Czujniki ciśnienia, czyli podstawa nowoczesnej automatyki przemysłowej

Ciśnienie to druga (zaraz po temperaturze) najczęściej mierzona wielkość fizyczna. W układach automatyki pomiary ciśnienia są często kluczowe pod względem oceny funkcjonalności i bezpieczeństwa całego układu.

Ciśnienie to druga (zaraz po temperaturze) najczęściej mierzona wielkość fizyczna w przemyśle. W układach automatyki pomiary ciśnienia są kluczowe zarówno pod względem oceny funkcjonalności procesów technologicznych, jak i bezpieczeństwa całego układu. Szacuje się, że czujniki ciśnienia stanowią ponad 30% wszystkich sensorów stosowanych w nowoczesnej automatyce przemysłowej – od prostych instalacji pneumatycznych po zaawansowane systemy sterowania procesami chemicznymi.

W tym artykule omawiamy zasady działania poszczególnych typów czujników ciśnienia, ich klasyfikację ze względu na rodzaj pomiaru i technologię wykonania, kluczowe parametry doboru, konkretne zastosowania branżowe oraz najczęstsze błędy popełniane przy wyborze sensorów. Całość uzupełniamy o sekcję FAQ z odpowiedziami na pytania najczęściej zadawane przez inżynierów automatyki i służby utrzymania ruchu.

Czym jest czujnik ciśnienia?

Czujnik ciśnienia (ang. pressure sensor, pressure transducer) to urządzenie pomiarowe, które przekształca wartość ciśnienia oddziałującego na element czuły sensora w proporcjonalny sygnał elektryczny – analogowy (np. 4–20 mA, 0–10 V) lub cyfrowy (np. IO-Link, HART, Modbus). Sygnał ten jest następnie przesyłany do sterownika PLC, systemu SCADA lub innego urządzenia nadrzędnego, które na podstawie odczytów podejmuje decyzje sterujące: otwiera lub zamyka zawory, uruchamia pompy, włącza alarmy czy zatrzymuje linię produkcyjną.

W praktyce przemysłowej terminy „czujnik ciśnienia" i „przetwornik ciśnienia" bywają stosowane zamiennie, choć precyzyjnie rzecz ujmując, przetwornik (transmitter) to czujnik wyposażony w układ elektroniczny normalizujący sygnał wyjściowy do standardu przemysłowego. Czujniki ciśnienia są dziś niezbędnym elementem praktycznie każdego systemu automatyki – od monitorowania ciśnienia oleju w hydraulice siłowej po kontrolę ciśnienia w sterylnych procesach farmaceutycznych.

Czujnik ciśnienia – zasada działania

Czujniki ciśnienia nie mają jednej uniwersalnej zasady działania. Różni się ona w zależności od technologii wykonania elementu czułego – membrany, która pod wpływem ciśnienia ulega odkształceniu mechanicznemu. To odkształcenie jest następnie konwertowane na zmianę wielkości elektrycznej (rezystancji, pojemności, ładunku piezoelektrycznego lub częstotliwości rezonansowej), którą układ elektroniczny przetwarza na sygnał wyjściowy.

Czujniki tensometryczne (metalowe)

Tensometryczne czujniki ciśnienia wykorzystują zmianę rezystancji metalowego przewodnika wskutek modyfikacji jego wymiarów geometrycznych. Kiedy membrana sensora ugina się pod wpływem ciśnienia, naklejony na nią tensometr (cienka folia metalowa ułożona w kształt meandra) ulega rozciągnięciu lub ściskaniu, co zmienia jego opór elektryczny. Tensometry pracują zwykle w konfiguracji mostka Wheatstone'a, co pozwala kompensować wpływ temperatury i wydobyć użyteczny sygnał pomiarowy.

Czujniki tensometryczne metalowe są odporne na wibracje, uderzenia i przeciążenia ciśnieniowe, dzięki czemu sprawdzają się w hydraulice siłowej, maszynach budowlanych i aplikacjach mobilnych. Ich wadą jest stosunkowo niska czułość w porównaniu z sensorami półprzewodnikowymi, co przekłada się na niższą dokładność pomiarową – typowo ±0,5% zakresu pomiarowego (klasa dokładności 0,5).

Czujniki piezorezystancyjne (półprzewodnikowe)

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia wykorzystuje efekt piezorezystancyjny w materiale półprzewodnikowym – najczęściej krzemie monokrystalicznym. Zjawisko to polega na zmianie rezystancji kryształu pod wpływem naprężeń mechanicznych, przy czym zmiana ta jest nawet 50–80 razy większa niż w przypadku tensometrów metalowych. Dzięki temu piezorezystory krzemowe (wykonane metodą dyfuzji lub implantacji jonowej na membranie krzemowej) oferują znacznie wyższą czułość.

