Мерење диференцијалног притиска је неопходно у индустријским контролним процесима. Његово језгро је мерење разлике притиска између две различите тачке у истом цевоводу, резервоару, опреми или процесу, тј. разлика притиска између стране високог{3}}притиска и стране ниског-притиска. У поређењу са мерењем притиска у једној-тачки, мерење диференцијалног притиска не само да одражава промене у самом притиску, већ се може даље користити и за индиректно мерење параметара као што су брзина протока, ниво течности, диференцијални притисак филтера и радни статус опреме. Због тога се широко користи у индустријама као што су нафта, природни гас, хемијска, енергетска, фармацеутска, прехрамбена, металуршка и третман воде.
У стварним индустријским локацијама, диференцијални притисак се обично детектује помоћу трансмитера диференцијалног притиска. Предајник уводи два измерена притиска преко стране високог-стране високог притиска (Х) и стране ниског-страног притиска (Л), респективно. Након што сензор осети дејство притиска са обе стране, он претвара разлику притиска у електрични сигнал. Након обраде сигнала, компензације температуре и израчунавања линеаризације, он емитује стандардне сигнале као што су 4~20мА, ХАРТ, РС485/Модбус, обезбеђујући стабилне податке мерења процеса за контролне системе, ПЛЦ-ове, ДЦС или системе за прикупљање података.
Кључ за мерење диференцијалног притиска није само „мерење два притиска, а затим њихово одузимање“, већ свеобухватно разматрање фактора као што су опсег мерења, статички притисак, температура, средња густина, метод инсталације, импулсни систем цевовода и перформансе сензора. Посебно у условима рада као што су висок статички притисак, низак диференцијални притисак, висока температура и корозивни медији, мерење диференцијалног притиска поставља високе захтеве за структуру сензора, алгоритме температурне компензације и укупни квалитет инсталације инструмента.
И. Шта је диференцијални притисак?
1. Основни концепти диференцијалног притиска
Диференцијални притисак (ДП) је разлика притиска између две тачке мерења притиска, а његов основни однос је:
ΔP = P₁ − P₂
где:
• ΔП: Диференцијални притисак;
• П₁: Висок{0}}бочни притисак;
• П₂: Низак{0}}бочни притисак.
На пример, ако је улазни притисак одређене опреме у цевоводу 0,80 МПа, а излазни притисак 0,65 МПа, диференцијални притисак између две тачке је:
ΔП=0.80 − 0.65=0.15 МПа
Знак диференцијалног притиска зависи од дефиниције стране високог и ниског{0}}притиска. Када је високи{2}}бочни притисак већи од ниског{3}}бочног притиска, излаз је позитиван диференцијални притисак; обрнуто, може се манифестовати као негативан диференцијални притисак. Због тога, приликом избора и уградње трансмитера диференцијалног притиска, потребно је правилно потврдити кореспонденцију између Х и Л интерфејса и процесног цевовода.
2. Принцип рада мерења диференцијалног притиска
Типичнотрансмитер диференцијалног притискауглавном се састоји од интерфејса притиска, изолационих дијафрагми, језгра сензора, кола за обраду сигнала, модула температурне компензације и излазних кола.
Процесни медијуми улазе на страну високог{0}}притиска и страну ниског{1}}притиска трансмитера. Притисци са обе стране делују на осетљиви елемент кроз систем изолације, узрокујући да сензор производи физичке промене у вези са разликом притиска. Узимајући капацитивну, пиезорезитивну или монокристалну технологију сензора притиска као примере, сензор претвара ову механичку промену у електрични сигнал.
Након аналогне-у-дигиталне конверзије, дигиталног филтрирања, температурне компензације, линеаризације и калибрације, инструмент конвертује измерени диференцијални притисак у стандардни излазни сигнал.
За излазни предајник диференцијалног притиска од 4 ~ 20 мА, његов теоретски излаз се може изразити као:
И=4мА + 16мА × (ΔП − ΔПмин) / (ΔПмак − ΔПмин)
На пример, ако је опсег мерења диференцијалног притиска 0~100кПа, када је стварни диференцијални притисак 50кПа, теоретски излаз је:
И=4 + 16 × 50/100=12 мА
Према томе, контролни систем може закључити стварни диференцијални притисак на основу излазног сигнала предајника.
