Slėgio skirtumo matavimas yra būtinas pramonės valdymo procesuose. Jo esmė yra išmatuoti slėgio skirtumą tarp dviejų skirtingų taškų tame pačiame vamzdyne, rezervuare, įrangoje ar procese, ty slėgio skirtumą tarp aukšto -slėgio pusės ir žemo{4}}slėgio pusės. Palyginti su vieno -taško slėgio matavimu, slėgio skirtumo matavimas ne tik atspindi paties slėgio pokyčius, bet taip pat gali būti naudojamas netiesiogiai matuoti parametrus, tokius kaip srautas, skysčio lygis, filtro slėgio skirtumas ir įrangos veikimo būsena. Todėl jis plačiai naudojamas tokiose pramonės šakose kaip nafta, gamtinės dujos, chemija, energetika, farmacija, maistas, metalurgija ir vandens valymas.
Faktinėse pramonės vietose slėgio skirtumas paprastai aptinkamas naudojant diferencinio slėgio siųstuvą. Siųstuvas atitinkamai įveda du išmatuotus slėgius per aukšto -slėgio pusę (H) ir žemo -slėgio pusę (L). Kai jutiklis nustato slėgio veiksmą abiejose pusėse, jis slėgio skirtumą paverčia elektriniu signalu. Po signalo apdorojimo, temperatūros kompensavimo ir tiesinimo skaičiavimų jis išveda standartinius signalus, tokius kaip 4 ~ 20 mA, HART, RS485/Modbus, teikdamas stabilius procesų matavimo duomenis valdymo sistemoms, PLC, DCS arba duomenų rinkimo sistemoms.
Slėgio skirtumo matavimo raktas yra ne tik „išmatuoti du slėgius ir tada juos atimti“, bet visapusiškai atsižvelgti į tokius veiksnius kaip matavimo diapazonas, statinis slėgis, temperatūra, vidutinis tankis, montavimo būdas, impulsinių vamzdynų sistema ir jutiklio veikimas. Ypač tokiomis darbo sąlygomis kaip aukštas statinis slėgis, mažas diferencinis slėgis, aukšta temperatūra ir ėsdinančios terpės, slėgio skirtumo matavimas kelia didelius reikalavimus jutiklio struktūrai, temperatūros kompensavimo algoritmams ir bendrai prietaiso įrengimo kokybei.
I. Kas yra diferencinis slėgis?
1. Pagrindinės diferencinio slėgio sąvokos
Slėgio skirtumas (DP) yra slėgio skirtumas tarp dviejų slėgio matavimo taškų, o jo pagrindinis ryšys yra toks:
ΔP = P₁ − P₂
Kur:
• ΔP: slėgio skirtumas;
• P₁: didelis{0}}šoninis slėgis;
• P₂: mažas{0}}šoninis slėgis.
Pavyzdžiui, jei tam tikros įrangos įleidimo slėgis vamzdyne yra 0,80 MPa, o išėjimo slėgis yra 0,65 MPa, slėgio skirtumas tarp dviejų taškų yra:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Slėgio skirtumo ženklas priklauso nuo aukšto ir žemo{0}}slėgio pusių apibrėžimo. Kai aukštas-šoninis slėgis yra didesnis už žemą-šoninį slėgį, išėjimas yra teigiamas diferencinis slėgis; ir atvirkščiai, tai gali pasireikšti kaip neigiamas diferencinis slėgis. Todėl renkantis ir montuojant diferencinio slėgio daviklius, būtina teisingai patvirtinti H ir L sąsajų ir proceso vamzdynų atitikimą.
2. Slėgio skirtumo matavimo veikimo principas
Tipiškasdiferencinio slėgio siųstuvasdaugiausia susideda iš slėgio sąsajų, izoliacinių diafragmų, jutiklio šerdies, signalų apdorojimo grandinių, temperatūros kompensavimo modulių ir išvesties grandinių.
Proceso terpė atitinkamai patenka į siųstuvo aukšto-slėgio ir žemo{1}}slėgio pusę. Abiejų pusių slėgis veikia jautrų elementą per izoliavimo sistemą, todėl jutiklis sukelia fizinius pokyčius, susijusius su slėgio skirtumu. Kaip pavyzdį paimdamas talpines, pjezorezistines arba monokristalinio silicio slėgio jutimo technologijas, jutiklis paverčia šį mechaninį pokytį elektriniu signalu.
