Įvadas
Labai automatizuotame šiuolaikinės pramoninės gamybos, cheminio apdorojimo, energijos gamybos ir skysčių logistikos pasaulyje valdymo sistemos visiškai priklauso nuo tikslių,{0}}duomenų realiuoju laiku, kad būtų išlaikyta veiklos sauga ir efektyvumas. Tarp įvairių fizinių parametrų, stebimų gamykloje, skysčio ir dujų slėgis kartu su temperatūra yra svarbiausi kintamieji, kuriuos reikia nuolat stebėti. Pagrindiniai prietaisai, kuriems patikėta fiksuoti šią informaciją, yra slėgio jutikliai, labai sukonstruoti keitikliai, paverčiantys fizines jėgas į valdomus elektros signalus. Tačiau tinkamo jutiklio nustatymas sudėtingam pramoniniam diegimui toli gražu nėra paprastas katalogo-pasirinkimas.
Šiuolaikinė pramoninė rinka siūlo tūkstančius unikalių jutiklių konfigūracijų, kurių kiekviena sukurta taip, kad atitiktų tam tikrus veikimo parametrus ir katastrofiškai sugestų pagal kitus. Neteisingai nurodytas jutiklis gali sukelti priešlaikinį komponento gedimą, brangiai kainuojančias neplanuotas gamyklos prastovos, gaminio kokybės pablogėjimą arba didelį pavojų grindų personalo saugai. Be to, izoliuotame silose nėra slėgio duomenų; visapusiuose skysčių paskirstymo tinkluose tikslūs slėgio rodmenys yra gyvybiškai svarbūs, kad tinkamai veiktų gretimi prietaisai, pvz., įtaisytas srauto matuoklis, kuris apskaičiuoja tūrinį judėjimą pagal slėgio skirtumus. Todėl metodinės, žingsnis{3}}žingsnis-atrankos sistemos, grindžiamos chemine fizika, mechanine dinamika ir elektrotechnika, kūrimas yra pagrindinė bet kurio sistemų inžinieriaus ar pramonės įmonės vadovo kompetencija.
Laikmenų ir medžiagų suderinamumo apibrėžimas
Pats pirmasis atrankos matricos veiksmas reikalauja išsamios proceso terpės, konkrečios medžiagos, kuri turės tiesioginį fizinį kontaktą su jutikliu, analizė. Pramoniniai skysčiai ir dujos pasižymi plačiu cheminių ir fizinių savybių spektru – nuo gerybinių inertinių dujų iki labai agresyvių rūgščių, šarminių valymo tirpalų ir abrazyvinių mineralinių suspensijų. Vidiniai jutiklio komponentai, liečiantys terpę, bendrai vadinami sudrėkintomis dalimis, o jų medžiagos sudėtis turi būti chemiškai inertiška proceso medžiagos atžvilgiu.
Standartinėms, ne{0}}korozinėms reikmėms, kuriose naudojamas švarus vanduo arba sausas oras, pagrindinės klasės nerūdijantis plienas yra puikus ir ekonomiškas{1}}atsparumas. Tačiau dirbant su labai ėsdinančiomis medžiagomis, tokiomis kaip chloruotas vanduo, jūros vanduo ar koncentruota sieros rūgštis, standartinis nerūdijantis plienas greitai įdubs, pradės rūdyti ir patirs struktūrinius gedimus. Šioje agresyvioje aplinkoje inžinieriai turi nurodyti aukščiausios kokybės sudrėkintas medžiagas, tokias kaip Hastelloy, Monel, Tantalum arba Titanium. Šie egzotiški lydiniai sudaro labai stabilius oksido sluoksnius, kurie atsparūs cheminiam skilimui, užtikrinant, kad vidinė jutimo diafragma išlaikytų savo elastingumą ir kalibravimą daugelį metų nuolatinio poveikio.
Be cheminio reaktyvumo, fizinė terpės būklė kelia rimtų mechaninio dizaino iššūkių. Standartiniai slėgio jutikliai turi mažą vidinę ertmę arba slėgio angą, per kurią terpė pasiekia jutimo diafragmą. Nors ši konstrukcija puikiai tinka švariems skysčiams, ji yra tiesioginio gedimo taškas, jei naudojamas su labai klampiais skysčiais, dažais, klijais arba nuotekomis, kuriose yra suspenduotų dalelių ir pluoštų. Šios tirštos arba nešvarios medžiagos greitai užkimš siaurą įleidimo angą, izoliuodamos diafragmą nuo tikro proceso slėgio ir paversdamos jutiklį nenaudingu. Siekiant įveikti šį apribojimą, pramoninėse srityse, kuriose naudojamos sunkiosios dalelės, naudojami praplovimo diafragmos slėgio jutikliai. Šie įtaisai visiškai pašalina vidinę ertmę, plokščią, tvirtą metalinę plokštę tiesiogiai nukreipdami į pagrindinį skysčio srautą, kad terpė nesikauptų arba nesutvirtėtų ant jutiklio paviršiaus.
