Сравнение датчиков давления Метран и ЭМИС-БАР

«При всем богатстве выбора альтернатива есть!»

Рынок датчиков давления был и остается одним из наиболее насыщенных различными производителями, в том числе российскими, сегментов рынка средств автоматизации, что отчасти является следствием высокой стандартизацию применения датчиков давления, как средства измерения. В связи с чем, практически не существует технических препятствий по взаимозаменяемости датчика давления одного производителя на датчик давления другого, или такие препятствия настолько минимальны, что ими можно пренебречь. По умолчанию существенное значение имеют два главных момента: физическое присоединение к процессу и питание/интерфейс передачи данных.

Техническое присоединение к процессу может быть трех типов:

1. Резьбовой тип в случае, если это датчик для измерения избыточного, абсолютного давления штуцерного типа.

Рисунок 1. Штуцерные модели датчиков давления "ЭМИС-БАР" и "Метран-150R"

2. Фланцевое присоединение для датчика измерения разности давления. В данном случае стандартом является межцентровое расстояние 54 мм для камер «высокого» и «низкого» давления.

Рисунок 2. . Фланцевые модели датчиков дифференциального давления "ЭМИС-БАР" и "Метран-150"

3.Резьбовое присоединение для датчиков разности давления может быть М10 или 7/16UNF, что не имеет критической разницы, так как оба типа крепежа широко применяются и не являются узкоспециализированными.;

Питание/интерфейс передачи данных, как уже говорилось выше, является вторым важным параметром в вопросе взаимозаменяемости датчика давления. Датчик давления передает измеренный сигнал посредством унифицированного токового сигнала 4-20 мА в более чем 90% случаев применений. Цифровой протокол HART используется для настройки и в редких случаях для диагностики состояния датчика давления, так как для этого дополнительно требуется программное обеспечение, которое в режиме реального времени отслеживает состояние тестируемого оборудования. Еще более редкими протоколами передачи данных для датчиков давления являются ModBus, Foundation Fieldbus и Profibus. В данном сравнении рассматривается наиболее распространенный вариант с выходным интерфейсом в формате цифрового протокола HART, так как все остальные варианты являются наименее распространенными, которые применяются в силу определенных причин или в отдельных проектах.

Казалось бы, все основное сказано, и этого вполне достаточно для реализации взаимозаменяемости датчиков на объекте. На самом деле существует целый ряд параметров, который оказывает прямое или косвенное влияние на возможность применения того или иного датчика для решения отдельно взятой задачи. При этом наиболее интересным кажется сопоставление таких параметров, а сравнение в этом случае проводить еще интереснее с наиболее распространенным и, можно сказать, популярным датчиком давления, так как с ним знакомы или, как минимум, наслышаны о нем, максимальное количество пользователей. И при этом сравнение целесообразно проводить в сопоставлении исполнения датчиков с взрывозащитой.

В силу указанных выше причин, такое сопоставление необходимо проводить на базе датчиков «Метран-150» (номер в госреестре 32854-13) от крупнейшего в мире производителя данного вида приборов, американской компании EMERSON ELECTRIC CO (EMR) бизнес-платформа Automation Solutions. И для сравнения предлагается относительно новый (описание типа средства измерения получено в конце 2018г., номер в госреестре 72888-18) продукт на рынке, датчик давления «ЭМИС-БАР», от ЗАО «ЭМИС», г. Челябинск, российского разработчика и производителя КИП и А.

Основные параметры сравнения, которые существенно влияют на условия применения, перечислены ниже. Здесь и далее утверждения и выводы основываются на официально опубликованной информации об упомянутом выше оборудовании:

1. Руководство по эксплуатации Метран-150R;
2. Описание типа на датчик давления Метран-150R, номер в госреестре 32854-13;
3. Руководство по эксплуатации ЭМИС БАР;
4. Описание типа на датчик давления ЭМИС БАР, номер в госреестре 72888-18.

Температура окружающей среды. Температура окружающей среды у сопоставляемых образцов идентична: от -60°С до +85°С, - для обоих датчиков давления, на первый взгляд. Но есть нюансы, которые могут иметь значение для конкретных условий эксплуатации:

          a. Температура работоспособности установленного ЖК-дисплея немного, но различается: от минус 40°С до плюс 80°С - для «Метран-150», и от минус 42°С до плюс 80°С - для датчика давления «ЭМИС-БАР», что подтверждается описанием типа, Таблица 6 «Основные технические характеристики».

           b. Датчики давления «Метран-150»  устойчивы к воздействию температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне от минус 40°С до плюс 80°С; для опции «LT» от минус 55°С до плюс 80°С; для опции «BR6» от минус 60°С до плюс 80°С. Для датчика «ЭМИС-БАР» нет опциональных ограничений, любой датчик устойчив к температурам от минус 60°С до плюс 80°С.

           c. Из предыдущего подпункта вытекает условие применения по взрывозащищенным исполнениям датчиков давления. Для соответствия категории взрывозащиты для температуры ниже минус 40°С для «Метран-150» необходимо наличие опции «LT» или «BR6» - для температур до минус 55°С или 60°С, соответственно. В случае с «ЭМИС-БАР» все взрывозащищенные исполнения едины по климатическому исполнению.