Większość współczesnych czujników ciśnienia przemysłowych bazuje właśnie na technologii piezorezystancyjnej z membranami krzemowymi lub – w wersji odpornej na media agresywne – z membranami ze stali nierdzewnej (np. AISI 316L), które przenoszą ciśnienie na element krzemowy przez ciecz pośrednią (zwykle olej silikonowy). Dokładność tych sensorów sięga ±0,1% a nawet ±0,05% zakresu pomiarowego.

Czujniki pojemnościowe (kapacytancyjne)

Pojemnościowe czujniki ciśnienia wykorzystują zmianę pojemności elektrycznej kondensatora pod wpływem ciśnienia. Jedna z elektrod (okładzin) stanowi nieruchomą powierzchnię odniesienia, druga zaś jest elastyczną membraną, która ugina się proporcjonalnie do przyłożonego ciśnienia. Zmiana odległości między okładzinami powoduje mierzalną zmianę pojemności kondensatora.

Czujniki pojemnościowe charakteryzują się bardzo wysoką czułością, szerokim zakresem pomiarowym (od kilku milibarów do setek barów) oraz doskonałą stabilnością długoterminową. Są mniej wrażliwe na zmiany temperatury niż sensory piezorezystancyjne. Znajdują zastosowanie w precyzyjnych pomiarach ciśnienia różnicowego w instalacjach HVAC, pomiarach poziomu w zbiornikach (metoda hydrostatyczna) oraz kontroli procesów w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym.

Czujniki piezoelektryczne

Piezoelektryczne czujniki ciśnienia bazują na zjawisku piezoelektrycznym – generowaniu ładunku elektrycznego przez materiały krystaliczne (kwarc, ceramika PZT) pod wpływem nacisku mechanicznego. W odróżnieniu od sensorów piezorezystancyjnych, czujniki piezoelektryczne mierzą dynamiczne zmiany ciśnienia (pulsacje, udary, eksplozje), a nie wartości statyczne. Wynika to z faktu, że ładunek piezoelektryczny zanika w czasie – sensor reaguje wyłącznie na zmianę ciśnienia, nie na ciśnienie stałe.

Dzięki ekstremalnie szybkiemu czasowi odpowiedzi (rzędu mikrosekund) czujniki piezoelektryczne są niezastąpione w badaniach balistycznych, pomiarach ciśnienia w komorach spalania silników, monitorowaniu procesów wtryskowych w formowaniu tworzyw sztucznych oraz diagnostyce hydrauliki udarowej.

Czujniki rezonansowe (z rezonatorem kwarcowym)

Czujniki rezonansowe wykorzystują zmianę częstotliwości drgań elementu rezonansowego (najczęściej widelców kwarcowych lub cienkich belek krzemowych) pod wpływem naprężeń wywołanych ciśnieniem. Sygnał wyjściowy ma postać częstotliwości, co eliminuje błędy przetworników analogowo-cyfrowych i zapewnia najwyższą możliwą dokładność – rzędu ±0,01% zakresu pomiarowego.

Ze względu na bardzo wysoką cenę, czujniki rezonansowe stosuje się przede wszystkim w metrologii ciśnienia, jako wzorce pomiarowe w laboratoriach kalibracyjnych, a także w precyzyjnych pomiarach meteorologicznych (barometry referencyjne).

Czujniki MEMS

Technologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) umożliwia wytwarzanie miniaturowych membran krzemowych o wymiarach rzędu ułamków milimetra, zintegrowanych z elektroniką pomiarową na jednym chipie. Czujniki MEMS łączą zalety sensorów piezorezystancyjnych (wysoka czułość) z ekstremalną miniaturyzacją i niskim kosztem produkcji masowej.

Sensory MEMS są powszechnie stosowane w elektronice konsumenckiej (barometry w smartfonach, drony, smartwatche), motoryzacji (TPMS – monitoring ciśnienia w oponach, MAP – ciśnienie w kolektorze dolotowym), medycynie (ciśnieniomierze, aparatura do wentylacji mechanicznej) oraz w przemysłowych czujnikach ciśnienia niskich zakresów (do pomiaru ciśnienia powietrza, gazów i lekkich cieczy).

Rodzaje czujników ciśnienia ze względu na typ pomiaru

Niezależnie od technologii wykonania elementu czułego, czujniki ciśnienia klasyfikuje się ze względu na punkt odniesienia pomiaru. Wyróżniamy cztery podstawowe typy:

Czujniki ciśnienia absolutnego

Czujnik ciśnienia absolutnego mierzy ciśnienie względem próżni absolutnej (0 Pa). Jedna strona membrany jest hermetycznie zamknięta w próżni referencyjnej, druga zaś jest wystawiona na mierzone ciśnienie. Dzięki temu wynik pomiaru jest niezależny od zmian ciśnienia atmosferycznego.