Maisto, gėrimų ir farmacijos perdirbimo pramonėje medžiagų suderinamumą dar labiau apsunkina griežti higienos standartai. Tokiose aplinkose naudojami jutikliai turi turėti itin-lygius sudrėkintus paviršius, kad bakterijos nesikauptų mikroskopiniuose plyšiuose. Jie taip pat turi būti sukurti taip, kad atlaikytų valymo-vietoj{- ir sterilizavimo- vietoje{- ciklus, kai vamzdžiai plaunami agresyviomis dezinfekavimo cheminėmis medžiagomis ir perkaitintais garais esant ekstremalioms temperatūroms.
Slėgio dinamikos analizė: diapazonas, atskaitos ir viršslėgis
Kai medžiagų suderinamumas yra tvirtai nustatytas, inžinerijos dėmesys turi būti nukreiptas į mechaninę slėgio kilpos dinamiką. Tam reikia nustatyti tinkamą slėgio atskaitą, nustatyti eksploatacinio matavimo diapazono dydį ir apsaugoti įrenginį nuo žalingų slėgio šuolių. Pramoninis slėgio matavimas skirstomas į tris skirtingas nuorodas: manometrinis slėgis, absoliutus slėgis ir diferencinis slėgis. Manometro slėgio jutikliai matuoja slėgį, palyginti su vietiniu atmosferos slėgiu, naudodami nedidelį ventiliacijos vamzdelį, kad išlygintų diafragmos galinę dalį su aplinkos oru. Tai yra labiausiai paplitusi standartinių bakų lygių ir vamzdynų stebėjimo nuoroda. Priešingai, absoliutaus slėgio jutikliai matuoja slėgį, palyginti su tobulu vakuumu, uždarytu įrenginio viduje, todėl jie yra būtini barometriniam oro stebėjimui, vakuuminio distiliavimo kolonoms ir aukščio kompensavimo sistemoms. Slėgio skirtumo jutikliai turi du skirtingus proceso prievadus, matuojančius tikslų slėgio kritimą tarp dviejų atskirų sistemos taškų. Ši galimybė yra pagrindinė, kai suporuojama su pirminiu elementu, kad būtų sukurtas išvadinis srauto matuoklis.
Norint nustatyti jutiklio veikimo diapazoną, būtina apgalvota matavimo skiriamosios gebos ir mechaninės saugos pusiausvyra. Pagal standartinę inžinerijos taisyklę didžiausias normalus pramoninės sistemos darbinis slėgis turėtų būti patogiai per vidurinį trečdalį visos jutiklio matavimo skalės. Jei vamzdynas paprastai veikia esant pastoviam slėgiui, pasirinkus jutiklį, kurio maksimali talpa artima šiai vertei, nepalieka saugos ribos įprastiniams svyravimams ir jutiklis verčiamas veikti ties absoliučia fizine riba, o tai pagreitina kalibravimo poslinkį. Ir atvirkščiai, pasirinkus jutiklį su pernelyg dideliu matavimo diapazonu, pvz., naudojant aukšto-slėgio jutiklį žemo-slėgio linijai stebėti, skiriamoji geba prasta ir tikslumas sumažėja, nes dėl nedidelių slėgio pokyčių nepavyks generuoti reikšmingo elektros signalo išvesties.
Svarbiausia, kad atrankos procese turi būti atsižvelgiama į ekstremalius, trumpalaikius viršslėgio įvykius, atsirandančius ne įprastomis darbo sąlygomis. Skysčių paskirstymo tinkluose staigus greitai{1}}veikiančio vožtuvo užsidarymas arba greitas didelės-galios siurblio paleidimas gali sukelti žiaurų kinetinį reiškinį, žinomą kaip vandens plaktukas arba hidraulinė smūgio banga. Šie lokalizuoti slėgio šuoliai gali lengvai viršyti įprastą darbinį slėgį penkis ar dešimt kartų, smogdami į jutiklio diafragmą didžiule jėga. Kad jutiklis nesuplyštų ar nepatirtų nuolatinės mechaninės deformacijos, inžinieriai turi patikrinti įrenginio atsparumo slėgio ir sprogimo slėgio reitingus. Atsparumo slėgis apibrėžia didžiausią ribą, kurią jutiklis gali laikinai atlaikyti nepatirdamas nuolatinio kalibravimo poslinkio, o sprogimo slėgis yra absoliuti konstrukcinė riba prieš korpusui fiziškai plyšant ir sukeliant pavojingą skysčio nuotėkį.
