Tlakové snímače

Tlakový snímač je elektronické zařízení, které převádí jednu formu energie na jinou. V našem případě je vyvíjený tlak tvořen provozní tekutinou tedy polymerem, který působí svou tlakovou sílou na tenkou membránu, která je umístěná na špičce snímače. Tento tlak zaznamenává malé snímací zařízení zvané tenzometr. Tenzometrické měření pak převádí tlakové napětí na nízkoúrovňový milivoltový signál, který lze dále upravovat a převádět na další typy signálu.

Při konstrukci a návrhu našich tlakových snímačů je nejlepším řešením mít tenzometr co nejblíže procesní tekutině. Avšak vysoká teplota taveniny polymeru při extruzi působí na tento jemný mechanismus a ovlivňuje jeho měřicí schopnosti, což zhoršuje jeho výkon. Aby bylo možné co nejvíce využít tenzometr bez kompromisů, je snímací prvek umístěn ve větší vzdálenosti a izolován od vysokých teplot. Největší výzvou se poté stává přenos procesního tlaku na tenzometr, aniž by docházelo ke ztrátě tlakové integrity. Toho je dosaženo za použití specifické kapaliny, která nejlépe replikuje procesní tlak na delší vzdálenosti. Kapalina musí mít definované fyzikální vlastnosti, aby mohla být na tuto aplikaci použita.

Tato sestava se skládá z membrány, která je ve styku s vysokou teplotou zpracovávaného materiálu, která je napojena na "kanálek/trubici" transportující tlak za pomocí kapaliny na horní snímací membránu vybavenou tenzometrickým snímačem. Náplň snímače může mít výhody i nevýhody, je však nutné vzít v potaz charakteristiku dané aplikace a zvolit vhodnou náplň. Při výběru plnícího média je třeba vzít v úvahu tři aspekty:

• Zda stlačitelnost plnícího média koreluje s maximálním tlakovým rozsahem pro danou aplikaci
• Zda součinitel teplotní roztažnosti koreluje s posunem nulového tlaku vlivem teplotní změny
• Zda rozsah provozních teplot koreluje s maximální teplotou plněného média

Pro běžné aplikace zpracování plastů, kde dochází k tavení a formování polymerů, se nejčastěji využívá rtuť (Hg). Hustota rtuti je extrémně odolná vůči stlačení a právě proto se hojně využívá pro přenos tlaku a díky svým fyzikálním vlastnostem dokáže transportovat i tlaky nad 30 000 psi. Rtuť je také extrémně citlivá na teplotní roztažnost, dokáže si udržet své fyzikální vlastnosti při teplotách pod bodem mrazu a dokonce i nad 350°C. Odolává tuhnutí, varu nebo odpařování i při extrémních teplotách, které ovlivňují jiné tekuté kovy a výplňové materiály. K dnešnímu dni neexistuje jiný materiál, který poskytuje stejný výkon jako právě rtuť.

Velkou nevýhodou rtuti je její toxická klasifikace. Vzhledem k její toxicitě přistoupilo USA v devadesátých letech k regulaci a ochraně životního prostředí včetně emisních limitů. Následná nařízení v USA a dalších zemích vytvořila programy pro kontrolu rtuti ve všech aplikacích v co největší míře. I když jsou v dnešní době k dispozici i alternativní výplňové materiály pro systémy snímání tlaku, žádný z nich nemůže dostatečně nahradit rtuť v oblasti snímání tlaku polymerní taveniny.

Alternativní náplně

Dynisco nabízí NaK jako alternativní náplň snímače. Podle USFDA je NaK klasifikován jako netoxický materiál, obecně považovaný za bezpečný (Generally Regarded As Safe - GRAS), přestože splňuje vysoké teplotní rozsahy, nelze jej použít v oblastech s ochranou před explozí FM, protože při kontaktu se vzduchem rychle oxiduje a může dojít ke vzplanutí. Kompresibilita NaK není na takové úrovni jako u rtuti, což omezuje rozsah tlaků na 10 000 psi a také omezuje rozměry snímače, ve kterém lze umístit snímač tenzometrického měření.

Olej je také klasifikován jako netoxický a je obecně považován za bezpečný (GRAS) podle USFDA. Nicméně, jako organická sloučenina se olej při vyšších teplotách degraduje, což vede k omezené životnosti a teplotním limitům. Dynisco nabízí olej jako alternativní výplň pro potravinářské a lékařské aplikace.

Další výplňové materiály byly použity s omezeným úspěchem. Například galistan (tekutý kov gallium, indium a cín) je klasifikován jako netoxický. Nicméně, na rozdíl od rtuti, galistan přilne k a je korozivní k jiným kovům - jako je kapilární trubice - i když jsou tyto kovy potaženy. Tento problém se dále zhoršuje při vyšších teplotách. Dynisco zkoumalo galistan, ale nenabízí jej jako alternativní výplň.

Objem rtuti v 6” pevné jednotce je přibližně 0,0016 kubických palců. Pro flexibilní konfigurace je další objem přibližně 0,00095 kubických palců na stopu (tj. celkový objem 6/18 je přibližně 0,003 kubických palců). Rtuť představuje nejlepší technickou alternativu pro přesné, opakovatelné, vysokoteplotní a širokorozsahové aplikace měření tlaku. Dynisco také podporuje program recyklace, kdy se rtuť z vrácených snímačů recykluje.