzącymi kondensator, a tym samym zmianę jego pojemności elektrycznej,
• czujniki tensometryczne – odkształcenie elementu pomiarowego powoduje zmianę rezystancji tensometrów połączonych z jego powierzchnią.

Powstający w czujniku sygnał jest następnie przekazywany do elektroniki przetwornika.

3. Sygnał zostaje wzmocniony, skompensowany i przeliczony. Elektronika może między innymi uwzględniać wpływ temperatury i charakterystykę konkretnego elementu pomiarowego.
4. Przetwornik generuje sygnał wyjściowy, który trafia do sterownika, systemu BMS, regulatora lub innego elementu automatyki.

Do popularnych sposobów przekazywania wyniku należą:

• 4–20 mA,
• 0–10 V,
• inne analogowe standardy napięciowe lub prądowe,
• komunikacja cyfrowa, np. poprzez odpowiedni interfejs wykorzystujący protokół Modbus.

Na podstawie otrzymanej wartości sterownik może odpowiednio reagować – na przykład zmieniać prędkość wentylatora lub pompy, regulować przepływ, sygnalizować zabrudzenie filtra albo uruchamiać alarm po przekroczeniu dopuszczalnego zakresu ciśnienia.

Nowoczesne przetworniki mogą również wykonywać część obróbki danych bezpośrednio w urządzeniu, oferując między innymi filtrację sygnału, kompensację temperatury, diagnostykę oraz możliwość konfiguracji zakresu pomiarowego. Ułatwia to integrację czujnika z automatyką całego systemu.