W złożonych pomiarach płynów w przemyśle naftowym i chemicznym dokładność i stabilność przyrządów ciśnieniowych mają kluczowe znaczenie. Manometry membranowe z polipropylenu (PP) wyróżniają się doskonałą odpornością na korozję, dzięki czemu idealnie nadają się do pracy z kwaśnymi i zasadowymi mediami korozyjnymi. Jednak profesjonalni użytkownicy często skupiają się na kluczowym wskaźniku wydajności: histerezie.
Histereza odnosi się do zjawiska, w którym wartość wskazywana przez manometr różni się po osiągnięciu określonej wartości zadanej ze stanu niskiego ciśnienia (ciśnienie rosnące) w porównaniu do osiągnięcia tego samego punktu ze stanu wysokiego ciśnienia (ciśnienie malejące). Ta rozbieżność nie jest błędem przypadkowym, ale systematycznym odchyleniem wynikającym z wewnętrznych właściwości fizycznych przyrządu i ograniczeń konstrukcyjnych. W przypadku precyzyjnej kontroli procesów petrochemicznych zrozumienie i minimalizacja histerezy jest niezbędne dla zapewnienia jakości produktu i bezpieczeństwa operacyjnego.
I. Histereza mechaniczna elementów sprężystych: właściwości wewnętrzne materiału
Podstawowe elementy A Manometr membranowy PP są membrana i mechanizm ruchu wewnętrznego. Głównym źródłem histerezy są mechaniczne niedoskonałości tych elastycznych elementów.
1. Histereza sprężysta materiału membrany
Chociaż membrany PP są często uszlachetniane powłokami PTFE lub stosowane jako część konstrukcji kompozytowej, jako element elastyczny, droga odzyskiwania odkształcenia nie jest idealnie identyczna po przyłożeniu naprężenia, a następnie jego zwolnieniu.
-
Wraz ze wzrostem ciśnienia membrana odkształca się.
-
W miarę spadku ciśnienia wewnętrzne tarcie mikrostrukturalne i przegrupowanie łańcuchów molekularnych w membranie opóźniają jej całkowity powrót do stanu początkowego.
-
To rozproszenie energii powoduje, że odkształcenie (lub przemieszczenie) podczas procesu wzrostu ciśnienia różni się od tego podczas procesu opadania przy tej samej wartości ciśnienia, co objawia się bezpośrednio jako histereza wskaźnika.
-
Zwłaszcza w przypadku materiału polimerowego PP jego właściwości lepkosprężyste są bardziej wyraźne. W przypadku długotrwałego lub cyklicznego stosowania ciśnienia efekt histerezy mechanicznej jest często bardziej znaczący niż w przypadku membran metalowych.
2. Niewielkie tarcie w mechanizmie ruchu
Przemieszczenie membrany musi być przenoszone na wskazówkę za pośrednictwem precyzyjnych elementów mechanicznych, takich jak drążki łączące, przekładnie sektorowe i przekładnie centralne. Drugim głównym źródłem histerezy są drobne siły tarcia pomiędzy tymi ruchomymi parami.
-
Podczas procesu rosnącego ciśnienia siła tarcia przeciwstawia się kierunkowi ruchu.
-
Podczas procesu opadania ciśnienia kierunek siły tarcia ulega odwróceniu.
-
W momencie odwrócenia ciśnienia mechanizm musi pokonać tarcie statyczne, zanim ruch zostanie wznowiony, co powoduje opóźnienie między zmianą ciśnienia a reakcją wskazówki.
-
Nawet tarcie na poziomie mikrona jest wystarczające, aby spowodować zauważalne odchylenie we wskazaniu ciśnienia.
II. Wpływ lepkości i ściśliwości w systemie przenoszenia płynów
Manometry z membraną PP zazwyczaj wykorzystują system uszczelnienia membrany z płynem wypełniającym w celu odizolowania mediów korozyjnych. Właściwości fizyczne tego układu przenoszenia płynu w znaczący sposób przyczyniają się do histerezy.
1. Lepkość płynu wypełniającego
Płyn wypełniający (taki jak olej silikonowy lub olej fluorowęglowy) ma określony stopień lepkości. Kiedy membrana odkształca się pod ciśnieniem i wypiera płyn:
-
Ciecz musi przepływać przez wewnętrzne kanały i kapilary.
-
Tarcie wewnętrzne cieczy (opór lepki) utrudnia bezpośrednie przekazywanie energii.
-
Jest to szczególnie istotne podczas szybkich zmian ciśnienia lub gdy niskie temperatury otoczenia zwiększają lepkość, spowalniając ruchliwość płynu i opóźniając przenoszenie ciśnienia, zaostrzając w ten sposób zjawisko histerezy.
2. Rozpuszczanie gazu i pozostałości mikropęcherzyków
Jeśli proces odgazowania nie zostanie zakończony podczas napełniania płynu, resztkowe mikropęcherzyki lub gazy rozpuszczone w cieczy powodują ściśliwość pod wpływem zmian ciśnienia.
-
Powoduje to, że początkowe przemieszczenie membrany najpierw ściska pęcherzyki gazu, a nie natychmiast przekazuje ciśnienie do rurki Bourdona lub czujnika wewnętrznego.
-
Proces sprężania i uwalniania gazu jest nieliniowy i opóźniony w czasie, tworząc efekt „elastycznego bufora”, który wprowadza histerezę pomiarową.
III. Zwalnianie i relaksacja naprężeń w elementach konstrukcyjnych
Długotrwała praca lub cykle termiczne mogą prowadzić do relaksacji naprężeń w obudowie PP i systemie połączeń, co jest kolejnym pośrednim czynnikiem przyczyniającym się do histerezy.
-
Połączenie napięcia wstępnego (np. połączenie śrubowe) na krawędziach obudowy PP i membrany może z czasem ulegać relaksacji pełzania i zmianom temperatury.
-
Relaksacja napięcia wstępnego zmienia stałe warunki brzegowe membrany, co oznacza, że stan początkowy i ścieżka dla każdego cyklu ciśnienia mogą nie być idealnie spójne.
-
Kiedy nacisk jest powtarzany, drobne ruchy i redystrybucja naprężeń na styku połączenia powodują niewielkie przesunięcie punktu zerowego elementu elastycznego, co prowadzi do oddzielenia rosnącej i opadającej ścieżki ciśnienia.
