U složenim mjerenjima tekućina u naftnoj i kemijskoj industriji, točnost i stabilnost instrumentacije tlaka su presudne. Tlakomjeri s dijafragmom od polipropilena (PP) ističu se svojom izvrsnom otpornošću na koroziju, što ih čini idealnim za rukovanje kiselim i alkalnim korozivnim medijima. Međutim, profesionalni korisnici često se usredotočuju na ključni pokazatelj performansi: histereza.
Histereza se odnosi na fenomen u kojem se prikazana vrijednost manometra razlikuje kada se postigne određena zadana vrijednost iz stanja niskog tlaka (tlak u porastu) u odnosu na postizanje iste točke iz stanja visokog tlaka (tlak u opadanju). Ovo odstupanje nije slučajna pogreška već sustavno odstupanje koje proizlazi iz unutarnjih fizičkih karakteristika instrumenta i strukturnih ograničenja. Za visoko preciznu kontrolu u petrokemijskim procesima, razumijevanje i minimiziranje histereze je ključno za osiguranje kvalitete proizvoda i operativne sigurnosti.
I. Mehanička histereza elastičnih elemenata: Intrinzična svojstva materijala
Osnovne komponente a PP manometar s membranom su dijafragma i unutarnji mehanizam za kretanje. Primarni izvor histereze proizlazi iz mehaničkih nesavršenosti ovih elastičnih elemenata.
1. Elastična histereza materijala dijafragme
Iako su PP dijafragme često poboljšane PTFE premazima ili se koriste kao dio kompozitne strukture, kao elastični element, put oporavka od naprezanja nije savršeno identičan kada se stres primijeni i zatim otpusti.
-
Kako tlak raste, dijafragma se deformira.
-
Kako se tlak smanjuje, unutarnje mikrostrukturno trenje i preuređenje molekularnog lanca unutar dijafragme odgađaju njezin potpuni povratak u početno stanje.
-
Ovo rasipanje energije uzrokuje da se naprezanje (ili pomak) tijekom procesa rastućeg tlaka razlikuje od onoga tijekom procesa padanja pri istoj vrijednosti tlaka, što se izravno očituje kao histereza pokazivača.
-
Osobito za polimerni materijal PP, njegova viskoelastična svojstva su izraženija. Pod dugotrajnom ili cikličkom primjenom tlaka, ovaj učinak mehaničke histereze često je značajniji nego kod metalnih dijafragmi.
2. Manje trenje u mehanizmu kretanja
Pomak dijafragme mora se prenijeti na kazaljku preko preciznih mehaničkih komponenti kao što su spojne šipke, sektorski zupčanici i središnji zupčanici. Sićušne sile trenja između ovih pokretnih parova čine drugi glavni izvor histereze.
-
Tijekom procesa uzlaznog pritiska, sila trenja je suprotna smjeru gibanja.
-
Tijekom procesa padajućeg tlaka, smjer sile trenja se mijenja.
-
U trenutku preokreta tlaka, mehanizam mora prevladati statičko trenje prije ponovnog pokretanja, uzrokujući kašnjenje između promjene tlaka i odziva pokazivača.
-
Čak je i trenje na mikronskoj razini dovoljno da izazove vidljivo odstupanje u pokazivanju tlaka.
II. Učinci viskoznosti i kompresibilnosti u sustavu prijenosa fluida
PP mjerači tlaka s dijafragmom obično koriste sustav brtve dijafragme s tekućinom za punjenje za izolaciju korozivnih medija. Fizička svojstva ovog sustava prijenosa fluida značajno pridonose histerezi.
1. Viskoznost tekućine za punjenje
Tekućina za punjenje (kao što je silikonsko ulje ili fluorougljično ulje) posjeduje određeni stupanj viskoznosti. Kada se dijafragma deformira pod pritiskom i istiskuje tekućinu:
-
Tekućina mora teći kroz unutarnje kanale i kapilare.
-
Unutarnje trenje tekućine (viskozno povlačenje) sprječava neposredan prijenos energije.
-
Ovo je osobito važno tijekom brzih promjena tlaka ili kada niske temperature okoline povećavaju viskoznost, usporavajući pokretljivost tekućine i odgađajući prijenos tlaka, čime se pogoršava fenomen histereze.
2. Otapanje plina i zaostali mikromjehurići
Ako proces otplinjavanja nije dovršen tijekom punjenja tekućine, zaostali mikromjehurići ili plinovi otopljeni u tekućini uvode kompresibilnost nakon promjena tlaka.
-
To uzrokuje početni pomak dijafragme da prvo stisne te mjehuriće plina umjesto da odmah prenese pritisak na Bourdonovu cijev ili unutarnji senzor.
-
Proces kompresije i otpuštanja plina je nelinearan i vremenski odgođen, stvarajući učinak "elastični međuspremnik" koji uvodi histerezu mjerenja.
III. Otpuštanje i opuštanje naprezanja u strukturnim komponentama
Dugotrajni rad ili toplinski ciklusi mogu dovesti do popuštanja naprezanja u PP kućištu i sustavu povezivanja, što je još jedan neizravni čimbenik koji pridonosi histerezi.
-
Spoj predopterećenja (npr. vijčani sklop) na rubovima PP kućišta i dijafragme može doživjeti opuštanje puzanja tijekom vremena i s temperaturnim varijacijama.
-
Opuštanje predopterećenja mijenja fiksne granične uvjete dijafragme, što znači da početno stanje i putanja za svaki ciklus pritiska možda neće biti savršeno dosljedni.
-
Kada se pritisak ponavlja, sićušni pokreti i preraspodjela naprezanja na sučelju veze uzrokuju blagi pomak u nultočki elastičnog elementa, što dovodi do odvajanja uzlaznog i silaznog puta pritiska.
