Tlakové snímače

Tlakové snímače plnění rtuťí

Dynisco

03.01.2018

Tlakový snímač je elektronické zařízení, které převádí jednu formu energie na jinou. V našem případě je vyvíjený tlak tvořen provozní tekutínou 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" které transportuje tlak za pomocí kapaliny na horní snímací membránu, která má je vybavena tenzometrickým snímačem. Náplň snímače může mít výhody i nevýhody, je avšak vzít v potaz charakteristiku dané aplikace a zvolit pro ni vhodnou náplň. Při výběru plníciho media je třeba vzít v úvahu tři aspekty:

• Zda stlačitelnost plníciho 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 Rtuťi 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 rtuťi představuje její toxická klasifikace. Vzhledem k její toxicitě přistoupilo USA v devadesátych letech k regulaci a ochraně životního prostředí včetně emisních limitů. Následná nařízení v USA a dalších zemích vytvořily programy pro kontrolu rtuti ve všech aplikacích v co největší míře. I když jsou v dneší době k dispozici i alternativní výplňové materiály pro systémy snímání tlaku, žádný z nich nemůže dostatečně nahradit rtuť v oblasti snímní tlaku polymerní taveniny.

Mezi alternativní náplně patří:

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 rtuťi, což omezuje rozsah tlaků na 10 000 psi a také omezuje rozměry snímače, ve kterém lze umístit snímač tenzometrického měření. 

Oil is also classified as non-toxic and Generally Regarded As Safe (GRAS) by the USFDA. However, as an organic compound, oil degrades at higher temperatures, resulting in limited life cycles and temperature limits. Dynisco offers oil as an alternative fill for food and medical applications. 
Other fill materials have been used, with limited success. For example, galistan (liquid metal gallium, indium, and tin) classified as non-toxic. However, unlike mercury, galistan adheres to and is corrosive to other metals - such as the capillary tube - even when those metals are coated. The problem is further compounded at higher temperatures. Dynisco investigated galistan but does not offer it as an alternate fill.

The volume of Hg in a 6” Rigid unit is ~ .0016 cubic inches.  For Flex configurations, the additional volume  is .00095 cubic inches/ft  (i.e. the total volume of a 6/18 is ~.003 cubic inches).  Mercury represents the best technical alternative for accurate, repeatable, high temperature, and wide range pressure sensing applications. Dynisco also supports a reclamation program, recycling mercury from returned sensors.