Po analoginio-į-skaitmeninio konvertavimo, skaitmeninio filtravimo, temperatūros kompensavimo, tiesinimo ir kalibravimo prietaisas konvertuoja išmatuotą slėgio skirtumą į standartinį išvesties signalą.
4–20 mA išėjimo diferencinio slėgio siųstuvo teorinė galia gali būti išreikšta taip:
I=4mA + 16mA × (ΔP – ΔPmin) / (ΔPmax – ΔPmin)
Pavyzdžiui, jei slėgio skirtumo matavimo diapazonas yra 0–100 kPa, kai tikrasis slėgio skirtumas yra 50 kPa, teorinė išvestis yra tokia:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Todėl valdymo sistema gali nustatyti tikrąjį slėgio skirtumą pagal siųstuvo išvesties signalą.
3. Skirtumas tarp slėgio skirtumo ir statinio slėgio
Labai svarbi diferencinio slėgio matavimo sąvoka yra „statinis slėgis“.
Tarkime, kad aukštas{0}}šoninis slėgis yra 10 MPa, o mažas{2}} šoninis slėgis yra 9,9 MPa, tada:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Šiuo metu, nors išmatuotas slėgio skirtumas yra tik 0,1 MPa, tikrasis siųstuvo statinis slėgis gali būti artimas 10 MPa.
Todėl diferencinio slėgio siųstuvas turi atitikti ne tik diferencinio slėgio diapazono reikalavimą, bet ir didžiausią darbinio statinio slėgio reikalavimą.
Tai taip pat yra vienas iš svarbių skirtumų tarp slėgio skirtumo matavimo ir įprasto slėgio matavimo pasirinkimo požiūriu. Esant dideliam statiniam slėgiui ir mažam diferencinio slėgio skirtumui, jei atsižvelgiama tik į diferencinio slėgio diapazoną, neatsižvelgiant į statinio slėgio galimybę, tai gali turėti reikšmingą statinio slėgio įtaką jutikliui ir taip sumažinti matavimo tikslumą.
II. Kaip patikrinti slėgio skirtumo techninius parametrus
Matavimas
Renkantis diferencinio slėgio siųstuvą, reikėtų atsižvelgti ne tik į „diapazoną“ ir „tikslumą“. Praktikoje rekomenduojama sistemingai tikrinti pagal šiuos parametrus.
1. Matavimo diapazonas
Pirmiausia nustatykite minimalų diferencinį slėgį, normalų diferencinį slėgį ir didžiausią diferencinį slėgį, kuris iš tikrųjų gali atsirasti proceso sistemoje.
Pavyzdžiui, normalus tam tikro filtro slėgio kritimas veikimo metu yra apie 20 kPa, o užsikimšus jis gali siekti 80 kPa. Atsižvelgiant į proceso reikalavimus, galima pasirinkti tinkamą diferencinio slėgio diapazoną.
Jei diapazonas yra per didelis, faktinis veikimo taškas ilgą laiką bus žemesnio diapazono intervale, o tai turės įtakos efektyviai matavimo raiškai; jei diapazonas yra per mažas, jis gali viršyti diapazoną esant neįprastoms darbo sąlygoms.
2. Statinis slėgis
Statinis slėgis yra parametras, į kurį reikia atkreipti ypatingą dėmesį renkantis diferencinio slėgio daviklius.
Pavyzdžiui:
• Slėgio skirtumo diapazonas: 0~10kPa
• Vamzdyno slėgis: 4MPa
• Faktinis diferencinis slėgis: 5kPa
Šiuo metu negalima tiesiog manyti, kad prietaisas turi atitikti tik 10 kPa slėgio galią; taip pat būtina patvirtinti, kad siųstuvas gali atlaikyti maždaug 4 MPa darbinį statinį slėgį ir patikrinti statinio slėgio įtaką nuliniam taškui ir diapazonui.
3. Tikslumas
Diferencinio slėgio siųstuvų tikslumas paprastai išreiškiamas procentais nuo visos skalės, pvz., ±0,1%FS, ±0,075%FS ir kt.