Darbo aplinkos ir pavojų aplinkai įvertinimas
Pramoniniai slėgio jutikliai retai įrengiami nesugadintose,{0}}klimato kontroliuojamose laboratorijos patalpose. Vietoj to, jie reguliariai naudojami lauke, esant minusinei žiemos temperatūrai, šalia skleidžiančių pramoninių krosnių arba montuojami ant vibruojančių dyzelinių variklių ir sunkiųjų hidraulinių presų. Todėl išorinė įrengimo vietos aplinka turi turėti didelę įtaką pasirinkimo architektūrai.
Temperatūros valdymas yra dvigubas{0}}priekinis iššūkis, todėl reikia įvertinti ir terpės temperatūrą, ir jutiklio korpusą supančio oro temperatūrą. Nors vidinės skaitmeninės kompensavimo grandinės gali ištaisyti nedidelius šiluminius poslinkius, didelis karštis gali sugadinti jautrius silicio deformacijų matuoklius ir vidinę mikroelektroniką. Jei jutiklis turi stebėti perkaitinto garo liniją, inžinieriai gali apsaugoti subtilią elektroniką tarp proceso linijos ir jutiklio sumontuodami aušinimo elementą, sifono kilpą arba kapiliarinį vamzdelį. Šie paprasti mechaniniai priedai izoliuoja jutiklį nuo tiesioginio šilumos šaltinio ir leidžia terpei gerokai atvėsti, kol ji pasiekia matavimo diafragmą.
Drėgmės patekimas yra dar viena plačiai paplitusi grėsmė aplinkai. Žemės ūkio drėkinimo, jūrų laivybos ir maisto perdirbimo zonose jutikliai dažnai yra veikiami aukšto-slėgio vandens čiurkšlių, stipriai kondensuojasi arba visiškai panardinami. Kad būtų užtikrintas elektros išlikimas, jutiklio korpusas turi turėti atitinkamą apsaugos nuo patekimo reitingą. Vietose, kuriose įprastai plaunamas aukšto{4} slėgio chemikalais, itin-saugaus gaubto įvertinimas yra privalomas, kad drėgmė nepatektų į elektros kontaktus.
Be to, jei jutiklis skirtas naftos perdirbimo gamyklai, chemijos gamyklai ar grūdų silosui, kur atmosferoje nuolat yra sprogių dujų arba degiųjų dulkių, prietaisas turi turėti griežtus pavojingos vietos sertifikatus. Tam reikia pasirinkti tarp iš esmės saugių jutiklių, kurie riboja vidinę elektros energiją iki tokio lygio, kuris nesugeba įžiebti kibirkšties, arba -sprogimui atsparių korpusų, sukurtų saugiai sulaikyti bet kokį vidaus degimą, neleidžiant liepsnai patekti į išorinę aplinką.
Galiausiai, negalima pamiršti nuolatinės mechaninės vibracijos griaunamosios jėgos. Tiesiai ant sunkiųjų pramoninių kompresorių arba mobiliosios kasybos įrangos sumontuoti jutikliai patiria nuolatinį, aukšto{1}}dažnio kinetinį drebėjimą, kuris gali atlaisvinti vidines laidų jungtis ir įtrūkti elektroninių litavimo jungčių. Nurodant jutiklius su kietojo kūno-, visiškai įdėta elektronika ir tvirtomis elektros jungtimis užtikrinama, kad įrenginys gali atlaikyti ilgus metus trunkantį intensyvų mechaninį maišymą nepatirdamas staigaus signalo praradimo.