3. Разлика између диференцијалног притиска и статичког притиска
Веома важан концепт у мерењу диференцијалног притиска је „статички притисак“.
Претпоставимо да је високи{0}}бочни притисак 10МПа, а ниски-притисак 9,9МПа, онда:
ΔП=10 − 9.9=0.1 МПа
У овом тренутку, иако је измерени диференцијални притисак само 0,1 МПа, стварни статички притисак који преноси предајник може бити близу 10 МПа.
Према томе, трансмитер диференцијалног притиска не само да мора да испуни захтев за опсег диференцијалног притиска, већ и да испуни захтев за максимални радни статички притисак.
Ово је такође једна од битних разлика између мерења диференцијалног притиска и обичног мерења притиска у смислу избора. За апликације високог статичког притиска, ниског диференцијалног притиска, ако се узме у обзир само опсег диференцијалног притиска уз игнорисање могућности статичког притиска, то може изазвати значајан утицај статичког притиска на сензор, чиме се смањује тачност мерења.
ИИ. Како проверити техничке параметре за диференцијални притисак
Меасуремент
Избор трансмитера диференцијалног притиска не треба само да гледа на „домет“ и „тачност“. У практичним применама, препоручује се систематска провера према следећим параметрима.
1. Опсег мерења
Прво одредите минимални диференцијални притисак, нормални диференцијални притисак и максимални диференцијални притисак који се заиста може појавити у процесном систему.
На пример, нормалан пад притиска одређеног филтера током рада је око 20кПа, а може да достигне 80кПа у условима зачепљења. Одговарајући опсег диференцијалног притиска може се изабрати у складу са захтевима процеса.
Ако је опсег превелик, стварна радна тачка ће бити у интервалу доњег опсега дуго времена, што утиче на ефективну резолуцију мерења; ако је опсег премали, може премашити опсег под ненормалним радним условима.
2. Статички притисак
Статички притисак је параметар на који се мора обратити посебна пажња при избору трансмитера диференцијалног притиска.
на пример:
• Опсег диференцијалног притиска: 0~10кПа
• Притисак у цевоводу: 4МПа
• Стварни диференцијални притисак: 5кПа
У овом тренутку, не може се једноставно сматрати да инструмент треба да испуни само капацитет притиска од 10кПа; такође је потребно потврдити да предајник може да издржи радни статички притисак од око 4МПа и проверити утицај статичког притиска на нулту тачку и опсег.
3. Тачност
Тачност трансмитера диференцијалног притиска обично се изражава као проценат пуне скале, као што су ±0,1%ФС, ±0,075%ФС, итд.
За предајник са опсегом од 0~100кПа и тачношћу од ±0,1%ФС, теоретска основна величина грешке је:
100кПа × 0,1%=±0,1кПа
Треба напоменути да на стварну грешку мерења могу да утичу и фактори као што су температура, статички притисак, положај инсталације, импулсни цевовод и дугорочна{0}}стабилност. Стога, инжењерски одабир не може само да упореди „број тачности“.
4. Капацитет преоптерећења и утицај статичког притиска
Индустријске локације могу да доживе неисправан рад вентила, флуктуације притиска, ударе при покретању итд., тако да је неопходно потврдити капацитет преоптерећења на једној-страни трансмитера и максимални статички притисак.
Посебно код мерења диференцијалног притиска високог статичког притиска, пажња се такође мора обратити на померање нуле узроковано променама статичког притиска. Предајници диференцијалног притиска високих{1}}перформанси обично смањују ове ефекте кроз дизајн структуре сензора и алгоритаме за статичку компензацију притиска.
5. Температура и услови средине
Потребно је проверити температуру процеса, температуру околине и да ли је медијум корозиван, вискозан, кристализујући или садржи чврсте честице.
За медијуме са високом{0}}температуром, утицај температуре процеса на трансмитер може да се смањи кроз посуде за кондензат, расхладна ребра или удаљене заптивке; за корозивне медије потребно је одабрати одговарајућу дијафрагму и влажне материјале на основу природе медија, као што су 316Л, Хастеллои, Тантал, итд.