Siųstuvo, kurio diapazonas yra 0–100 kPa ir tikslumas ±0,1 % FS, teorinis pagrindinis paklaidos dydis yra:
100 kPa × 0,1 %=±0,1 kPa
Reikėtų pažymėti, kad faktinei matavimo paklaidai įtakos gali turėti ir tokie veiksniai kaip temperatūra, statinis slėgis, įrengimo padėtis, impulsinis vamzdynas ir ilgalaikis stabilumas. Todėl inžinerinis pasirinkimas negali tik palyginti „tikslumo skaičiaus“.
4. Perkrovos pajėgumas ir statinio slėgio įtaka
Pramonės vietose gali prasidėti vožtuvų veikimas, slėgio svyravimai, paleidimo smūgiai ir pan., todėl būtina patvirtinti siųstuvo vienos-pusės perkrovos gebą ir didžiausią statinį slėgį.
Ypač matuojant didelio statinio slėgio skirtumo slėgį, taip pat reikia atkreipti dėmesį į nulinį poslinkį, kurį sukelia statinio slėgio pokyčiai. Didelio našumo diferencinio slėgio siųstuvai paprastai sumažina šiuos efektus naudodami jutiklio struktūros dizainą ir statinio slėgio kompensavimo algoritmus.
5. Temperatūra ir vidutinės sąlygos
Būtina patikrinti proceso temperatūrą, aplinkos temperatūrą ir ar terpė nėra ėsdinanti, klampi, kristalizuojasi, ar joje nėra kietų dalelių.
Aukštos{0}}temperatūros terpėje proceso temperatūros poveikį siųstuvui galima sumažinti naudojant kondensato indus, aušinimo pelekus arba nuotolinius sandariklius; korozinėms terpėms būtina pasirinkti tinkamą diafragmą ir sudrėkintas medžiagas, atsižvelgiant į terpės pobūdį, pvz., 316L, Hastelloy, Tantalas ir kt.
6. Išvesties ir komunikacijos metodai
Įprasti išėjimai apima:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Kiti skaitmeninės komunikacijos būdai.
Tradicinėms DCS ir PLC sistemoms 4 ~ 20 mA vis dar turi didelį pritaikymą lauke; sistemoms, kurioms reikalingas nuotolinis parametrų nustatymas, diagnostika ir priežiūra, galima apsvarstyti gaminius su HART ryšio funkcija.
III. Kokie yra slėgio skirtumo matavimo pritaikymai?
Didžiausia diferencinio slėgio matavimo savybė yra ta, kad jis gali gauti kitus proceso parametrus per slėgio skirtumą, todėl jo taikymo sritis gerokai viršija paprastą "slėgio skirtumo aptikimą".
1. Dujotiekio srauto matavimas
Diferencialinio slėgio srauto matavimas yra vienas iš klasikinių pramoninių procesų matavimo pritaikymų.
Kai skystis praeina per droselio įtaisus, pvz., angų plokštes, purkštukus ar Venturi vamzdžius, skysčio greitis pasikeičia ir susidaro slėgio skirtumas prieš ir po droselio įtaiso. Pagal skysčių mechanikos ryšius yra tam tikras ryšys tarp srauto ir slėgio skirtumo kvadratinės šaknies:
Q ∝ √ΔP
Idealiomis sąlygomis jis gali būti išreikštas taip:
Q = C√ΔP
Kur Q yra srautas, o C yra išsamus koeficientas, susijęs su terpės pobūdžiu, vamzdyno struktūra ir droselio įtaisu.
Todėl, išmatavus slėgio skirtumą prieš ir po droselio įtaiso, galima netiesiogiai apskaičiuoti dujotiekio debitą.
Tikroje inžinerijoje taip pat reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip vidutinis tankis, temperatūra, slėgis, Reinoldso skaičius, droselio įtaiso struktūra ir montavimo sąlygos. Todėl norint išmatuoti didelio-tikslumo srautą, paprastai reikia kompensuoti susijusius parametrus.
2. Skysčio lygio matavimas
Slėgio skirtumo siųstuvai taip pat gali būti naudojami skysčio lygiui rezervuare matuoti naudojant skysčio kolonėlės sukuriamą slėgį.