 Основная приведенная погрешность. Первый и наиболее популярный параметр для оценки технического уровня датчика давления, который принимается во внимание при выборе. В случае с «Метран-150» мы рассматриваем версию с индексом R, как наиболее точную. Ряд погрешностей состоит из базовой 0,065% и опциональных 0,2%(опция «PA») и 0,5% (опция «PC»). Датчик давления «ЭМИС-БАР» выпускается с погрешностями ±0,04; ±0,065; ±0,1; ±0,15; ±0,16; ±0,2; ±0,25; ±0,4; ±0,5; ±0,6; ±1,0; ±1,5; ±2,0; ±2,5 %, что дает широкий выбор при подборе решения для использования датчика в узлах коммерческого учета и использовании датчика в «технологии», где не требуется высокая точность, а метрологическая база заказчика не рассчитана на поверку или калибровку высокоточных средств измерения.

 Дополнительная температурная погрешность. Далее, продолжая тему климатических требований к датчикам давления, необходимо рассмотреть дополнительную температурную погрешность, которая в отдельных случаях может превышать основную приведенную погрешность.

Так, дополнительная температурная погрешность датчиков «Метран-150CDR2-5», например, с погрешностью 0,065%, опираясь на информацию в РЭ производителя, рассчитывается, как выражение (±0,089+0.018 Pmax/Pв) для температуры от минус 40°С до 80°С и (±0,27+0.054 Pmax/Pв) для температуры от минус 60°С до минус 40°С, что позволяет вычислить ее (дополнительной температурной погрешности) значение при определенном коэффициенте перенастройки диапазона Pmax/Pв датчика давления на каждые 10°С разницы температуры при нормальных условиях измерений от 21°С до 25°С, в соответствии с описанием типа СИ для «Метран-150».

Для примера при Pmax/Pв=10 и температуры минус 55°С:

        d. При температуре окружающей среды минус 40°С получаем выражение:

γ_t= (±0,089+0.018 Pmax/Pв)=±0,269%, - на каждые 10°С;

а для температуры в минус 40°С получаем:

γ_t-40= γ_t·| (-40°C-21°C)|/10°C=1,694%.

        e. При температуре окружающей среды от минус 60°С до минус 40°С получаем выражение:

γ_t= (±0,27+0.054 Pmax/Pв)=±0,81%, - на каждые 10°С.

А для температуры в минус 55°С получаем

γ_t-55= γ_t·| (-55°C-(-40°C))|/10°C=1,215%.

        f.  Рассчитаем дополнительную температурную погрешность измерений датчика при температуре минус 55 ºС, вызванную изменением температуры окружающей среды от 23 ºС. 

Дополнительная температурная погрешность измерений равна:

γ_Ʃt-55=± (γ_t-40+ γ_t-55) = ± (1,694 +1,215) %=±2,909

        g. Оба варианта расчета 1,694% на каждые 10°С и 1,215% на каждые 10°С укладываются в диапазон от 0,05% до 6,05% на каждые 10°С в соответствии с описанием  типа датчика давления «Метран-150».

Для преобразователя давления «ЭМИС –БАР 143», аналогичного «МЕТРАН-150CDR2-5», действует формула (±0,02+0.023 Pmax/Pв) на каждые 10°С разницы с температурой нормальных условий измерений (от 15°С до 25°С). Формула единая для всего диапазона.

Для примера при Pmax/Pв=10 и температуры минус 55°С:

Рассчитаем дополнительную температурную погрешность измерений датчика, вызванную изменением температуры окружающей среды от 15 ºС до минус 55 ºС.

γ_t= (±0,02+0.023 Pmax/Pв)=±0,25%, - на каждые 10°С.

А для температуры в минус 55°С получаем:

γ_t-55= γ_t·| (-55°C-15°C)|/10°C=1,75%, - что также подтверждается описанием типа СИ на датчик давления торговой марки «ЭМИС».

