Spiediena starpības mērīšana ir neaizstājama rūpnieciskās kontroles procesos. Tās galvenais mērķis ir izmērīt spiediena starpību starp diviem dažādiem punktiem vienā cauruļvadā, tvertnē, iekārtā vai procesā, ti, spiediena starpību starp augsta-spiediena pusi un zemā{4}}spiediena pusi. Salīdzinot ar viena-punkta spiediena mērīšanu, diferenciālā spiediena mērīšana ne tikai atspoguļo paša spiediena izmaiņas, bet to var arī turpmāk izmantot tādu parametru netiešai mērīšanai kā plūsmas ātrums, šķidruma līmenis, filtra diferenciālais spiediens un iekārtas darbības stāvoklis. Tāpēc to plaši izmanto tādās nozarēs kā nafta, dabasgāze, ķīmija, enerģētika, farmācija, pārtika, metalurģija un ūdens attīrīšana.
Faktiskās rūpnieciskās vietās diferenciālo spiedienu parasti nosaka, izmantojot diferenciālā spiediena raidītāju. Raidītājs ievada divus izmērītos spiedienus attiecīgi augsta -spiediena pusē (H) un zemā -spiediena pusē (L). Pēc tam, kad sensors uztver spiediena darbību abās pusēs, tas pārvērš spiediena starpību elektriskā signālā. Pēc signālu apstrādes, temperatūras kompensācijas un linearizācijas aprēķiniem tas izvada standarta signālus, piemēram, 4~20mA, HART, RS485/Modbus, nodrošinot stabilus procesa mērījumu datus vadības sistēmām, PLC, DCS vai datu iegūšanas sistēmām.
Diferenciālā spiediena mērīšanas atslēga ir ne tikai "izmērīt divus spiedienus un pēc tam tos atņemt", bet gan vispusīgi ņemt vērā tādus faktorus kā mērījumu diapazons, statiskais spiediens, temperatūra, vidējais blīvums, uzstādīšanas metode, impulsu cauruļvadu sistēma un sensora veiktspēja. Īpaši tādos ekspluatācijas apstākļos kā augsts statiskais spiediens, zems diferenciālais spiediens, augsta temperatūra un kodīgas vielas, diferenciālā spiediena mērīšana izvirza augstas prasības sensora struktūrai, temperatūras kompensācijas algoritmiem un vispārējai instrumenta uzstādīšanas kvalitātei.
I. Kas ir diferenciālais spiediens?
1. Diferenciālā spiediena pamatjēdzieni
Diferenciālais spiediens (DP) ir spiediena starpība starp diviem spiediena mērīšanas punktiem, un tās pamatsakarība ir:
ΔP = P₁ − P₂
Kur:
• ΔP: diferenciālais spiediens;
• P₁: augsts{0}}sānu spiediens;
• P₂: zems -sānu spiediens.
Piemēram, ja noteiktas iekārtas ieplūdes spiediens cauruļvadā ir 0,80 MPa un izplūdes spiediens ir 0,65 MPa, spiediena starpība starp diviem punktiem ir:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Spiediena starpības zīme ir atkarīga no augstā un zemā{0}}spiediena puses definīcijas. Ja augstais-sānu spiediens ir augstāks par zemo-sānu spiedienu, izeja ir pozitīvs diferenciālais spiediens; otrādi, tas var izpausties kā negatīvs diferenciālais spiediens. Tāpēc diferenciālā spiediena devēju izvēles un uzstādīšanas laikā ir pareizi jāapstiprina atbilstība starp H un L saskarnēm un procesa cauruļvadiem.
2. Diferenciālā spiediena mērīšanas darbības princips
Tipisksdiferenciālā spiediena raidītājsgalvenokārt sastāv no spiediena saskarnēm, izolācijas diafragmām, sensora kodola, signālu apstrādes ķēdēm, temperatūras kompensācijas moduļiem un izvades ķēdēm.
Apstrādes materiāls nonāk attiecīgi raidītāja augsta{0}}spiediena pusē un zemā-spiediena pusē. Spiediens abās pusēs iedarbojas uz jutīgo elementu caur izolācijas sistēmu, liekot sensoram radīt fiziskas izmaiņas, kas saistītas ar spiediena starpību. Ņemot par piemēru kapacitatīvās, pjezorezistīvās vai monokristāliskā silīcija spiediena noteikšanas tehnoloģijas, sensors pārvērš šīs mehāniskās izmaiņas elektriskā signālā.