Pagrindinis skysčio kolonėlės slėgio santykis yra toks:
ΔP=ρgh
Kur:
• ρ – skysčio tankis;
• g – pagreitis dėl gravitacijos;
• h yra skysčio lygio aukštis.
Todėl, kai tankis yra gana stabilus, skysčio lygį galima apskaičiuoti išmatuojant skysčio kolonėlės sukuriamą slėgio skirtumą.
Atvirų rezervuarų atveju skysčio lygis paprastai gali būti matuojamas naudojant santykį tarp slėgio bako apačioje ir atmosferos slėgio; uždaroms talpykloms taip pat reikia atsižvelgti į dujų fazės slėgį bako viršuje, todėl adiferencinio slėgio siųstuvaspaprastai naudojamas prijungti atitinkamai prie bako apačios ir viršaus.
Rezervuaruose, kuriuose yra aukšta temperatūra, didelis vakuumas arba lakios terpės, reikia toliau atsižvelgti į tokius veiksnius kaip kondensatas, tankio pokyčiai ir nuotoliniai sandarikliai.
3. Filtro slėgio skirtumo stebėjimas
Įprasto filtro veikimo metu filtro terpė sukuria tam tikrą slėgio nuostolį. Kai filtro elementas palaipsniui užsikemša, slėgio skirtumas priekyje ir gale nuolat didės.
Todėl prie filtro įėjimo ir išleidimo angos atitinkamai galima įrengti slėgio čiaupus, kad būtų galima stebėti realiu laiku-per diferencinio slėgio siųstuvą:
ΔP=P_įėjimas − P_išėjimas
Kai diferencinis slėgis pasiekia nustatytą vertę, valdymo sistema gali duoti aliarmą, kad primintų techninės priežiūros personalui patikrinti arba pakeisti filtro elementą.
Šis metodas plačiai naudojamas oro filtravimo, skysčių filtravimo, naftos ir dujų perdirbimo bei pramoninių dulkių šalinimo sistemose.
4. Siurblio, ventiliatoriaus ir kompresoriaus veikimo stebėjimas
Įrangoje, pvz., siurbliuose, ventiliatoriuose ir kompresoriuose, įėjimo{0}}išėjimo slėgio skirtumas gali būti vienas iš svarbių parametrų, sprendžiant apie įrangos veikimo būseną.
Pavyzdžiui, slėgio skirtumo tarp siurblio įleidimo ir išleidimo angos stebėjimas gali padėti įvertinti siurblio veikimo būklę; dujų tiekimo sistemose slėgio skirtumo pokyčiai prieš ir už ventiliatorių ar kompresorių taip pat gali būti naudojami darbo būsenos stebėjimui.
Reikėtų pažymėti, kad įrangos slėgio skirtumas negali parodyti vien įrangos sveikatos būklės. Inžinerinėse programose paprastai reikia derinti tokius parametrus kaip srauto greitis, temperatūra, vibracija ir srovė, kad būtų galima visapusiškai įvertinti.
5. Švarios sistemos ir vėdinimo sistemos
Švariose patalpose, laboratorijose, farmacijos dirbtuvėse ir vėdinimo sistemose reikia palaikyti tam tikrą slėgio gradientą tarp skirtingų zonų.
Naudojant slėgio skirtumo siųstuvus dviejų sričių slėgio skirtumui matuoti, galima nustatyti, ar švarus plotas palaikomas nurodytoje slėgio būsenoje.
Pavyzdžiui, švariose vietose, kuriose reikia palaikyti teigiamą slėgį, galima stebėti slėgio skirtumą tarp patalpos ir gretimų sričių; kai kuriose vietose, kur reikia neigiamo slėgio kontrolės, slėgio skirtumo signalas gali būti naudojamas neigiamo slėgio būsenai spręsti.
6. Sandarumo ir nuotėkio aptikimas
Tokiose srityse kaip tiksli gamyba, automobilių dalys, vožtuvų jungiamosios detalės ir medicinos prietaisai, slėgio skirtumo matavimas taip pat gali būti naudojamas hermetiškumo bandymams.