6. Излазне и комуникационе методе
Уобичајени резултати укључују:
• 4~20мА;
• 4~20мА + ХАРТ;
• РС485/Модбус РТУ;
• Друге методе дигиталне комуникације.
За традиционалне ДЦС и ПЛЦ системе, 4~20мА и даље има високу примену на терену; за системе који захтевају даљинско подешавање параметара, дијагностику и одржавање, могу се размотрити производи са функционалношћу ХАРТ комуникације.
ИИИ. Које су примене мерења диференцијалног притиска?
Највећа карактеристика мерења диференцијалног притиска је да може да добије друге процесне параметре кроз разлику притиска, тако да његов опсег примене далеко превазилази једноставну „детекцију разлике у притиску“.
1. Мерење протока у цевоводу
Мерење протока диференцијалног притиска је једна од класичних примена у мерењу индустријских процеса.
Када течност прође кроз уређаје за пригушивање као што су отворне плоче, млазнице или Вентури цеви, брзина течности се мења, стварајући разлику притиска пре и после уређаја за пригушивање. Према односима механике флуида, постоји одређена веза између брзине протока и квадратног корена диференцијалног притиска:
Q ∝ √ΔP
У идеалним условима, то се може изразити као:
Q = C√ΔP
Где је К брзина протока, а Ц је свеобухватни коефицијент повезан са природом медијума, структуром цевовода и уређајем за пригушивање.
Стога, мерењем диференцијалног притиска пре и после уређаја за пригушивање, брзина протока у цевоводу се може индиректно израчунати.
У стварном инжењерингу, фактори као што су средња густина, температура, притисак, Реинолдсов број, структура уређаја за пригушивање и услови инсталације такође морају бити узети у обзир. Због тога, високо{1}}меравање протока обично захтева компензацију повезаних параметара.
2. Мерење нивоа течности
Предајници диференцијалног притиска се такође могу користити за мерење нивоа течности у резервоару користећи притисак који ствара колона течности.
Основни однос за притисак у колони течности је:
ΔП=ρгх
где:
• ρ је густина течности;
• г је убрзање услед гравитације;
• х је висина нивоа течности.
Стога, када је густина релативно стабилна, ниво течности се може израчунати мерењем диференцијалног притиска који ствара колона течности.
За отворене резервоаре, ниво течности се обично може мерити коришћењем односа између притиска на дну резервоара и атмосферског притиска; за затворене резервоаре, притисак гасне фазе на врху резервоара се такође мора узети у обзир, тако да атрансмитер диференцијалног притискасе обично користи за повезивање са дном и врхом резервоара.
У резервоарима са високом температуром, високим вакуумом или испарљивим медијима, фактори као што су кондензат, промене густине и удаљене заптивке треба даље размотрити.
3. Праћење диференцијалног притиска филтера
Током нормалног рада филтера, филтер медијум производи одређени губитак притиска. Како се елемент филтера постепено зачепљује, разлика притиска између предње и задње стране ће се стално повећавати.
Због тога, славине за притисак могу да се инсталирају на улазу и излазу филтера за праћење у реалном-времену преко трансмитера диференцијалног притиска:
ΔП=П_улаз − П_излаз
Када диференцијални притисак достигне задату вредност, контролни систем може да изда аларм да подсети особље за одржавање да провери или замени филтерски елемент.
Ова метода се широко користи у филтрацији ваздуха, течности, преради нафте и гаса и индустријским системима за уклањање прашине.
4. Надгледање рада пумпе, вентилатора и компресора
У опреми као што су пумпе, вентилатори и компресори, улазни{0}}излазни диференцијални притисак може послужити као један од важних параметара за процену радног статуса опреме.
На пример, праћење разлике притиска између улаза и излаза пумпе може помоћи у процени радног стања пумпе; у системима за транспорт гаса, промене у диференцијалном притиску пре и после вентилатора или компресора се такође могу користити за праћење радног статуса.
Треба напоменути да диференцијални притисак опреме не може само да представља здравствени статус опреме. У инжењерским апликацијама, обично је потребно комбиновати параметре као што су брзина протока, температура, вибрације и струја за свеобухватну процену.