Czujniki absolutne stosuje się tam, gdzie wahania ciśnienia atmosferycznego mogłyby zafałszować wynik pomiaru: kontrola procesów w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, pomiary w komorach próżniowych, monitorowanie ciśnienia w autoklawach, systemy kontroli szczelności zbiorników oraz meteorologia (barometry).

Czujniki ciśnienia względnego (manometrycznego)

Czujnik ciśnienia względnego (gauge pressure sensor) mierzy ciśnienie w odniesieniu do aktualnego ciśnienia atmosferycznego. Membrana sensora jest z jednej strony poddana ciśnieniu mierzonemu, a z drugiej – ciśnieniu otoczenia, które dociera przez otwór wyrównawczy lub rurkę kapilarną.

Jest to najczęściej spotykany typ czujnika w aplikacjach przemysłowych: pomiar ciśnienia w instalacjach hydraulicznych i pneumatycznych, monitorowanie ciśnienia w rurociągach, sieci wodociągowej, układach chłodniczych, kotłach parowych, sprężarkach i pompach. Wynik pomiaru wyrażany jest w jednostkach nadciśnienia (bar g, psig, kPa g).

Czujniki ciśnienia różnicowego

Czujnik ciśnienia różnicowego (differential pressure sensor) mierzy różnicę ciśnień między dwoma punktami układu. Posiada dwa porty pomiarowe – ciśnienie po obu stronach membrany jest niezależnie doprowadzane, a sensor reaguje wyłącznie na ich różnicę.

Czujniki różnicowe są niezbędne do: pomiaru przepływu mediów (w zestawieniu z kryzy, rurki Pitota lub rurki Venturiego), monitorowania spadku ciśnienia na filtrach (sygnalizacja zanieczyszczenia filtra), kontroli nadciśnienia w pomieszczeniach czystych (clean rooms), pomiaru poziomu w zbiornikach zamkniętych pod ciśnieniem oraz monitorowania pracy wymienników ciepła.

Czujniki podciśnienia (vacuum)

Czujnik podciśnienia mierzy ciśnienia poniżej ciśnienia atmosferycznego – od lekkiego podciśnienia (np. -1 bar) aż do głębokiej próżni. Niektóre modele łączą pomiar nadciśnienia i podciśnienia w jednym urządzeniu (compound gauge), co jest przydatne w układach, gdzie ciśnienie oscyluje wokół wartości atmosferycznej.

Kluczowe parametry doboru czujnika ciśnienia

Prawidłowy dobór czujnika ciśnienia wymaga analizy wielu parametrów technicznych i warunków pracy. Poniżej omawiamy najważniejsze z nich:

Zakres pomiarowy

Zakres pomiarowy to najważniejszy parametr czujnika ciśnienia. Określa on przedział ciśnień, w którym sensor zapewnia deklarowaną dokładność pomiaru. Zasadą doboru jest, aby maksymalne ciśnienie robocze nie przekraczało 70–80% górnej granicy zakresu pomiarowego – zapewnia to zapas bezpieczeństwa i pracę w optymalnym zakresie dokładności.

Zakres pomiarowy jest ściśle związany z dokładnością: im węższy zakres, tym większa rozdzielczość i precyzja pomiaru. Wynika to ze stosowania sygnałów analogowych – np. przy sygnale 4–20 mA i zakresie 0–10 bar, każdy miliamper odpowiada 0,625 bar, natomiast przy zakresie 0–100 bar – już 6,25 bar. W praktyce oznacza to, że należy unikać stosowania czujników o zbyt szerokim zakresie do pomiaru niskich ciśnień.

Ciśnienie niszczące (burst pressure)

Ciśnienie niszczące to wartość, po przekroczeniu której następuje trwałe uszkodzenie mechaniczne membrany sensora. Wielkość ta jest zwykle 3–5-krotnie wyższa od nominalnego zakresu pomiarowego, ale warto ją zweryfikować zwłaszcza w układach narażonych na skoki ciśnienia (udary hydrauliczne, tzw. water hammer).

Typ ciśnienia

Wybór między czujnikiem absolutnym, względnym, różnicowym lub podciśnieniowym zależy od aplikacji. W większości zastosowań przemysłowych (hydraulika, pneumatyka, rurociągi) wystarczający jest czujnik ciśnienia względnego. Czujnik absolutny będzie potrzebny tam, gdzie wahania ciśnienia atmosferycznego mogą wpływać na wynik (procesy chemiczne, meteorologia). Czujnik różnicowy stosujemy do pomiaru przepływu lub spadku ciśnienia na elementach instalacji.