Межповерочный интервал. Интервал между поверками датчика давления оказывает существенное влияние на стоимость эксплуатации и владения. Чем больше период между поверками, тем стабильнее работает датчик давления, меньше усилий необходимо затрачивать пользователю на соблюдение законодательных норм и подтверждение заявленных производителем характеристик. Для обоих датчиков «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» межповерочный интервал (МПИ) составляет 5 лет.

Гарантийный период. Гарантийный период для обоих датчиков давления является стандартным в виде 36 месяцев с момента ввода в эксплуатацию, и не более 12 месяцев гарантийный срок хранения с момента выпуска. Опционально и на «Метран-150R»,  на «ЭМИС-БАР» предоставляется гарантийный срок эксплуатации 60 месяцев.

Ресурс датчика давления. Дополнительная сравниваемая характеристика сопоставляемых образцов - ресурс датчика, подтверждаемый руководством по эксплуатации на оборудование  и описанием типа средства измерения.  В соответствии с руководством по эксплуатации, ресурс датчика давления, описывается  тремя параметрами:

• средний срок службы (лет);
• средняя наработка на отказ (часов);
• назначенный срок службы (лет).

При этом средний срок службы зависит от коррозионных свойств рабочей среды, прочих условий эксплуатации и применяемых материалов конструктивных элементов.

Так, средняя наработка на отказ (англ. «mean time between failures» (MTBF)) — технический параметр, характеризующий надёжность устанавливаемого прибора, устройства или технической системы. Назначенный срок службы датчиков давления, применяемых на опасных производственных объектах, нормируется при условии, что материалы датчика являются коррозионностойкими к контактирующим средам.

Рисунок 3. Выдержка из описания типа "ЭМИС-БАР" и "МЕТРАН-150" в части средней наработки на отказ в часах

Также следует подвергнуть сравнению на ряд технических параметров, которые не всегда интересуют заказчика по объективным причинам, но имеют значение при формировании требований к проекту автоматизации.

Сейсмостойкость. Датчики давления «Метран-150» с кодом «SM» сейсмостойки при воздействии землетрясений интенсивностью 9 баллов по шкале MSK-64 при установке над нулевой отметкой до 70 м по ГОСТ 30546.1. Датчики «ЭМИС-БАР» сейсмостойки при воздействии землетрясений интенсивностью 9 баллов по шкале MSK-64 без ограничений по опциям.

Индикация. В части удобства отображения информации для датчиков давления «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» жидкокристаллический дисплей может быть установлен под разными углами с шагом в 90º для удобства считывания показаний. Также сам корпус преобразователя «Метран-150» может быть повернут относительно сенсорного модуля от установленного положения, на угол не более 180° в любом направлении. Для «ЭМИС-БАР» конструкция позволяет поворачивать корпус электронного блока относительно приемника давления на угол 270° вокруг общей вертикальной оси, при этом ограничения угла поворота предельными значениями обеспечиваются конструкцией узла поворота.

Быстродействие. Время отклика датчиков давления «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» не превышает 100 мс для большинства исполнений. Для некоторых диапазонов, типов присоединения, время отклика можем превышать 100 мс из-за конструктивных особенностей капилляров, разделителей сред и физических свойств жидкости для заполнения внутреннего объема датчика давления для обоих датчиков давления «Метран-150» и «ЭМИС-БАР».

Время включения сравниваемых образцов датчиков «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» при минимальном электронном демпфировании не более 2 секунд для обоих датчиков

Демпфирование. Датчики «ЭМИС-БАР» и «Метран-150» имеют электронное демпфирование выходного сигнала, которое характеризуется временем усреднения результатов измерений. Значение времени усреднения может быть любое (целое или дробное число) в различных пределах и устанавливается потребителем при настройке датчика:

IP66/68. Степень защиты датчиков давления «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» от воздействия пыли и влаги соответствует группе IP 66, IP 68 по ГОСТ 14254.

Двухсекционный корпус. Корпус электронного преобразователя датчиков «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» традиционно является двухсекционным: внутреннее пространство корпуса датчика разделено на два герметичных отсека, - в результате чего электронные компоненты не подвергаются воздействию окружающей среды при монтажных работах или негерметичной затяжке кабельного ввода при монтаже.

Рисунок 4 . Двухсекционный корпус в разрезе для датчиков «ЭМИС-БАР» и «МЕТРАН-150»

Виброустойчивость. По устойчивости к механическим воздействиям датчики
давления «Метран-150» соответствуют виброустойчивому исполнению V2 по ГОСТ Р
52931-2008: устойчивы к вибрациям частотой от 10 до 150 Гц и с ускорением, не
превышающим 19,6 м/с2, амплитуда смещения 0,150 мм. При этом датчики давления
«ЭМИС-БАР» устойчивы к вибрациям частотой от 10 до 2000 Гц и с ускорением, не
превышающим 98 м/с2, амплитуда смещения 0,750 мм, и относятся к группе G2 по ГОСТ
Р 52931-2008.