Pēc analogās -uz-digitālās konvertēšanas, digitālās filtrēšanas, temperatūras kompensācijas, linearizācijas un kalibrēšanas instruments pārvērš izmērīto diferenciālo spiedienu standarta izejas signālā.
4 ~ 20 mA izejas diferenciālā spiediena raidītājam tā teorētisko jaudu var izteikt šādi:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Piemēram, ja diferenciālā spiediena mērīšanas diapazons ir 0–100 kPa, kad faktiskais diferenciālais spiediens ir 50 kPa, teorētiskā izeja ir:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Tāpēc vadības sistēma var secināt faktisko diferenciālo spiedienu, pamatojoties uz raidītāja izejas signālu.
3. Atšķirība starp diferenciālo spiedienu un statisko spiedienu
Ļoti svarīgs jēdziens diferenciālā spiediena mērīšanā ir "statiskais spiediens".
Pieņemsim, ka lielais sānu spiediens ir 10 MPa un zemais sānu spiediens ir 9,9 MPa, tad:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Lai gan šajā brīdī izmērītais diferenciālais spiediens ir tikai 0,1 MPa, faktiskais statiskais spiediens, ko rada raidītājs, var būt tuvu 10 MPa.
Tāpēc diferenciālā spiediena devējam ir jāatbilst ne tikai diferenciālā spiediena diapazona prasībām, bet arī maksimālā darba statiskā spiediena prasībām.
Šī ir arī viena no svarīgākajām atšķirībām starp diferenciālā spiediena mērīšanu un parasto spiediena mērīšanu atlases ziņā. Augsta statiskā spiediena un zema diferenciālā spiediena lietojumos, ja tiek ņemts vērā tikai diferenciālā spiediena diapazons, vienlaikus ignorējot statiskā spiediena spēju, tas var radīt ievērojamu statiskā spiediena ietekmi uz sensoru, tādējādi samazinot mērījumu precizitāti.
II. Kā pārbaudīt diferenciālā spiediena tehniskos parametrus
Mērīšana
Izvēloties diferenciālā spiediena raidītāju, jāņem vērā ne tikai "diapazons" un "precizitāte". Praktiskajos lietojumos ir ieteicams sistemātiski pārbaudīt saskaņā ar šādiem parametriem.
1. Mērījumu diapazons
Vispirms nosakiet minimālo diferenciālo spiedienu, normālo diferenciālo spiedienu un maksimālo diferenciālo spiedienu, kas faktiski var rasties procesa sistēmā.
Piemēram, noteikta filtra normālais spiediena kritums darbības laikā ir aptuveni 20 kPa, bet aizsērējušos apstākļos tas var sasniegt 80 kPa. Atbilstoši procesa prasībām var izvēlēties piemērotu diferenciālā spiediena diapazonu.
Ja diapazons ir pārāk liels, faktiskais darbības punkts ilgu laiku būs zemākā diapazona intervālā, ietekmējot efektīvo mērījumu izšķirtspēju; ja diapazons ir pārāk mazs, tas var pārsniegt diapazonu neparastos darbības apstākļos.
2. Statiskais spiediens
Statiskais spiediens ir parametrs, kam jāpievērš īpaša uzmanība, izvēloties diferenciālā spiediena devējus.
Piemēram:
• Diferenciālā spiediena diapazons: 0~10kPa
• Cauruļvada spiediens: 4MPa
• Faktiskais diferenciālais spiediens: 5kPa
Šobrīd nevar vienkārši uzskatīt, ka instrumentam jāatbilst tikai 10 kPa spiediena jaudai; ir arī nepieciešams apstiprināt, ka raidītājs var izturēt aptuveni 4MPa darba statisko spiedienu un pārbaudīt statiskā spiediena ietekmi uz nulles punktu un diapazonu.
3. Precizitāte
Diferenciālā spiediena devēju precizitāti parasti izsaka procentos no pilnas skalas, piemēram, ±0,1%FS, ±0,075%FS utt.