Medium mierzone i kompatybilność materiałowa

Materiał membrany i przyłącza procesowego musi być kompatybilny z mierzonym medium. Dla wody, powietrza i olejów mineralnych wystarczająca jest zwykle membrana ze stali nierdzewnej AISI 316L. Media agresywne chemicznie (kwasy, zasady, rozpuszczalniki) mogą wymagać membran z Hastelloy, tantalu, tytanu lub ceramiki Al₂O₃. W aplikacjach higienicznych (przemysł spożywczy, farmaceutyczny) konieczne są czujniki z certyfikatem 3-A, EHEDG lub dopuszczeniem do kontaktu z żywnością (FDA).

Dokładność pomiarowa

Dokładność czujnika ciśnienia wyrażana jest zwykle jako procent zakresu pomiarowego (%FS – Full Scale) i obejmuje błędy liniowości, histerezy i powtarzalności. Typowe klasy dokładności to: ±0,5% FS (standard przemysłowy), ±0,25% FS (podwyższona dokładność), ±0,1% FS (czujniki precyzyjne) i ±0,05% lub lepiej (czujniki wzorcowe). Przy wyborze warto zwrócić uwagę na błąd całkowity (TEB – Total Error Band), który uwzględnia dodatkowo wpływ temperatury.

Sygnał wyjściowy i protokoły komunikacyjne

Najpopularniejsze standardy sygnału wyjściowego czujników ciśnienia to:

• 4–20 mA – najpowszechniejszy standard w automatyce przemysłowej, odporny na zakłócenia i spadki napięcia na długich liniach kablowych (do kilkuset metrów).
• 0–10 V – stosowany w aplikacjach z krótkimi odległościami kablowymi (do kilkudziesięciu metrów), popularny w systemach HVAC.
• 0,5–4,5 V (ratiometryczny) – typowy dla czujników motoryzacyjnych i sensorów MEMS.
• IO-Link – cyfrowy interfejs punkt-punkt umożliwiający transmisję danych pomiarowych, diagnostycznych i parametryzację sensora zdalnie z poziomu sterownika PLC.
• HART – protokół hybrydowy, nakładający sygnał cyfrowy na pętlę analogową 4–20 mA, co umożliwia jednoczesną transmisję analogową i cyfrową.

Warunki środowiskowe

Przy doborze czujnika należy uwzględnić: zakres temperatury pracy medium (czujniki standardowe: -25°C do +85°C; wysokotemperaturowe: do +150°C lub nawet +300°C z chłodzeniem), temperaturę otoczenia, odporność na wibracje i uderzenia (wyrażaną w g wg IEC 60068), stopień ochrony obudowy (IP65, IP67, IP69K dla aplikacji z myciem ciśnieniowym) oraz odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMC wg EN 61326).

Przyłącze procesowe i mechaniczne

Czujniki ciśnienia są oferowane z różnymi typami przyłączy procesowych: gwintowe (G1/4, G1/2, M20×1.5, 1/4 NPT, 1/2 NPT), kołnierzowe (DN25, DN50 wg DIN lub ANSI), higieniczne (Tri-Clamp, Varivent, DIN 11851) oraz specjalne (z membraną czołową do mediów lepkich i krystalizujących). Dobór przyłącza musi odpowiadać przyłączom w istniejącej instalacji i rodzajowi mierzonego medium.

Zastosowania czujników ciśnienia w przemyśle

Czujniki ciśnienia znajdują zastosowanie w praktycznie każdej gałęzi przemysłu. Oto kluczowe branże i typowe aplikacje:

Hydraulika siłowa i pneumatyka

Monitorowanie ciśnienia w układach hydraulicznych obrabiarek CNC, pras, wtryskarek, maszyn budowlanych i urządzeń leśnych. Czujniki muszą być odporne na skoki ciśnienia (do 600 bar i więcej), wibracje oraz zanieczyszczenia oleju. W pneumatyce – kontrola ciśnienia sprężonego powietrza w sieciach zakładowych, nadzór nad siłownikami, zaworami i narzędziami pneumatycznymi.

Przemysł chemiczny i petrochemiczny

Kontrola ciśnienia w reaktorach, destylatorach, kolumnach rektyfikacyjnych, rurociągach przesyłowych i zbiornikach magazynowych. Wymagania obejmują odporność na media agresywne chemicznie (kwasy, zasady, rozpuszczalniki), wysokie temperatury oraz certyfikaty do pracy w strefach zagrożonych wybuchem (ATEX, IECEx).