Диапазоны измерения. Для измерения давления в определенном диапазоне необходима соответствующая ячейка сенсора, которая рассчитана на работу в данном диапазоне. Обычно ячейки измерительные имеют диапазоны измерения, представляющие некий ряд значений давления. Например, 0,63 кПа, 6,3кПа, 63 кПа, 250 кПа, 1600 кПа, 10000 кПа. Каждый из верхних пределов измерения данных диапазонов больше предыдущего не более чем в 10 раз.

Для практических задач важно понимать, какой диапазон в целом перекрывает датчик давления. Например, датчик избыточного давления имеет ячейку на высокое давление с верхним пределом 70 МПа и на низкое давление верхним пределом 160 кПа. Это определяет его применимость для тех или иных условий. Для наглядности приведем таблицу максимальной и минимальной ячейками для каждого типа датчика давления:

Как видим, у одного датчика есть преимущество в измерении низкопредельного давления на одних типах датчика и присоединениях, а у другого датчика есть преимущество измерении высокого давления, что в каждом конкретном случае дает возможность выбрать оптимальное решение. Середину диапазона с промежуточными ячейками не рассматриваем в виду их полной взаимозаменяемости. Нюансы возникают в крайних точках измерения – низкое давление и высокое давление.

Перенастройка диапазона измерения. Для сокращения номенклатуры применяемых датчиков давления на предприятиях используют возможность перенастройки датчика давления с одним максимальным верхним пределом измерения на несколько диапазонов измерения в пределах допускаемой перенастройки диапазона.

Обычно максимальный предел перенастройки датчика давления от 1 до 100 раз. То есть датчик перепада с максимальным верхним пределом измерения 400 кПа может быть перенастроен на диапазон измерения 4 кПа. В данном случае давление 0 кПа будет преобразовано в выходной сигнал 4 мА, а давление 4 кПа в выходной сигнал 20мА. При этом регламентируется дополнительная погрешность от перенастройки диапазона в соответствии с описанием типа средства измерения на датчик давления. В части перенастройки 1 к 10 дополнительная погрешность не добавляется. Данное правило работает более чем в 90% диапазонов и исполнений датчиков давления «Метран-150R» и «ЭМИС-БАР». В остальных случаях предел допускаемой основной погрешности рассчитывается по формулам, приведенным в описании типа СИ, для каждого диапазона и типа погрешности.

В части расчета погрешности для датчика «ЭМИС-БАР» существует ряд полезных расширений правила о неизменности предела допускаемой основной погрешности в диапазоне от 1 до 10 раз. Например, для датчиков избыточного, абсолютного и дифференциального давления «ЭМИС-БАР» с допускаемой основной погрешностью от 0,15 до 0,2% перенастройка верхнего предела до 20 раз не изменяет погрешность и не требует пересчета. В случае с допускаемой основной погрешностью от 0,4 до 0,5% перенастраивать Pmax можно в пределах от 1 до 50 без пересчета погрешности. То же самое для допускаемой основной погрешности от 1 до 2,5% не требует пересчета погрешности в пределах перенастройки от 1 до 100 раз. Это является качественной характеристикой основного образующего элемента датчика давления. Для «ЭМИС-БАР» - это монокристаллическая кремниевая пьезорезистивная ячейка, а также применяемая технология активной температурной компенсации измеряемого процесса

Давление перегрузки. Предельно допускаемое рабочее избыточное давление является важным параметром надежности датчика давления. Именно этот параметр регламентирует допускаемое производителем избыточное давление процесса в сравнении с номинальным, которое не приводит к выходу из строя датчика, нарушению метрологических характеристик, не нарушает гарантийные условия эксплуатации. В случае с датчиками избыточного давления «Метран-150» и «ЭМИС-БАР» предельно допускаемое рабочее избыточное давление выше максимального верхнего предела измерения Pmax минимум в 1,5 раза.

В части датчиков дифференциального давления предельно допускаемое рабочее избыточное давление для датчиков «ЭМИС-БАР» представляет собой ряд значений 16 и 42 МПа, для датчиков давления «Метран-150CDR» предельно допускаемое рабочее избыточное давление может быть равно 4, 10, 25 и 35МПа.

Взрывозащита. Один из формализованных и подтвержденных сертификатами параметров датчика давления, который четко регламентирует возможность применения датчика давления во взрывоопасной атмосфере в определенных климатически условиях.

