Co to jest czujnik ciśnienia?

Czujnik ciśnienia to urządzenie umożliwiające pomiar ciśnienia gazu lub cieczy w wybranym odcinku instalacji. Pomiar ten jest z reguły niezbędny do bezpiecznego i prawidłowego działania instalacji przemysłowej, systemu hydraulicznego, pneumatycznego lub energetycznego.

Czujniki ciśnienia umożliwiają automatyczne sterowanie procesami, utrzymywanie parametrów procesów w zadanych zakresach i wczesne wykrywanie awarii.

Zasada działania czujników ciśnienia

Czujniki ciśnienia przekształcają wielkość fizyczną, np. siłę wywieraną przez ośrodek na membranę pomiarową, na sygnał elektryczny lub mechaniczny, który może być następnie zinterpretowany przez system sterowania. W zależności od konstrukcji, czujniki wykorzystują różne zjawiska fizyczne:

• Czujniki tensometryczne działają w oparciu o zmianę rezystancji przewodnika w wyniku jego odkształcenia pod wpływem ciśnienia. Są najczęściej stosowane w rozwiązaniach wymagających odporności na drgania, ale mają ograniczoną dokładność pomiarową.
• Czujniki pojemnościowe rejestrują zmiany pojemności kondensatora utworzonego przez dwie elektrody. Jedna z nich jest nieruchoma, a druga zmienia położenie się pod wpływem ciśnienia, co umożliwia bardzo czuły pomiar nawet niewielkich wartości ciśnienia.
• Czujniki piezoelektryczne opierają się na efekcie piezoelektrycznym, w którym mechaniczne naprężenie materiału generuje sygnał elektryczny. Umożliwiają wykrywanie szybkich zmian ciśnienia.
• Mikrosystemy elektromechaniczne MEMS to miniaturowe, zintegrowane struktury łączące elementy mechaniczne i elektroniczne. Umożliwiają precyzyjne, szybkie pomiary i są często wykorzystywane w elektronice mobilnej oraz motoryzacji.
• Najprostsze pod względem konstrukcyjnym są czujniki elektromechaniczne, których membrana odkształca się pod wpływem ciśnienia i uruchamia mechaniczny przełącznik, zamykając lub otwierając obwód elektryczny.

Elektroniczne czujniki ciśnienia: budowa i zasada działania

Elektroniczny czujnik ciśnienia (np. typu PAC50 firmy Sick) najczęściej wykorzystuje membranę pojemnościową lub piezorezystancyjną, a pojawiający się sygnał pomiarowy jest następnie wzmacniany oraz przetwarzany na sygnał analogowy (np. 4–20mA, 0–10V) lub cyfrowy (np. poprzez interfejs IO-Link). Takie rozwiązanie umożliwia integrację czujnika z systemami nadzoru, sterowania i rejestracji danych.

Dzięki elektronicznemu przetwarzaniu sygnału czujniki te mają wysoką dokładność oraz umożliwiają zmianę parametrów konfiguracyjnych, np. ustawienia progów zadziałania, histerezy, czy monitorowanie stanu urządzenia w czasie rzeczywistym. Są też odporne na zakłócenia, kompaktowe, często wyposażone w wyświetlacz LED lub LCD ułatwiający użytkownikowi odczyt parametrów przy maszynie.

Zastosowania

• Automatyka przemysłowa: kontrola ciśnienia w rurociągach, zbiornikach, instalacjach hydraulicznych i pneumatycznych, układach sprężarek.
• Branża spożywcza, farmaceutyczna, chemiczna: monitorowanie ciśnienia w trakcie procesów produkcji, napełniania opakowań próżniowych, pakowania sterylnego.
• Motoryzacja: pomiar ciśnienia w kolektorze dolotowym (MAP), układach wspomagania, systemach TPMS w oponach.
• Systemy HVAC: nadzór i sterowanie ciśnieniem powietrza w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.
• Zastosowania laboratoryjne oraz systemy bezpieczeństwa procesowego.

Elektromechaniczne czujniki ciśnienia: budowa i zasada działania

Elektromechaniczny czujnik ciśnienia to konstrukcja wykorzystująca membranę, która zmienia położenie pod wpływem ciśnienia i dzięki temu oddziałuje na styk elektryczny wywołując przełączenie obwodu.

Są to urządzenia proste konstrukcyjnie, trwałe, odporne na trudne warunki pracy i stosunkowo tanie w eksploatacji. Najczęściej stosuje się je jako wyłączniki ciśnieniowe (presostaty), np. do zabezpieczania pomp wodnych lub kompresorów przed przekroczeniem dopuszczalnych wartości ciśnienia oraz w prostych alarmach ciśnienia.

Zastosowania

• Systemy hydrauliczne i pneumatyczne: kontrola minimalnego i maksymalnego ciśnienia roboczego.
• Przemysł maszynowy: ochrona pomp i kompresorów.
• Układy technologiczne: uzależnienie startu urządzeń od osiągnięcia określonego ciśnienia w wybranym systemie.
• Zastosowania, w których liczy się prostota oraz odporność na zakłócenia elektromagnetyczne lub agresywne media.

Jak wybrać czujnik ciśnienia?

Dobierając czujnik ciśnienia, użytkownik powinien zwrócić uwagę na:

• Zakres pomiarowy, który powinien mieścić się w granicach wartości ciśnienia występującego w układzie, ale jednocześnie nie być zbyt szeroki, ponieważ przy dużych zakresach pomiarowych spada dokładność.
• Dokładność szczególnie istotna w procesach dozowania, zastosowaniach laboratoryjnych i w kontroli jakości.
• Wytrzymałość mechaniczna, odporność chemiczna ważna w przypadku agresywnych mediów lub wysokiego ciśnienia.
• Sygnalizacja i integracja. Tu ważny jest właściwy dobór odpowiedniego wyjścia (analogowego/ cyfrowego/ mechanicznego)
• Odporność środowiskowa, czyli stopień ochrony IP, odporność na temperaturę, drgania, zanieczyszczenia.
• Możliwość konfiguracji, która jest bardzo istotna w przypadku rozbudowanych systemów (np. czujniki elektroniczne z wyświetlaczem i programowalnymi progami).

Czujniki ciśnienia, zarówno elektroniczne, jak i elektromechaniczne, są urządzeniami, bez których trudno wyobrazić sobie sprawne działanie systemów automatyki przemysłowej, transportu czy systemów produkcji. Od doboru właściwego typu czujnika, o odpowiednim zakresie pomiarowym i rodzaju sygnału wyjściowego zależy bezpieczeństwo systemów w przemyśle, ich optymalizacja oraz szybkie wykrywanie wszelkich nieprawidłowości, a inwestycja w dobrej klasy czujnik ciśnienia oznacza dla użytkownika realne oszczędności na wydatkach ponoszonych na nieplanowane przestoje, konserwacje i serwis instalacji.

Chcesz poznać inne rodzaje czujników stosowane w przemyśle? Zapraszamy na nasz blog i do lektury artykułu „Przegląd czujników przemysłowych. Najważniejsze informacje i zastosowania”