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny

Czujniki ciśnienia w procesach CIP/SIP (mycie i sterylizacja w obiegu zamkniętym), monitorowanie ciśnienia w homogenizatorach, pasteryzatorach, fermentorach, liniach rozlewniczych i reaktorach farmaceutycznych. Konieczne: wykonanie higieniczne (membrana czołowa, przyłącze Tri-Clamp), certyfikaty 3-A, EHEDG, FDA, odporność na media o temperaturze do +150°C.

Instalacje HVAC i klimatyzacja

Pomiar ciśnienia różnicowego na filtrach powietrza (sygnalizacja zanieczyszczenia), monitorowanie ciśnienia w kanałach wentylacyjnych, kontrola ciśnienia czynników chłodniczych w układach klimatyzacji, nadzór nad pracą sprężarek i pomp ciepła. Typowe zakresy: od kilku pascali (ciśnienie w kanałach) do kilkudziesięciu barów (czynniki chłodnicze R410A, R32).

Gospodarka wodno-ściekowa

Pomiar ciśnienia w sieciach wodociągowych, stacjach uzdatniania wody, oczyszczalniach ścieków, pompowniach i hydroforach. Czujniki hydrostatyczne (zanurzeniowe) do pomiaru poziomu wody w studniach, zbiornikach i ciekach wodnych. Wymagana odporność na wilgoć (IP68), korozję i osady.

Motoryzacja i transport

TPMS (monitoring ciśnienia w oponach), MAP (ciśnienie w kolektorze dolotowym silnika), pomiar ciśnienia oleju i płynu hamulcowego, kontrola ciśnienia w układach AdBlue, monitorowanie systemów klimatyzacji samochodowej. W pojazdach elektrycznych – kontrola ciśnienia w układach chłodzenia baterii.

Energetyka i ciepłownictwo

Monitorowanie ciśnienia pary w kotłach i turbinach, kontrola ciśnienia wody zasilającej, nadzór nad instalacjami gazowymi (stacje redukcyjne, sieci przesyłowe), pomiary ciśnienia w elektrowniach wiatrowych (hydraulika skrętu gondoli i pochylenia łopat).

Medycyna

Czujniki ciśnienia w aparatach do wentylacji mechanicznej, respiratorach, dializatorach, ciśnieniomierzach naramiennych i nadgarstkowych, pompach infuzyjnych, komorach hiperbarycznych oraz urządzeniach do monitorowania ciśnienia śródczaszkowego. Wymagana ekstremalnie wysoka niezawodność i certyfikaty wyrobów medycznych (MDR, FDA 510(k)).

Czujnik ciśnienia a przetwornik ciśnienia – różnice

W codziennej praktyce inżynierskiej terminy „czujnik ciśnienia" i „przetwornik ciśnienia" często stosuje się zamiennie, jednak formalnie oznaczają one nieco inne urządzenia:

• Czujnik ciśnienia (sensor) – element czuły, który reaguje na ciśnienie i generuje surowy sygnał elektryczny (np. zmianę rezystancji mostka Wheatstone'a). Wymaga zewnętrznego układu kondycjonowania sygnału.
• Przetwornik ciśnienia (transmitter) – kompletne urządzenie pomiarowe zawierające element czuły, układ kondycjonowania sygnału, kompensację temperaturową i elektronikę wyjściową generującą znormalizowany sygnał (np. 4–20 mA, 0–10 V, IO-Link). Przetwornik jest gotowy do podłączenia bezpośrednio do sterownika PLC lub systemu SCADA.
• Pressostat (przełącznik ciśnieniowy) – urządzenie z wyjściem dwustanowym (ON/OFF), które przełącza styk elektryczny po przekroczeniu ustawionego progu ciśnienia. Nie mierzy wartości ciśnienia w sposób ciągły, lecz sygnalizuje przekroczenie zadanego punktu przełączania.

Współczesne czujniki ciśnienia przemysłowe (takie jak oferowane przez Newtech Engineering) są w praktyce przetwornikami – łączą element czuły z elektroniką w jednej kompaktowej obudowie, co upraszcza instalację i eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych wzmacniaczy pomiarowych.

Jednostki pomiaru ciśnienia – przelicznik

Ciśnienie jest wyrażane w wielu jednostkach, co bywa źródłem pomyłek przy doborze czujnika. Poniżej zestawienie najczęściej używanych jednostek i ich wzajemnych relacji:

• 1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa = 14,504 psi = 750,06 mmHg = 10,197 m H₂O
• 1 atm (atmosfera fizyczna) = 1,01325 bar = 101 325 Pa = 760 mmHg
• 1 psi (funt na cal kwadratowy) = 0,06895 bar = 6 895 Pa
• 1 MPa = 10 bar = 145,04 psi
• 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa – stosowany w meteorologii i pomiarach niskich ciśnień

W automatyce przemysłowej w Europie dominuje bar i MPa, w krajach anglosaskich – psi. W technice próżniowej używa się mbar, Torr (1 Torr = 1 mmHg) i Pa. Przy zamawianiu czujnika warto upewnić się, że jednostka na wyświetlaczu i w protokole komunikacyjnym odpowiada standardowi obowiązującemu w zakładzie.

