Membranforsatse 

Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark

Skillemembraner, også kendt som fremskudte membraner, membranforsatse eller kemiske adskillelser, anvendes til opgaver indenfor trykmåling, hvor mediet ikke må komme i kontakt med de trykbærende dele i måleinstrumentet eller hvor der ønskes en forbindelse uden ”skjulte lommer”.

Målesystemet er mod processen tætnet med en fleksibel membran der er udført i et materiale som kan modstå mediet. Det indre rum, mellem membran og trykmåler, er væskefyldt. Der benyttes en transmissionsvæske med lav kompressibilitet, som sikrer at trykket kan overføres fra det målte medium via den elastiske membran til måleelementet, uden tab. Ved udvælgelsen af væsken er faktorer som kompatibilitet, temperatur-og trykforhold i mediet, af afgørende betydning, ligesom væsken ikke må have dæmpende virkning, så transmitterens responstid nedsættes.

Man skal være opmærksom på en utæt membran, vil medføre at transmissionsvæsken kommer i kontakt med processen/mediet. Der arbejdes derfor med forskellige væsker afhængig af opgaven. Til forarbejdning af fødevarer anvendes en derfor væske, der er godkendt til kontakt med fødevarer, mens andre opgaver kræver at målingen kan foretages under ekstreme temperaturer.

De forskellige leverandører har derfor en række transmissionsvæsker til rådighed – disse dækker varianter der gør det muligt at måle tryk fra ca. 10 mbar op til 1.600 bar, i temperaturområdet -90°C til +400°C leveret med godkendelser og certifikater for anvendelse.

   

Brug af kapillarrør

Da selve målesystemet som regel ikke kan klare de ekstreme temperaturer, benyttes i mange tilfælde et kapillarrør mellem membran og målesystem. Kapillarrøret benyttes for at fjerne eller minimere temperaturpåvirkninger fra den varme væske til måleinstrumentet.

I væskesystemer kan luftlommer, i forbindelsen mellem proces og transmitter, virke forstyrrende på målingen, idet luftens kompressibilitet gør at “luftlommen” først skal presses sammen, hvorved noget af kraften ikke overføres korrekt til målecellen. Derfor udgør membranforsats, kapillarrør og måleinstrument et lukket system, og påfyldning af transmissionsvæske foregår i et særligt apparat, der sikrer at forbindelsen er 100% fri for luft/gas. Forbindelsen forsegles efter påfyldning, så enhver flugt af fyldevæske er sikret.

Forbindelsen mellem forsats og trykmåler - den væskefyldte streng, der transmitterer trykket fra proces til målesystem, kan enten foregå via en stiv eller fleksibel kapillar rørforbindelse.

Den "stive" samling er lavet af en direkte gevind forbindelse eller ved påsvejsning til måleinstrument og membranforsatsens overdel. Er procestemperaturene højere end dét målesystemet kan tåle, kan der monteres et køleelement mellem membran og instrument.

Den fleksible forbindelse gør det muligt at trække målesystemet langt væk fra processen - og denne fungerer derfor både som en fleksibel montageform, som kølestræk.

     

Udover valg at den korrekte transmissionsvæske, skal man ved brug af kapillarrørs løsninger være opmærksom på systemets reaktionstid reduceres - en følgevirkning der afhænger af såvel afstand som kapillarrørets udformning (materiale mm)

 

Membranen der adskiller processen fra transmissionsvæsken er nøglen til kvaliteten af et målesystem bestående af en trykmåler og en skillemembran. Udover form og membranmateriale har membranens udformning også betydning for det resultat der opnås.

For at kunne overføre trykket er det vigtigt at membranen er så fleksibel, at selv små trykændringer overføres til målesystemet. Samtidig skal membranen være så stærk at den kan modstå høje statiske tryk uden at blive ødelagt. Derfor er de fleste membraner udformet som tynde metalskiver, hvor styrken er tilført ved at ”bølge” overfladen. 

En skillemembran er typisk mellem 75 og 100um tyk, ligesom bevægelsen trykpåvirkningen medfører er endnu mindre. Derfor vil derfor målesystemet let kunne ødelægges ved forkert håndtering – det er således en ”dødssynd” trykke på eller ridse membranen, da det let kan medføre blivende deformation. En anden parameter der påvirker systemet er materialernes udvidelseskoefficienter, hvor temperatur variationer vil kunne medføre deformation af de tynde membraner. Derfor forsker de enkelte leverandører en del i udvikling af den optimale membran, og der findes derfor en række forskellige løsninger, heriblandt: 

                                

Sinusformet membran

Standardmembrankonturen har et antal sinusformede bølger. Denne universelle kontur kan bruges til alle membranmaterialer, tykkelser og diametre. 

Konturen er velegnet som grundlag yderligere belægninger (coating) og kan bruges i forbindelse med fremstilling af membraner i specielle materialer som f.eks. Monel, nikkel eller Duplex stål. 