5. Очистите системе и вентилационе системе
У чистим просторијама, лабораторијама, фармацеутским радионицама и системима за руковање ваздухом, потребно је одржавати одређени градијент притиска између различитих области.
Коришћењем трансмитера диференцијалног притиска за мерење разлике притиска између две области, може се утврдити да ли се чиста област одржава у одређеном стању притиска.
На пример, у чистим областима које треба да одржавају позитиван притисак, може се пратити разлика притиска између просторије и суседних области; на неким местима која захтевају контролу негативног притиска, сигнал диференцијалног притиска се може користити за процену стања негативног притиска.
6. Непропусност и детекција цурења
У областима као што су прецизна производња, аутомобилски делови, арматуре вентила и медицински уређаји, мерење диференцијалног притиска се такође може користити за испитивање херметичности.
Током процеса испитивања, одређени притисак испитног гаса се пуни у испитни објекат, а праћењем промене притиска пре и после испитивања може се утврдити да ли испитни објекат има цурења.
За детекцију ниског диференцијалног притиска и микро-цурења, обично се постављају виши захтеви за резолуцију сензора диференцијалног притиска, стабилност, температурну компензацију и брзину одзива.
ИВ. Кључна инжењерска питања у мерењу диференцијалног притиска
Мерење диференцијалног притиска може изгледати једноставно, али постоји више фактора који утичу на стварне инжењерске апликације.
Прво је импулсни систем цевовода. Дужина, унутрашњи пречник, висина уградње импулсних водова и да ли постоје мехурићи ваздуха, акумулација течности или таложење честица унутар водова могу утицати на резултате мерења. За течне медије потребно је избегавати улазак гаса у импулсне водове; за гасне медије потребно је избегавати акумулацију кондензата.
Други је начин инсталације. Стране високог и ниског{1}}притиска трансмитера диференцијалног притиска морају бити исправно повезане са процесним цевоводом, а разуман положај за урезивање притиска треба да се изабере на основу средњег стања. За медијуме као што је пара са високом{3}} температуром, такође је неопходно користити кондензат за формирање течног заптивача како би се спречило да медијум високе{4}}медије директно уђе у предајник.
Трећи је температурни ефекат. Сам сензор има температурне карактеристике, а промене температуре медија такође могу изазвати промене густине. Стога, високо{2}}прецизно мерење диференцијалног притиска обично захтева температурну компензацију, а неке апликације за проток и ниво течности додатно захтевају компензацију густине.
Поред тога, за апликације високог статичког притиска, ниског диференцијалног притиска, посебна пажња се мора посветити утицају статичког притиска, капацитету преоптерећења и стабилности нулте{0}}тачке. На пример, када се мери мали диференцијални притисак од неколико кПа под притисцима цевовода од неколико МПа или чак и више, сензор не само да мора да издржи висок статички притисак, већ и да прецизно реши веома мале промене диференцијалног притиска, што поставља веће захтеве за структуру сензора и технологију обраде сигнала.
В. Резиме
Суштина мерења диференцијалног притиска је да се тачно добије разлика притиска између две тачке притиска, при чему је основна формула ΔП=П₁−П₂. Преко овог основног параметра могу се даље реализовати мерења различитих индустријских параметара као што су проток, ниво течности, диференцијални притисак филтера, радни статус опреме и херметичност.
У стварном инжењерингу, избор одтрансмитери диференцијалног притискане само да треба да се фокусира на опсег мерења и тачност, већ и да свеобухватно размотри статички притисак, капацитет преоптерећења, утицај статичког притиска, температурни опсег, карактеристике медија, влажне материјале, метод импулсне линије, излазни сигнал и услове инсталације.
Уз континуирани развој индустријске аутоматизације и система за контролу процеса, мерење диференцијалног притиска се развија од традиционалног{0}}детекције једног параметра ка високој прецизности, дигитализацији и интелигентној дијагностици. За сложене индустријске радне услове, сензорска технологија, температурна компензација, статичка компензација притиска и могућности дигиталне обраде сигнала ће директно утицати на дугорочну-стабилност и ефективност практичне примене система за мерење диференцијалног притиска.