Raidītājam ar diapazonu 0–100 kPa un precizitāti ±0,1% FS teorētiskais pamata kļūdas lielums ir:
100kPa × 0,1%=±0,1kPa
Jāņem vērā, ka faktisko mērījumu kļūdu var ietekmēt arī tādi faktori kā temperatūra, statiskais spiediens, uzstādīšanas pozīcija, impulsu cauruļvadi un ilgtermiņa stabilitāte. Tāpēc inženiertehniskā atlase nevar tikai salīdzināt "precizitātes skaitli".
4. Pārslodzes jauda un statiskā spiediena ietekme
Rūpniecības vietās var rasties nepareiza vārstu darbība, spiediena svārstības, iedarbināšanas triecieni utt., tāpēc ir jāapstiprina raidītāja vienas -puses pārslodzes jauda un maksimālais statiskais spiediens.
Īpaši augsta statiskā spiediena diferenciālā spiediena mērīšanā uzmanība jāpievērš arī nulles novirzei, ko izraisa statiskā spiediena izmaiņas. Augstas veiktspējas diferenciālā spiediena raidītāji parasti samazina šos efektus, izmantojot sensora struktūras dizainu un statiskā spiediena kompensācijas algoritmus.
5. Temperatūra un vidējie apstākļi
Nepieciešams pārbaudīt procesa temperatūru, apkārtējās vides temperatūru un to, vai vide ir kodīga, viskoza, kristalizējusies vai satur cietas daļiņas.
Augstas -temperatūras vides gadījumā procesa temperatūras ietekmi uz raidītāju var samazināt, izmantojot kondensāta tvertnes, dzesēšanas spuras vai attālās blīves; korozīvām vidēm ir jāizvēlas atbilstoša diafragma un mitrinātie materiāli, pamatojoties uz vides īpašībām, piemēram, 316L, Hastelloy, Tantalum utt.
6. Izvades un komunikācijas metodes
Kopējie izvadi ietver:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Citas digitālās komunikācijas metodes.
Tradicionālajām DCS un PLC sistēmām 4 ~ 20 mA joprojām ir augsta lauka pielietojamība; sistēmām, kurām nepieciešama attāla parametru iestatīšana, diagnostika un apkope, var apsvērt produktus ar HART sakaru funkcionalitāti.
III. Kādi ir diferenciālā spiediena mērīšanas pielietojumi?
Spiediena starpības mērīšanas lielākā īpašība ir tā, ka tā var iegūt citus procesa parametrus, izmantojot spiediena starpību, tāpēc tā pielietojuma diapazons ievērojami pārsniedz vienkāršu "spiediena starpības noteikšanu".
1. Cauruļvada plūsmas mērīšana
Diferenciālā spiediena plūsmas mērīšana ir viens no klasiskajiem lietojumiem rūpniecisko procesu mērīšanā.
Kad šķidrums iet cauri droseles ierīcēm, piemēram, atveru plāksnēm, sprauslām vai Venturi caurulēm, mainās šķidruma ātrums, radot spiediena starpību pirms un pēc droseles. Saskaņā ar šķidruma mehānikas attiecībām pastāv noteikta saistība starp plūsmas ātrumu un diferenciālā spiediena kvadrātsakni:
Q ∝ √ΔP
Ideālos apstākļos to var izteikt šādi:
Q = C√ΔP
Kur Q ir plūsmas ātrums, bet C ir visaptverošs koeficients, kas saistīts ar vides, cauruļvada struktūru un droseļvārsta ierīci.
Tāpēc, mērot diferenciālo spiedienu pirms un pēc droseles, var netieši aprēķināt cauruļvada plūsmas ātrumu.
Faktiskajā inženierijā jāņem vērā arī tādi faktori kā vidējais blīvums, temperatūra, spiediens, Reinoldsa skaitlis, droseļvārsta ierīces struktūra un uzstādīšanas apstākļi. Tāpēc augstas-precizitātes plūsmas mērīšanai parasti ir nepieciešama saistīto parametru kompensācija.
2. Šķidruma līmeņa mērīšana
Diferenciālā spiediena raidītājus var izmantot arī, lai mērītu tvertnes šķidruma līmeni, izmantojot šķidruma kolonnas radīto spiedienu.