Elektros architektūra, signalų kondicionavimas ir sistemų integravimas
Paskutinis atrankos sistemos etapas užpildo atotrūkį tarp mechaninės jėgos perdavimo ir skaitmeninės valdymo logikos, sutelkiant dėmesį į tai, kaip jutiklis perduoda duomenis atgal į centrinį programuojamą loginį valdiklį arba paskirstytą valdymo sistemą. Istoriškai pramonės sektorius labai rėmėsi tradiciniais analoginiais srovės signalais, ypač standartizuota keturių{1}}–-dvidešimties miliamperų srovės kilpa. Srovės kilpa išlieka labai populiari, nes elektros srovė nenukenčia nuo įtampos kritimo per ilgus kabelius, todėl ji yra ypač atspari dideliems elektromagnetiniams trukdžiams, kuriuos sukelia didžiuliai gamykliniai varikliai ir aukštos{4}}tampos elektros linijos. Arba vietiniams įrengimams švariose valdymo spintose gali būti naudojami paprasti įtampos signalai arba ratiometriniai išėjimai, siekiant sumažinti elektros energijos suvartojimą.
Tačiau, kadangi gamybos įrenginiai sparčiai virsta tarpusavyje sujungtomis išmaniosiomis gamyklomis, paprasti analoginiai signalai vis dažniau užleidžia vietą dvikrypčiams skaitmeninio ryšio protokolams. Šiuolaikiniai pramoniniai slėgio jutikliai dažnai turi pažangias skaitmenines sąsajas, tokias kaip IO-Link, HART arba įvairios lauko magistralės tinklo architektūros. Atnaujinimas prie skaitmeninės telemetrijos sistemos leidžia jutikliui perduoti daug daugiau nei tik neapdorotą slėgio rodmenį. Išmanusis skaitmeninis jutiklis gali vienu metu tiesiogiai perduoti savo vidinės temperatūros diagnostiką, veikimo valandas ir automatinio kalibravimo būseną tiesiai į gamyklos priežiūros prietaisų skydelį.
Šis skaitmeninis ryšys pagerina visos proceso kilpos diagnostinę sinergiją. Pavyzdžiui, sudėtingoje cheminių medžiagų maišymo sistemoje didelės spartos{1}}skaitmeninė išmaniojo slėgio jutiklio išvestis gali būti nuolat kryžminė-nuoroda su realaus-laiko rodmenimis iš pasrovinio srauto matuoklio. Jei srauto matuoklis rodo staigų skysčio greičio sumažėjimą, o prieš srovę esantis slėgio jutiklis užfiksuoja didžiulį pasipriešinimo šuolį, centrinis valdymo kompiuteris gali iš karto nustatyti, kad filtras užsikimšęs arba vožtuvas sugedo. Pasirinkę slėgio jutiklį, kuris kalba ta pačia skaitmenine kalba kaip ir platesnė automatizavimo architektūra, inžinieriai gali atrakinti nuspėjamąsias priežiūros galimybes, optimizuoti siurblio energijos suvartojimą ir pereiti nuo reaktyvaus avarinio remonto prie autonominio proceso optimizavimo eros.
Išvada
Tinkamo slėgio jutiklio pasirinkimas pramoniniam pritaikymui yra daugialypis{0}}inžinerinis iššūkis, dėl kurio reikia kruopščiai įvertinti tikslinio proceso ciklo cheminius, mechaninius, aplinkos ir elektrinius parametrus. Nesugebėjimas atsižvelgti į bet kurį kintamąjį šioje atrankos grandinėje gali greitai pakenkti visos automatizavimo sistemos vientisumui. Metodiškai derindami chemines proceso terpės savybes su aukštos kokybės-drėkintais lydiniais, kruopščiai suderindami dinaminio slėgio diapazoną su sisteminėmis saugos ribomis, apsaugodami elektroniką nuo pavojų aplinkai ir integruodami atitinkamą elektros ryšio architektūrą, inžinieriai gali užtikrinti stebėjimo išteklius, kurie dešimtmečius veiktų nepriekaištingai.
Galiausiai, investavus laiką ir analitinį kruopštumą, reikalingą norint nustatyti idealų slėgio jutiklį, per visą pramoninio turto eksploatavimo laiką gaunami didžiuliai finansiniai ir veiklos dividendai. Tai sumažina pridėtines išlaidas, susijusias su dažnu dalių keitimu, pašalina logistinį chaosą dėl neplanuotų gamyklų išjungimų ir apsaugo darbuotojų saugą gamybos aukšte. Pramonės pasauliui toliau žengiant į visišką skaitmeninimą ir itin efektyvų išteklių valdymą, tikslus ir patikimas slėgio perdavimo suderinimas išliks pagrindiniu kertiniu akmeniu, ant kurio kuriama pramonės sauga ir įmonės tvarumas.