Najczęstsze błędy przy doborze czujnika ciśnienia

Na podstawie wieloletniego doświadczenia inżynierów Newtech Engineering, oto najczęstsze błędy popełniane przy wyborze czujników ciśnienia:

• Przewymiarowanie zakresu – dobór czujnika 0–100 bar do pomiaru ciśnienia roboczego 5 bar. Skutek: bardzo niska rozdzielczość i dokładność, sensor pracuje na dole skali, gdzie błędy są największe.
• Brak zapasu na skoki ciśnienia – dobór czujnika 0–10 bar do układu, w którym ciśnienie nominalne wynosi 10 bar. Przy udarach hydraulicznych ciśnienie chwilowe może kilkukrotnie przekroczyć wartość nominalną i uszkodzić sensor.
• Niekompatybilność materiałowa – membrana ze stali 316L w kontakcie ze stężonym kwasem solnym lub chlorkami. Efekt: korozja wżerowa, perforacja membrany, wyciek medium.
• Ignorowanie temperatury medium – standardowe czujniki mają ograniczenie do +85°C lub +125°C. Podłączenie do linii parowej o temperaturze 180°C bez syfonów chłodzących skutkuje zniszczeniem elektroniki i uszczelnienia.
• Niewłaściwy typ pomiaru – zastosowanie czujnika względnego zamiast absolutnego w instalacji, gdzie wahania ciśnienia atmosferycznego (10–15 mbar w ciągu doby) wpływają istotnie na dokładność procesu.
• Pomijanie warunków EMC – instalacja czujnika w pobliżu napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) bez ekranowania kabla sygnałowego. Skutek: zakłócenia i niestabilne odczyty.

Jak prawidłowo zamontować czujnik ciśnienia?

Prawidłowy montaż czujnika ciśnienia ma kluczowy wpływ na dokładność i żywotność sensora. Podstawowe zasady:

• Orientacja – dla cieczy montować czujnik poniżej punktu pomiaru lub na tym samym poziomie, aby uniknąć pęcherzy powietrza w przyłączu. Dla gazów – powyżej punktu pomiaru, aby zapobiec gromadzeniu się kondensatu.
• Syfony i tłumiki pulsacji – w układach parowych stosować syfon wodny chłodzący medium do temperatury bezpiecznej dla czujnika. W układach z pulsacjami ciśnienia (pompy tłokowe, sprężarki) stosować tłumiki pulsacji (snubber) lub zawory iglicowe.
• Przewody impulsowe – powinny mieć spadek w kierunku odprowadzenia kondensatu (dla gazów) lub odpowietrzenia (dla cieczy). Unikać długich i wąskich przewodów impulsowych, które tłumią szybkie zmiany ciśnienia.
• Ochrona przed zamarzaniem – w instalacjach narażonych na niskie temperatury stosować grzałki kablowe na przewodach impulsowych lub napełniać je cieczą niezamarzającą (glikol).
• Dokręcanie przyłącza – stosować klucz dynamometryczny z momentem zalecanym przez producenta. Nadmierne dokręcanie może zdeformować gwint lub membranę.

Kalibracja i konserwacja czujników ciśnienia

Czujniki ciśnienia wymagają okresowej kalibracji w celu utrzymania deklarowanej dokładności pomiarowej. Częstotliwość kalibracji zależy od warunków pracy i wymagań systemów zarządzania jakością (ISO 9001, IATF 16949) lub norm branżowych – typowo co 6 lub 12 miesięcy. Kalibracja polega na porównaniu wskazań czujnika z wartościami wzorcowymi generowanymi przez kalibrator ciśnienia (np. ciężarkowy lub cyfrowy), i ewentualnej korekcji parametrów sensora.

Podstawowe czynności konserwacyjne obejmują: kontrolę wizualną stanu obudowy i przyłączy, sprawdzenie szczelności (brak wycieków medium), czyszczenie membrany (zwłaszcza w aplikacjach z mediami krystalizującymi lub osadzającymi), weryfikację przewodów impulsowych (brak zatorów) oraz sprawdzenie poprawności sygnału wyjściowego (test zerowania i pełnej skali).