Šķidruma kolonnas spiediena pamata sakarība ir:
ΔP=ρgh
Kur:
• ρ ir šķidruma blīvums;
• g ir gravitācijas paātrinājums;
• h ir šķidruma līmeņa augstums.
Tāpēc, ja blīvums ir relatīvi stabils, šķidruma līmeni var aprēķināt, mērot šķidruma kolonnas radīto diferenciālo spiedienu.
Atvērtām tvertnēm šķidruma līmeni parasti var izmērīt, izmantojot attiecību starp spiedienu tvertnes apakšā un atmosfēras spiedienu; slēgtām tvertnēm jāņem vērā arī gāzes fāzes spiediens tvertnes augšpusē, tāpēc adiferenciālā spiediena raidītājsparasti tiek izmantots, lai izveidotu savienojumu ar attiecīgi tvertnes apakšējo un augšējo daļu.
Tvertnēs ar augstu temperatūru, augstu vakuumu vai gaistošu vidi tādi faktori kā kondensāts, blīvuma izmaiņas un attālās blīves ir jāturpina apsvērt.
3. Filtra diferenciālā spiediena uzraudzība
Normālas filtra darbības laikā filtra vide rada noteiktu spiediena zudumu. Filtra elementam pakāpeniski aizsērējot, spiediena starpība starp priekšējo un aizmugurējo daļu nepārtraukti palielināsies.
Tādēļ filtra ieplūdes un izplūdes atverē var uzstādīt spiediena krānus, lai reāllaikā{0}}uzraudzītu, izmantojot diferenciālā spiediena devēju:
ΔP=P_ieeja − P_izeja
Kad diferenciālais spiediens sasniedz iestatīto vērtību, vadības sistēma var izdot trauksmi, lai atgādinātu apkopes personālam pārbaudīt vai nomainīt filtra elementu.
Šo metodi plaši izmanto gaisa filtrēšanā, šķidruma filtrācijā, naftas un gāzes apstrādē un rūpnieciskās putekļu noņemšanas sistēmās.
4. Sūkņa, ventilatora un kompresora darbības uzraudzība
Iekārtās, piemēram, sūkņos, ventilatoros un kompresoros, ieplūdes{0}}izplūdes diferenciālais spiediens var kalpot kā viens no svarīgiem parametriem, lai novērtētu iekārtu darbības statusu.
Piemēram, spiediena starpības pārraudzība starp sūkņa ieplūdi un izplūdi var palīdzēt novērtēt sūkņa darbības stāvokli; gāzes transportēšanas sistēmās darba stāvokļa uzraudzībai var izmantot arī spiediena starpības izmaiņas pirms un pēc ventilatoriem vai kompresoriem.
Jāņem vērā, ka iekārtu diferenciālais spiediens nevar atspoguļot tikai iekārtas veselības stāvokli. Inženieru lietojumos parasti ir jāapvieno tādi parametri kā plūsmas ātrums, temperatūra, vibrācija un strāva, lai iegūtu visaptverošu spriedumu.
5. Tīras sistēmas un ventilācijas sistēmas
Tīrās telpās, laboratorijās, farmācijas darbnīcās un gaisa apstrādes sistēmās ir jāsaglabā noteikts spiediena gradients starp dažādām zonām.
Izmantojot diferenciālā spiediena raidītājus, lai izmērītu spiediena starpību starp diviem apgabaliem, var noteikt, vai tīrā zona tiek uzturēta norādītajā spiediena stāvoklī.
Piemēram, tīrās zonās, kurās jāuztur pozitīvs spiediens, var uzraudzīt spiediena starpību starp telpu un blakus esošajām zonām; Dažās vietās, kur nepieciešama negatīvā spiediena kontrole, diferenciālā spiediena signālu var izmantot, lai spriestu par negatīvā spiediena stāvokli.
6. Hermētiskums un noplūdes noteikšana
Tādās jomās kā precīza ražošana, automobiļu daļas, vārstu veidgabali un medicīnas ierīces, spiediena starpības mērījumus var izmantot arī hermētiskuma pārbaudei.
Testēšanas procesā testa objektā tiek ielādēts noteikts testa gāzes spiediens, un, pārraugot spiediena izmaiņas pirms un pēc testa, var noteikt, vai testa objektā nav noplūdes.
