Począwszy od przetwórstwa spożywczego, po zakłady petrochemiczne, formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych oraz wiele innych zastosowań przemysłowych, pomiar ciśnienia jest konieczny w kontroli procesów oraz maszyn. Użytkownik wówczas często staje przed dylematem: który czujnik ciśnienia należy zastosować – do pomiaru ciśnienia względnego czy absolutnego? W niniejszym artykule omawiamy różnice między tymi dwoma rodzajami czujników oraz ich zastosowania.
Główna różnica między pomiarem ciśnienia względnego i bezwzględnego dotyczy wprowadzonej wartości ciśnienia wzorcowego, innymi słowy: punktu zerowego skali. Pomiar ciśnienia względnego przeprowadza się zawsze w odniesieniu do aktualnego ciśnienia otoczenia („względnego”). Natomiast czujnik ciśnienia absolutnego zawsze dokonuje pomiaru ciśnienia jako wartości dodatniej względem bezwzględnego punktu zerowego (próżni absolutnej).
Aby dokonać pomiaru ciśnienia względnego lub bezwzględnego, czujnik musi wykryć zmianę ciśnienia medium i porównać jego wartość z wartością ciśnienia wzorcowego (względne = ciśnienie otoczenia, bezwzględne = próżnia absolutna). Elektroniczne mierniki ciśnienia zazwyczaj dokonują pomiaru zmiany ciśnienia poprzez pomiar odkształcenia membrany. Jeśli taka membrana jest poddana działaniu ciśnienia procesowego z jednej strony i „odpowietrzona” z drugiej (i w ten sposób poddana działaniu ciśnienia otoczenia), odkształcenie jest redukowane właśnie przez to ciśnienie otoczenia. Dlatego też wynik pomiaru stanowi różnica ciśnienia względem aktualnego ciśnienia otoczenia.
W zastosowaniach wysokociśnieniowych (np. 6000 bar) oraz w trudnych warunkach pracy (takich jak cięcie strumieniem wody) używane są „nieodpowietrzone” czujniki ciśnienia, tj. czujniki z obudową uszczelnioną fabrycznie. Ponieważ w takich zastosowaniach zmiany ciśnienia otoczenia w porównaniu ze zmianami ciśnienia procesowego są niewielkie (+/- 230 mbar), wartość ciśnienia atmosferycznego oraz stopień uszczelnienia obudowy nie są istotne.
Anthony Leopold – Fotolia.com, Pakowanie produktów mięsnych
W przypadku czujników ciśnienia absolutnego, we „wnętrzu” czujnika (części, która nie styka się z medium pod ciśnieniem) jest wytwarzana próżnia, a następnie jest ono trwale hermetycznie uszczelniane. W ten oto sposób na mierzone odkształcenie membrany nie ma wpływu ciśnienie otoczenia, a pomiar dokonywany jest zawsze względem zamkniętej próżni, która stanowi punkt odniesienia oraz zero. Taka budowa czujników ciśnienia absolutnego umożliwia pomiar bieżącego ciśnienia otoczenia, gdyż zamknięta próżnia („ciśnienie otoczenia 0 bar”) przedstawia ustalony punkt odniesienia, niezależny od aktualnych warunków pogodowych i poziomu umieszczenia czujnika nad poziomem morza.
Zaleca się stosowanie odpowiedniego rodzaju czujnika ciśnienia absolutnego lub względnego w danym przypadku. Na przykład, w zbiornikach bezciśnieniowych używanych do przechowywania cieczy, gdy zbiornik jest luźno połączony z atmosferą nad cieczą (i tym samym „odpowietrzony”), aktualny poziom cieczy można zmierzyć jako pochodną ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy, stosując odpowietrzony w podobny sposób czujnik ciśnienia względnego. Jest to szczególnie istotne w przypadku mniejszych zbiorników lub pojemników w celu wyeliminowania wpływu ciśnienia otoczenia na pomiar poprzez zwykłą wentylację czujnika oraz zbiornika; w przeciwnym razie, jeśli płyn utrzymuje się na stałym poziomie, zmierzony poziom cieczy w zbiorniku ulegnie zmianie jako efekt działania ciśnienia otoczenia. Taka zmiana może nastąpić w zakresie +/- 30 mbar na skutek aktualnie panujących warunków pogodowych, oraz do 200 mbar w związku z położeniem (różnica ciśnień między poziomem morza a wysokością 2000 m). W zbiorniku napełnionym wodą do poziomu 5 m wytwarzane jest ciśnienie hydrostatyczne +500 mbar. Stąd, przy stałej ilości wody czujnik ciśnienia absolutnego będzie wskazywać poziom napełnienia między 4,7 a 5,3 metra, w zależności od warunków pogodowych. Ponieważ objętość napełniania jest często obliczana na podstawie geometrii zbiornika oraz zmierzonego poziomu cieczy, może to skutkować poważnymi błędami pomiaru.
W innych zastosowaniach, takich jak cięcie strumieniem wody wpływ ciśnienia otoczenia nie prowadzi do wystąpienia poważnego błędu pomiaru, gdyż strumień wody osiąga ciśnienie procesowe o wartości do 6000 bar, a zmienne ciśnienie otoczenia w zakresie +/- 230 mbar nie przyczynia się do znaczącej niedokładności pomiaru (0,23/6000*100% = 0,00383%). Z powodu dużego ryzyka przenikania wody, zaleca się stosowanie w tym przypadku „nieodpowietrzonych” czujników ciśnienia względnego, aby uniemożliwić przenikanie wody lub brudu przez otwór wentylacyjny obecny w czujnikach „odpowietrzonych”. Z tego względu wskazane jest w takim przypadku stosowanie nieodpowietrzonego czujnika ciśnienia względnego.
W innych zastosowaniach, w których wymagane jest niższe ciśnienie, np. przy pomiarze próżni, należy używać czujników ciśnienia absolutnego dla zachowania wysokiej precyzji. Na przykład, podczas pakowania mięsa (patrz rys. 4), koniecznie jest wytworzenie próżni o określonej jakości, tak, aby zapewnić maksymalny okres przechowywania. Resztki tlenu w opakowaniu (tj. ciśnienie resztkowe w próżni) są wprost proporcjonalne do okresu przechowywania zapakowanej żywności. Niepewność pomiaru z powodu zmian atmosferycznych w zakresie +/- 30 mbar, przy standardowej wartości ciśnienia resztkowego 65mbar, znacznie skraca gwarantowany termin przydatności do spożycia.
Typowym zastosowaniem czujnika ciśnienia absolutnego jest tzw. barometr, urządzenie, które mierzy bieżące ciśnienie otoczenia, a jego wahania stosowane są do przewidywania zmian pogody. Innym zastosowaniem jest urządzenie zwane wysokościomierzem (miernik wysokości nad poziomem morza), mierzące ciśnienie atmosferyczne i zmieniające je na odczyt wysokości w odniesieniu do poziomu morza. Wykorzystuje ono fakt, że ciśnienie atmosferyczne zmniejsza się wraz z wysokością, i dlatego może być stosowany w tym celu.
W niniejszym artykule przedstawiono zaledwie kilka przykładów zastosowań spośród wielu innych sposobów wykorzystywania czujników ciśnienia absolutnego i wzglednego. Przytoczone przykłady dowodzą, że w każdym przypadku należy uwzględnić wymogi względem dokładności pomiaru, a także panujące warunki otoczenia.
Uwaga:
Więcej informacji na temat naszej szerokiej oferty produktowej dostępne jest na naszej stronie internetowej WIKA Polska.