Bandymo metu į bandomąjį objektą įpilamas tam tikras bandomųjų dujų slėgis, o stebint slėgio pokytį prieš ir po bandymo galima nustatyti, ar bandomasis objektas neturi nuotėkio.
Norint aptikti žemą slėgio skirtumą ir mikro{0}}nutekėjimą, slėgio skirtumo jutiklio skyrai, stabilumui, temperatūros kompensavimui ir reakcijos greičiui paprastai keliami aukštesni reikalavimai.
IV. Pagrindinės diferencinio slėgio matavimo inžinerinės problemos
Slėgio skirtumo matavimas gali atrodyti paprastas, tačiau faktinėse inžinerinėse programose yra daug įtakos turinčių veiksnių.
Pirma, tai impulsinė vamzdynų sistema. Matavimo rezultatams gali turėti įtakos impulsinių linijų ilgis, vidinis skersmuo, montavimo aukštis ir tai, ar linijų viduje yra oro burbuliukų, skysčio kaupimosi ar dalelių nusėdimo. Skystoms terpėms būtina vengti dujų patekimo į impulsines linijas; dujinėms terpėms būtina vengti kondensato kaupimosi.
Antra, diegimo būdas. Slėgio skirtumo siųstuvo aukšto ir žemo slėgio pusės turi būti tinkamai prijungtos prie proceso vamzdynų ir, atsižvelgiant į vidutinę būseną, turi būti parinkta pagrįsta slėgio išleidimo padėtis. Tokioms terpėms kaip aukštos -temperatūros garai, taip pat būtina naudoti kondensatą, kad susidarytų skysčio sandariklis, kad aukštos -temperatūros terpė nepatektų tiesiai į siųstuvą.
Trečia – temperatūros poveikis. Pats jutiklis turi temperatūros charakteristikas, o terpės temperatūros pokyčiai taip pat gali sukelti tankio pokyčius. Todėl norint tiksliai-matuoti slėgio skirtumą, paprastai reikia kompensuoti temperatūrą, o kai kurioms srauto ir skysčio lygio programoms dar reikia tankio kompensavimo.
Be to, naudojant aukštą statinį slėgį ir žemą slėgio skirtumą, ypatingas dėmesys turi būti skiriamas statinio slėgio įtakai, perkrovos pajėgumui ir nuliniam{0}}taško stabilumui. Pavyzdžiui, matuojant nedidelį kelių kPa slėgio skirtumą esant kelių MPa ar net didesniam vamzdyno slėgiui, jutiklis turi ne tik atlaikyti didelį statinį slėgį, bet ir tiksliai išspręsti labai mažus diferencinio slėgio pokyčius, o tai kelia didesnius reikalavimus jutiklio struktūrai ir signalų apdorojimo technologijai.
V. Santrauka
Slėgio skirtumo matavimo esmė yra tiksliai nustatyti slėgio skirtumą tarp dviejų slėgio taškų, kurių pagrindinė formulė yra ΔP=P₁−P₂. Naudojant šį pagrindinį parametrą, galima toliau matuoti įvairius pramoninius parametrus, tokius kaip srauto greitis, skysčio lygis, filtro slėgio skirtumas, įrangos veikimo būsena ir sandarumas.
Faktinėje inžinerijoje pasirinkimasdiferencinio slėgio siųstuvaiturėtų ne tik sutelkti dėmesį į matavimo diapazoną ir tikslumą, bet ir visapusiškai atsižvelgti į statinį slėgį, perkrovos gebą, statinio slėgio įtaką, temperatūros diapazoną, terpės charakteristikas, sudrėkintas medžiagas, impulsinės linijos metodą, išėjimo signalą ir įrengimo sąlygas.
Nuolat tobulinant pramonės automatizavimo ir procesų valdymo sistemas, slėgio skirtumo matavimas keičiasi nuo tradicinio vieno{0}}parametro aptikimo prie didelio tikslumo, skaitmeninimo ir išmaniosios diagnostikos. Sudėtingomis pramoninėmis sąlygomis jutiklių technologija, temperatūros kompensavimas, statinio slėgio kompensavimas ir skaitmeninio signalo apdorojimo galimybės tiesiogiai paveiks slėgio skirtumo matavimo sistemos ilgalaikį stabilumą ir praktinio taikymo efektyvumą.