Для датчика «Метран-150» возможны опции EM (искробезопасная цепь ia), IM (взрывозащищенная оболочка d), KM (комбинированная взрывозащита ia+d). Отличие заключается в необходимости использовать опции LT для датчиков эксплуатируемых при температуре от минус 55°С и опцию BR 6 для датчиков эксплуатируемых при температуре от минус 60°С.

Возможность применения датчика «ЭМИС-БАР» обозначается индексами Exia (искробезопасная цепь), Exd (взрывобезопасная оболочка), Exdia (комбинированная защита), RO (рудничное исполнения ia) , RV (рудничное исполнение d) или RVia (рудничное исполнение ia+d). Ограничений по температуре применения в стандартном для «ЭМИС-БАР» диапазоне от минус 60°С до плюс 85°С нет. Датчик соответствует требованиям сертификата взрывозащиты во всем указанном диапазоне температур, без дополнительных опций.

Рисунок 5. Сертификаты соответствия ТР ТС 012/2011

Протокол передачи данных HART. Самый главный вопрос при упоминании протоколов стандарта HART - совместимость с устройствами верхнего уровня.

В части протоколов HART версии от 5-ой до 7-ой, данные протоколы совместимы и содержат одинаковые переменные, с добавлением новых переменных в каждой новой версии протокола. Версии 4 и ниже не совместимы с версиями 5, 6 и 7.

Если обратиться к первоисточнику на сайте компании ассоциации FieldComm Group (FieldComm Group, 9430 Research Blvd, Suite 1-120, AUSTIN, TX 78759, UNITED STATES, (512) 792-2300, info@fieldcommgroup.org) https://www.fieldcommgroup.org/about можно найти раздел с таблицей совместимости версий HART в разделе https://support.fieldcommgroup.org/support/solutions/articles/8000048834-hart-5-7-comparisons

Из таблицы видно, что все переменные 5 версии включены в 6 версию, а все переменные 6 версии включены в 7 версию.

При этом не отмечались случаи несовместимости устройства верхнего уровня и датчика давления с разными версиями HART от 5-ой до 7-ой, что и подтверждается таблицей ниже. В ней вы можете отметить. Что основное отличие 7 версии от 6 версии в наличии идентификаторов для беспроводной сети стандарта WirelessHART. В нашем случае это не актуально, т.к. речь идет о датчиках «Метран-150R» и «ЭМИС-БАР».

Датчик «Метран -150R» поставляется с версиями HART 5 и 7 версий, датчик «ЭМИС-БАР» поставляется с версиями 6 и 7, что обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость.

Наличие блока защиты от переходных процессов. Датчики давления «Метран -150R» и «ЭМИС-БАР» имеют возможность клеммной колодки с встроенным устройством защиты от импульсных перенапряжений.

Сертификация Российского морского регистра судоходства. Датчик давления, используемый на морских судах, объектах обустройства нефтегазовых сооружений, береговых объектах должен иметь свидетельство о типовом одобрении Российского морского регистра судоходства и запись в реестре одобренных материалов, изделий, предприятий, поставщиков:

Данный сертификат описывает область применения и указывает класс морских сооружений и судов, на которых разрешена эксплуатация датчика давления:

В результате сопоставления были рассмотрены основные параметры сравнения датчиков давления при выборе решения для замены выработавшего свой срок оборудования, основы для создания рабочего проекта автоматизации на примере двух датчиков давления «Метран-150R» и «ЭМИС-БАР». Опираясь на данное сравнение пользователь может самостоятельно изучить важные ему параметры и сделать выбор, исходя из совокупности факторов. Источники информации являются открытыми, часть информации находится на сайте производителей или в свободном доступе, также возможна отправка уточнений в ответ на запрос заказчика.

Компания «ЭМИС» готова оказать консультационную помощь в подборе технического решения, анализе существующего технического решения, проработке наилучшего доступного варианта автоматизации измерения давления в технологических процессах. Наиболее распространенный вариант запроса может быть в виде готового заказного кода любого производителя. В виду описанной выше взаимозаменяемости подбор датчика давления «ЭМИС-БАР» по заказному коду других производителей является стандартной процедурой при подготовке технических предложений.

Получить подробную консультацию или заказать датчик давления ЭМИС-БАР можно перейдя по ссылке. Для получения технико-коммерческого предложения нужно скачать опросный лист и отправить на адрес sales@emis-kip.kz, либо региональному представителю в своем регионе по контактам на странице https://emis-kip.kz/ru/kon/kont_4/.