Jaki czujnik ciśnienia wybrać? Podsumowanie kryteriów doboru

Parametry, jakie warto wziąć pod uwagę przy doborze czujnika ciśnienia:

• zakres pomiarowy (optymalnie: ciśnienie robocze = 60–80% zakresu sensora),
• typ pomiaru (absolutny, względny, różnicowy, podciśnieniowy),
• dokładność pomiarowa (klasa 0,5 / 0,25 / 0,1 / 0,05),
• medium mierzone i kompatybilność materiałowa membrany i przyłącza,
• sygnał wyjściowy (4–20 mA, 0–10 V, IO-Link, HART),
• temperatura medium i otoczenia,
• przyłącze procesowe (typ gwintu, kołnierz, Tri-Clamp),
• stopień ochrony obudowy (IP65, IP67, IP69K),
• certyfikaty (ATEX, SIL, 3-A, EHEDG, FDA),
• ciśnienie niszczące i odporność na przeciążenia,
• odporność na wibracje i zakłócenia EMC.

Czujniki ciśnienia stanowią podstawę automatyki przemysłowej. Dobór konkretnego modelu powinien być uzależniony nie tylko od zakresu pomiarowego, ale również od specyfiki mierzonego medium, warunków środowiskowych, wymagań dokładnościowych i standardów branżowych obowiązujących w danym sektorze. W razie wątpliwości, inżynierowie Newtech Engineering służą pomocą w doborze optymalnego czujnika do konkretnej aplikacji – sprawdź naszą pełną ofertę czujników ciśnienia.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czym jest czujnik ciśnienia i do czego służy?

Czujnik ciśnienia to urządzenie pomiarowe, które przekształca wartość ciśnienia gazu lub cieczy w proporcjonalny sygnał elektryczny (najczęściej 4–20 mA lub 0–10 V). Służy do ciągłego monitorowania ciśnienia w instalacjach przemysłowych – hydraulicznych, pneumatycznych, procesowych – i przesyłania danych do sterownika PLC lub systemu SCADA, który na ich podstawie steruje pracą maszyn, zaworów i pomp. Bez czujników ciśnienia niemożliwe byłoby bezpieczne prowadzenie większości procesów produkcyjnych.

Jakie są główne rodzaje czujników ciśnienia?

Ze względu na typ pomiaru wyróżniamy cztery rodzaje: czujniki ciśnienia absolutnego (pomiar względem próżni), czujniki ciśnienia względnego/manometrycznego (pomiar względem ciśnienia atmosferycznego – najczęstszy typ), czujniki ciśnienia różnicowego (pomiar różnicy ciśnień między dwoma punktami) oraz czujniki podciśnienia. Ze względu na technologię wykonania rozróżniamy: piezorezystancyjne (krzemowe), tensometryczne (metalowe), pojemnościowe (kapacytancyjne), piezoelektryczne i rezonansowe.

Jak działa czujnik ciśnienia?

Większość współczesnych czujników ciśnienia przemysłowych działa na zasadzie piezorezystancyjnej: ciśnienie medium oddziałuje na elastyczną membranę (krzemową lub stalową), powodując jej odkształcenie. Odkształcenie to zmienia rezystancję piezorezystorów zintegrowanych z membraną (połączonych w mostek Wheatstone'a), co generuje napięciowy sygnał elektryczny proporcjonalny do ciśnienia. Wbudowana elektronika przetwarza ten sygnał na znormalizowane wyjście (np. 4–20 mA) i kompensuje wpływ temperatury.

Jaka jest różnica między czujnikiem a przetwornikiem ciśnienia?

Czujnik (sensor) to sam element czuły reagujący na ciśnienie – generuje surowy sygnał wymagający zewnętrznej obróbki. Przetwornik (transmitter) to kompletne urządzenie pomiarowe z elementem czułym, elektroniką kondycjonującą, kompensacją temperaturową i znormalizowanym sygnałem wyjściowym – gotowe do podłączenia do sterownika PLC. W praktyce przemysłowej niemal wszystkie produkty dostępne na rynku (w tym czujniki ciśnienia ifm i ACS w ofercie Newtech) są de facto przetwornikami, choć potocznie nazywa się je czujnikami.

Jak dobrać zakres pomiarowy czujnika ciśnienia?

Ciśnienie robocze w instalacji powinno stanowić 60–80% nominalnego zakresu pomiarowego czujnika. Przykład: jeśli ciśnienie robocze wynosi 6 bar, odpowiedni będzie czujnik o zakresie 0–10 bar. Taka zasada zapewnia optymalną dokładność (sensor pracuje w środkowej części skali) oraz zapas na ewentualne skoki ciśnienia. Dobór zbyt szerokiego zakresu (np. 0–100 bar dla 6 bar roboczego) drastycznie obniża rozdzielczość i dokładność pomiaru.

Jakie sygnały wyjściowe oferują czujniki ciśnienia?