Zema diferenciālā spiediena un mikro{0}noplūžu noteikšanai parasti tiek izvirzītas augstākas prasības diferenciālā spiediena sensora izšķirtspējai, stabilitātei, temperatūras kompensācijai un reakcijas ātrumam.
IV. Galvenās inženiertehniskās problēmas diferenciālā spiediena mērīšanā
Diferenciālā spiediena mērīšana var šķist vienkārša, taču faktiskajos inženiertehniskajos lietojumos ir vairāki ietekmējoši faktori.
Pirmkārt, ir impulsu cauruļvadu sistēma. Mērījumu rezultātus var ietekmēt impulsu līniju garums, iekšējais diametrs, uzstādīšanas augstums un tas, vai līnijās ir gaisa burbuļi, šķidruma uzkrāšanās vai daļiņu nogulsnēšanās. Šķidram vidēm ir jāizvairās no gāzes iekļūšanas impulsa līnijās; gāzes vidēm ir jāizvairās no kondensāta uzkrāšanās.
Otrkārt, uzstādīšanas metode. Diferenciālā spiediena devēja augsta un zemā spiediena malām jābūt pareizi savienotām ar procesa cauruļvadu, un, pamatojoties uz vidējo stāvokli, jāizvēlas saprātīga spiediena izvadīšanas pozīcija. Tādiem materiāliem kā augstas temperatūras tvaiks ir nepieciešams arī izmantot kondensātu, lai izveidotu šķidruma blīvējumu, lai novērstu augstas temperatūras vides tiešu iekļūšanu raidītājā.
Trešais ir temperatūras efekts. Sensoram pašam ir temperatūras raksturlielumi, un vides temperatūras izmaiņas var izraisīt arī blīvuma izmaiņas. Tāpēc augstas precizitātes diferenciālā spiediena mērīšanai parasti ir nepieciešama temperatūras kompensācija, un dažiem plūsmas un šķidruma līmeņa lietojumiem ir nepieciešama arī blīvuma kompensācija.
Turklāt augsta statiskā spiediena un zema diferenciālā spiediena lietojumos īpaša uzmanība jāpievērš statiskā spiediena ietekmei, pārslodzes jaudai un nulles{0}}punkta stabilitātei. Piemēram, mērot nelielu dažu kPa diferenciālo spiedienu pie vairāku MPa vai pat lielāka spiediena cauruļvadā, sensoram ir ne tikai jāiztur augsts statiskais spiediens, bet arī precīzi jāatrisina ļoti nelielas diferenciālā spiediena izmaiņas, kas rada augstākas prasības sensora struktūrai un signālu apstrādes tehnoloģijai.
V. Kopsavilkums
Diferenciālā spiediena mērīšanas būtība ir precīzi iegūt spiediena starpību starp diviem spiediena punktiem ar pamatformulu ΔP=P₁−P₂. Izmantojot šo pamatparametru, var tālāk veikt dažādu rūpniecisko parametru, piemēram, plūsmas ātruma, šķidruma līmeņa, filtra diferenciālā spiediena, aprīkojuma darbības stāvokļa un hermētiskuma mērījumus.
Faktiskajā inženierijā atlasediferenciālā spiediena devējijākoncentrējas ne tikai uz mērījumu diapazonu un precizitāti, bet arī vispusīgi jāņem vērā statiskais spiediens, pārslodzes jauda, statiskā spiediena ietekme, temperatūras diapazons, vides raksturlielumi, mitrinātie materiāli, impulsa līnijas metode, izejas signāls un uzstādīšanas apstākļi.
Nepārtraukti attīstot rūpnieciskās automatizācijas un procesu vadības sistēmas, diferenciālā spiediena mērīšana no tradicionālās viena-parametra noteikšanas attīstās uz augstas precizitātes, digitalizācijas un viedo diagnostiku. Sarežģītos rūpnieciskos darbības apstākļos sensoru tehnoloģija, temperatūras kompensācija, statiskā spiediena kompensācija un digitālās signālu apstrādes iespējas tieši ietekmēs diferenciālā spiediena mērīšanas sistēmas ilgtermiņa stabilitāti un praktisko pielietojuma efektivitāti.