Det sinusformede design er enkelt at producere og virker selvkompenserende ved mindre variationer i medietemperaturen.

Selvkompenserende membran

For nogle medier er er det påkrævet at fremstille membranerne af specielle materialer som Hastelloy eller Tantal, for at opnå den nødvendige kemiske resistens. For at reducere omkostningerne monteres denne type membraner ofte på en krop af Rustfri stål, hvilket dog har den ulempe at membranmaterialets udvidelseskoefficient er meget forskelligt fra kroppens, hvilket igen medfører risici for stor målefejl ved varierende temperaturer.

Hos den tyske producent Labom har man udviklet en patenteret kontur, hvor temperaturfejlen reduceres med 50% sammenlignet med en membran af rustfrit stål med sinusformet kontur. For at opnå dette er membranen udformet så en temperaturafhængig volumenforøgelse af fyldmediet kompenseres af de forskellige termiske udvidelser af materialerne.

LTC membran

For at være i stand til at tilbyde en version med lav temperaturfølsomhed for rustfrit Stål membraner, er LTC membranen (Low Temperature Coeffcient) blevet udviklet. Membranen arbejder med to stabile positioner, den øvre og nedre nulstilling. Som følge af en speciel fremstillingsproces er det muliggjort at membranen arbejder ud fra midterpositionen, hvor membranstivheden er tæt på nul. 

LTC-membranen reducerer temperaturfejlen med op til 70% sammenlignet med en membran af rustfrit stål med en sinusformet kontur. Den er yderst ufølsom over for mekaniske indflydelser og giver også mulighed for at bruge meget tykke membraner (op til 200 μm).

 

Udover udformningen er membranens størrelse med til at definere det trykområde, som skillemembranen kan arbejde indenfor.

Med en membrantykkelse på 75um kræves der en vis minimum trykkraft for at kunne bevæge membranen så meget at transmissionsvæsken bagved denne kan påvirke sensor elementet. Membranens fleksibilitet afhænger således både af diameteren og udformningen.

For en standard sinusformet membran – monteret på et manometer – vil derfor gælde at trykket skal være minimum den nedenfor angivne værdi for at kunne fungere tilfredsstillende:

En større membrandiameter giver øget fleksibilitet/følsomhed i målesystemet, men samtidig skal man være opmærksom på volumenet af den transmissionsvæske der skal flyttes. Derfor vil et lille manometer, med et mindre bourdonrør (mindre transmissionsvæske), være mere følsomt end et stort manometer, hvor der skal flyttes et større volumen.

 

Forbindelse mellem membranforsats og trykmåler

Forbindelsen mellem forsats og trykmåler - den væskefyldte streng, der transmitterer trykket fra proces til målesystem, kan enten foregå via en stiv eller fleksibel kapillarrørsforbindelse. Mellem membran og celle benyttes en transmissionsvæske, der sikrer at den mekaniske påvirkning af membranen overføres uforstyrret til målecellen. Transmissionsvæsken skal have egenskaber der sikrer, at den ikke udvider sig ved temperaturændringer (udvidelse betyder øget tryk), ligesom den ikke må have dæmpende virkning, så transmitterens responstid nedsættes - endelig må olien ikke kunne beskadige processen, hvis der skulle gå hul på membranen.

De forskellige leverandører arbejder med et udvalg af væsker. Hver fyldvæske har sin egne egenskaber, såsom densitet, viskositet, termisk ekspansion og damptryk – egenskaber der skal tages i ed under design af et membransystem. Generelt gælder det dog at rummet bag membranen forsøges minimeret, ligesom selve kanalen mellem membran og målecelle holdes så lille som mulig. Det lille rumfang betyder nemlig at det kun er en meget lille mængde transmissionsolie, der skal benyttes i transmitteren – hvilket øger transmitterens responstid, og minimerer eventuelle skader ved en membranlækage.

Måling i vakuum

Skal der måles vakuum i stedet for tryk er det vigtigt at vide det i forbindelse med design af membran systemet. Det skyldes det faktum, at De fleste fyldvæsker indeholder mikroskopiske mængder af luft eller fangede gasser, som har en tendens til at udvide sig betydeligt når trykket nærmer sig det absolutte nulpunkt. Under udvidelsen frigøres luft/gas (væsken koger) og vil efterfølgende optræde som bobler i transmissionsvæsken. Den frigjorte luft/gas vil virke som en buffer der skal komprimeres før væsken begynder at bevæge sig – hvilket er lig med en målefejl. Det er derfor vigtigt at transmissionsvæsken, ikke mindst i vakuum systemer, afgasses under fylde processen for at minimere risicien for udvidelse.

Man skal være opmærksom på at vakuum optræder i processer hvor der er hurtige temperaturskift, f.eks. i forbindelse med rengøringsprocesser indenfor fødevare/farmaceutisk produktion, hvor målestrækket rengøres med damp, der umiddelbart efterfølges at et koldt produkt.

 

Læs mere om skillemembraner hér