Najczęściej spotykane standardy to: 4–20 mA (dominujący w automatyce przemysłowej, odporny na zakłócenia, do linii kablowych o długości setek metrów), 0–10 V (krótsze odległości, HVAC), 0,5–4,5 V ratiometryczny (motoryzacja, MEMS) oraz interfejsy cyfrowe: IO-Link (umożliwiający zdalną parametryzację i diagnostykę), HART (hybrydowy – analogowy + cyfrowy na jednym kablu) oraz Profibus/Modbus (sieci przemysłowe).

Jakie czujniki ciśnienia nadają się do przemysłu spożywczego?

Czujniki do przemysłu spożywczego i farmaceutycznego muszą spełniać rygorystyczne wymagania higieniczne: membrana czołowa (flush) z powierzchnią Ra ≤ 0,8 μm (wykończenie elektropolerowane), przyłącze procesowe Tri-Clamp, Varivent lub DIN 11851, materiał membrana ze stali 316L, odporność na procesy mycia CIP (do 95°C) i sterylizacji SIP (do 135°C) oraz certyfikaty: 3-A Sanitary Standards, EHEDG, dopuszczenie FDA do kontaktu z żywnością.

Czy czujnik ciśnienia wymaga kalibracji?

Tak. Każdy czujnik ciśnienia powinien być okresowo kalibrowany, aby utrzymać deklarowaną dokładność. Typowy interwał to 6 lub 12 miesięcy, zależnie od warunków pracy i wymagań systemu zarządzania jakością (ISO 9001). Kalibracja polega na porównaniu wskazań sensora z ciśnieniem wzorcowym generowanym przez kalibrator. Nowoczesne czujniki z interfejsem IO-Link lub HART umożliwiają kalibrację i regulację zdalnie, bez demontażu z instalacji.

Co to jest MEMS w kontekście czujników ciśnienia?

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) to technologia wytwarzania miniaturowych struktur mechanicznych (membran, belek, dźwigni) zintegrowanych z elektroniką na jednym chipie krzemowym. W czujnikach ciśnienia MEMS umożliwia produkcję ekstremalnie małych, tanich i precyzyjnych sensorów – stosowanych masowo w smartfonach (barometry), samochodach (TPMS, MAP), dronach, zegarach sportowych oraz przemysłowych czujnikach ciśnienia niskonapięciowych.

Jakie certyfikaty powinien mieć czujnik ciśnienia do stref zagrożonych wybuchem?

Czujnik przeznaczony do pracy w strefach zagrożonych wybuchem (Ex) musi posiadać certyfikat ATEX (dyrektywa 2014/34/UE) lub IECEx, z określeniem kategorii (1, 2 lub 3), grupy gazowej (IIA, IIB, IIC) i klasy temperaturowej (T1–T6). Najczęściej stosowane rodzaje zabezpieczeń w czujnikach ciśnienia to: iskrobezpieczeństwo (Ex ia / Ex ib) – ograniczenie energii obwodu poniżej poziomu zapalnego, oraz ognioszczelność (Ex d) – zamknięcie elektroniki w obudowie odpornej na eksplozję wewnętrzną.

Ile kosztuje czujnik ciśnienia przemysłowy?

Cena czujnika ciśnienia przemysłowego zależy od zakresu pomiarowego, dokładności, materiału membrany, sygnału wyjściowego i certyfikatów. Orientacyjne przedziały cenowe: czujniki podstawowe (stal 316L, 4–20 mA, ±0,5% FS) – od 400 do 800 zł netto; czujniki precyzyjne (±0,1% FS, IO-Link) – od 800 do 2 000 zł netto; czujniki do stref Ex lub higieniczne (3-A, Tri-Clamp) – od 2 000 do 5 000 zł netto; czujniki różnicowe precyzyjne – od 2 500 do 8 000 zł netto. Dokładną wycenę dla konkretnej aplikacji zapewnią doradcy Newtech Engineering.

Czym różni się czujnik ciśnienia absolutnego od względnego?

Czujnik ciśnienia absolutnego mierzy wartość ciśnienia w odniesieniu do próżni absolutnej (0 Pa) – wskazanie jest niezależne od zmian ciśnienia atmosferycznego. Czujnik ciśnienia względnego (manometrycznego) mierzy różnicę między ciśnieniem medium a aktualnym ciśnieniem atmosferycznym. W praktyce: jeśli ciśnienie atmosferyczne wynosi 1013 mbar, a czujnik absolutny wskazuje 2013 mbar, to czujnik względny w tym samym punkcie pokaże 1000 mbar (= 1 bar nadciśnienia). Czujniki absolutne stosuje się w procesach chemicznych i meteorologii; względne – w hydraulice, pneumatyce i większości instalacji przemysłowych.

 

Sprawdź szerowi wybór czujników ciśnienia dostępnych w ofercie NewTech: