Măsurarea presiunii diferențiale este indispensabilă în procesele de control industrial. Miezul său este de a măsura diferența de presiune dintre două puncte diferite din aceeași conductă, rezervor, echipament sau proces, adică diferența de presiune dintre partea de presiune înaltă-și partea de presiune joasă-. În comparație cu măsurarea presiunii într-un singur-punct, măsurarea presiunii diferențiale nu numai că reflectă modificările presiunii în sine, ci poate fi folosită și pentru măsurarea indirectă a parametrilor cum ar fi debitul, nivelul lichidului, presiunea diferențială a filtrului și starea de funcționare a echipamentului. Prin urmare, este utilizat pe scară largă în industrii precum petrol, gaze naturale, chimie, energie, farmaceutică, alimentară, metalurgie și tratarea apei.
În locurile industriale reale, presiunea diferențială este de obicei detectată folosind un transmițător de presiune diferențială. Transmițătorul introduce două presiuni măsurate prin partea de-presiune înaltă (H) și, respectiv, pe partea de-presiune joasă (L). După ce senzorul detectează acțiunea presiunii pe ambele părți, transformă diferența de presiune într-un semnal electric. După procesarea semnalului, compensarea temperaturii și calculele de liniarizare, emite semnale standard, cum ar fi 4~20mA, HART, RS485/Modbus, oferind date stabile de măsurare a procesului pentru sisteme de control, PLC-uri, DCS sau sisteme de achiziție de date.
Cheia pentru măsurarea presiunii diferențiale nu este doar „măsurarea a două presiuni și apoi scăderea lor”, ci mai degrabă luarea în considerare cuprinzătoare a factorilor cum ar fi domeniul de măsurare, presiunea statică, temperatura, densitatea medie, metoda de instalare, sistemul de conducte de impuls și performanța senzorului. În special în condiții de funcționare, cum ar fi presiunea statică ridicată, presiunea diferențială scăzută, temperatură ridicată și mediile corozive, măsurarea presiunii diferențiale impune cerințe mari asupra structurii senzorului, algoritmilor de compensare a temperaturii și calității generale a instalării instrumentului.
I. Ce este presiunea diferențială?
1. Concepte de bază ale presiunii diferențiale
Presiunea diferențială (DP) este diferența de presiune dintre două puncte de măsurare a presiunii, iar relația sa de bază este:
ΔP = P₁ − P₂
Unde:
• ΔP: Presiune diferențială;
• P₁: presiune laterală-înaltă;
• P₂: presiune laterală -scăzută.
De exemplu, dacă presiunea de intrare a unui anumit echipament într-o conductă este de 0,80 MPa și presiunea de ieșire este de 0,65 MPa, presiunea diferențială dintre cele două puncte este:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Semnul presiunii diferențiale depinde de definiția părților de înaltă și joasă presiune{0}}. Când presiunea laterală-înaltă este mai mare decât presiunea-inferioară, ieșirea este presiune diferențială pozitivă; dimpotrivă, se poate manifesta ca presiune diferențială negativă. Prin urmare, în timpul selecției și instalării transmițătoarelor de presiune diferențială, este necesar să se confirme corect corespondența dintre interfețele H și L și conductele de proces.
2. Principiul de funcționare al măsurării presiunii diferențiale
Un tipictransmițător de presiune diferențialăconstă în principal din interfețe de presiune, diafragme de izolare, miez de senzor, circuite de procesare a semnalului, module de compensare a temperaturii și circuite de ieșire.
Mediile de proces intră pe partea de-presiune înaltă și, respectiv, pe partea de-presiune joasă a transmițătorului. Presiunile de pe ambele părți acționează asupra elementului sensibil prin sistemul de izolare, determinând senzorul să producă modificări fizice legate de diferența de presiune. Luând ca exemple tehnologiile de detectare a presiunii din siliciu capacitiv, piezoresistiv sau monocristalin, senzorul transformă această schimbare mecanică într-un semnal electric.
După conversia analog-în-digitală, filtrarea digitală, compensarea temperaturii, liniarizarea și calibrarea, instrumentul convertește presiunea diferențială măsurată într-un semnal de ieșire standard.
Pentru un transmițător de presiune diferențială de ieșire de 4~20mA, ieșirea sa teoretică poate fi exprimată astfel:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
De exemplu, dacă domeniul de măsurare a presiunii diferențiale este 0~100kPa, când presiunea diferențială reală este de 50kPa, rezultatul teoretic este:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Prin urmare, sistemul de control poate deduce presiunea diferențială reală pe baza semnalului de ieșire al transmițătorului.
3. Diferența dintre presiunea diferențială și presiunea statică
Un concept foarte important în măsurarea presiunii diferențiale este „presiunea statică”.
Să presupunem că presiunea laterală-înaltă este de 10MPa și presiunea-inferioară este de 9,9MPa, apoi:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
În acest moment, deși presiunea diferențială măsurată este de numai 0,1 MPa, presiunea statică reală suportată de transmițător poate fi aproape de 10 MPa.
Prin urmare, transmițătorul de presiune diferențială nu trebuie să îndeplinească numai cerințele pentru intervalul de presiune diferențială, ci și cerințele de presiune statică maximă de lucru.
Aceasta este, de asemenea, una dintre diferențele importante dintre măsurarea presiunii diferențiale și măsurarea presiunii obișnuite în ceea ce privește selecția. Pentru aplicații cu presiune statică mare, presiune diferențială scăzută, dacă se ia în considerare doar intervalul de presiune diferențială ignorând capacitatea de presiune statică, aceasta poate cauza o influență semnificativă a presiunii statice asupra senzorului, reducând astfel precizia măsurării.
II. Cum se verifică parametrii tehnici pentru presiunea diferențială
Măsurare
Selectarea unui transmițător de presiune diferențială nu ar trebui să se uite doar la „gamă” și „precizie”. În aplicațiile practice, se recomandă verificarea sistematică în funcție de următorii parametri.
1. Domeniul de măsurare
Mai întâi, determinați presiunea diferențială minimă, presiunea diferențială normală și presiunea diferențială maximă care pot apărea de fapt în sistemul de proces.
De exemplu, căderea normală de presiune a unui anumit filtru în timpul funcționării este de aproximativ 20 kPa și poate ajunge la 80 kPa în condiții de înfundare. Un interval de presiune diferențială adecvat poate fi selectat în funcție de cerințele procesului.
Dacă intervalul este prea mare, punctul real de operare va fi în intervalul inferior interval pentru o lungă perioadă de timp, afectând rezoluția efectivă de măsurare; dacă intervalul este prea mic, acesta poate depăși intervalul în condiții anormale de funcționare.
2. Presiune statică
Presiunea statică este un parametru căruia trebuie acordată o atenție deosebită atunci când se selectează transmițătoarele de presiune diferențială.
De exemplu:
• Interval de presiune diferențială: 0~10kPa
• Presiunea conductei: 4MPa
• Presiune diferenţială reală: 5kPa
În acest moment, nu se poate considera pur și simplu că instrumentul trebuie să îndeplinească doar capacitatea de presiune de 10kPa; de asemenea, este necesar să se confirme că transmițătorul poate rezista la o presiune statică de lucru de aproximativ 4MPa și să se verifice influența presiunii statice asupra punctului și intervalului zero.
3. Precizie
Precizia transmițătorilor de presiune diferențială este de obicei exprimată ca procent din scara completă, cum ar fi ±0,1%FS, ±0,075%FS etc.
Pentru un transmițător cu o gamă de 0 ~ 100 kPa și o precizie de ± 0,1% FS, mărimea erorii de bază teoretică este:
100kPa × 0,1%=±0,1kPa
Trebuie remarcat faptul că eroarea reală de măsurare poate fi, de asemenea, afectată de factori precum temperatura, presiunea statică, poziția de instalare, conductele de impuls și stabilitatea pe termen lung-. Prin urmare, selecția de inginerie nu poate compara doar un „număr de precizie”.
4. Capacitatea de suprasarcină și influența presiunii statice
Locurile industriale pot avea o funcționare greșită a supapelor, fluctuații de presiune, șocuri de pornire etc., așa că este necesar să se confirme capacitatea de suprasarcină a transmițătorului pe o singură parte-și presiunea statică maximă.
În special în măsurarea presiunii diferențiale de presiune statică ridicată, trebuie acordată atenție și derivei zero cauzate de modificările presiunii statice. Transmițătoarele de presiune diferențială de înaltă-performanță reduc de obicei aceste efecte prin proiectarea structurii senzorilor și prin algoritmi de compensare a presiunii statice.
5. Temperatura și condițiile medii
Este necesar să se verifice temperatura procesului, temperatura ambiantă și dacă mediul este corosiv, vâscos, cristalizant sau conține particule solide.
Pentru mediile cu temperatură înaltă-, impactul temperaturii procesului asupra transmițătorului poate fi redus prin vase de condens, aripioare de răcire sau etanșări la distanță; pentru mediile corozive, este necesar să se selecteze diafragma și materialele umede adecvate pe baza naturii mediului, cum ar fi 316L, Hastelloy, Tantal etc.
6. Ieșire și metode de comunicare
Ieșirile comune includ:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Alte metode de comunicare digitală.
Pentru sistemele tradiționale DCS și PLC, 4~20mA are încă aplicabilitate în câmp ridicat; pentru sistemele care necesită setarea de la distanță a parametrilor, diagnosticare și întreținere, pot fi luate în considerare produsele cu funcționalitate de comunicare HART.
III. Care sunt aplicațiile măsurării presiunii diferențiale?
Cea mai mare caracteristică a măsurării presiunii diferențiale este că poate obține alți parametri de proces prin diferența de presiune, astfel încât domeniul său de aplicare depășește cu mult simpla „detecție a diferenței de presiune”.
1. Măsurarea debitului conductei
Măsurarea debitului de presiune diferențială este una dintre aplicațiile clasice în măsurarea proceselor industriale.
Când fluidul trece prin dispozitive de reglare, cum ar fi plăcile cu orificii, duzele sau tuburile Venturi, viteza fluidului se modifică, creând o diferență de presiune înainte și după dispozitivul de reglare. Conform relațiilor de mecanică a fluidelor, există o anumită relație între debitul și rădăcina pătrată a presiunii diferențiale:
Q ∝ √ΔP
În condiții ideale, poate fi exprimat astfel:
Q = C√ΔP
Unde Q este debitul, iar C este un coeficient cuprinzător legat de natura mediului, structura conductei și dispozitivul de reglare.
Prin urmare, prin măsurarea presiunii diferențiale înainte și după dispozitivul de reglare, debitul conductei poate fi calculat indirect.
În ingineria actuală, trebuie să se ia în considerare și factori precum densitatea medie, temperatura, presiunea, numărul Reynolds, structura dispozitivului de reglare și condițiile de instalare. Prin urmare, măsurarea-de înaltă precizie a debitului necesită de obicei compensarea parametrilor corelați.
2. Măsurarea nivelului de lichid
Transmițătoarele de presiune diferențială pot fi, de asemenea, utilizate pentru a măsura nivelurile de lichid din rezervor folosind presiunea generată de coloana de lichid.
Relația de bază pentru presiunea coloanei de lichid este:
ΔP=ρgh
Unde:
• ρ este densitatea lichidului;
• g este accelerația datorată gravitației;
• h este înălțimea nivelului lichidului.
Prin urmare, atunci când densitatea este relativ stabilă, nivelul lichidului poate fi calculat prin măsurarea presiunii diferențiale generate de coloana de lichid.
Pentru rezervoarele deschise, nivelul lichidului poate fi măsurat de obicei utilizând relația dintre presiunea de la fundul rezervorului și presiunea atmosferică; pentru rezervoarele închise trebuie luată în considerare și presiunea fazei gazoase din partea superioară a rezervorului, deci atransmițător de presiune diferențialăeste de obicei folosit pentru a conecta la partea de jos și, respectiv, la partea superioară a rezervorului.
În rezervoarele cu temperatură înaltă, vid înalt sau medii volatile, factori precum condensul, modificările densității și etanșările de la distanță trebuie luate în considerare în continuare.
3. Monitorizarea presiunii diferenţiale a filtrului
În timpul funcționării normale a filtrului, mediul de filtrare produce o anumită pierdere de presiune. Pe măsură ce elementul de filtru se înfundă treptat, diferența de presiune dintre față și spate va crește continuu.
Prin urmare, robinete de presiune pot fi instalate la intrarea și, respectiv, la ieșirea filtrului pentru a monitoriza în timp real-prin intermediul unui transmițător de presiune diferențială:
ΔP=P_inlet − P_outlet
Când presiunea diferențială atinge valoarea setată, sistemul de control poate emite o alarmă pentru a reaminti personalului de întreținere să verifice sau să înlocuiască elementul filtrant.
Această metodă este utilizată pe scară largă în filtrarea aerului, filtrarea lichidelor, prelucrarea petrolului și a gazelor și sistemele industriale de îndepărtare a prafului.
4. Monitorizarea funcționării pompei, ventilatorului și compresorului
În echipamente precum pompele, ventilatoarele și compresoarele, presiunea diferențială la intrare{0}}ieșire poate servi drept unul dintre parametrii importanți pentru evaluarea stării de funcționare a echipamentului.
De exemplu, monitorizarea diferenței de presiune dintre intrarea și ieșirea pompei poate ajuta la evaluarea stării de funcționare a pompei; în sistemele de transport de gaz, modificările presiunii diferențiale înainte și după ventilatoare sau compresoare pot fi utilizate și pentru monitorizarea stării de funcționare.
Trebuie remarcat faptul că presiunea diferențială a echipamentului nu poate reprezenta doar starea de sănătate a echipamentului. În aplicațiile de inginerie, este de obicei necesar să combinați parametri precum debitul, temperatura, vibrațiile și curentul pentru o evaluare cuprinzătoare.
5. Sisteme curate si sisteme de ventilatie
În camerele curate, laboratoarele, atelierele farmaceutice și sistemele de tratare a aerului, trebuie menținut un anumit gradient de presiune între diferite zone.
Folosind transmițătoare de presiune diferențială pentru a măsura diferența de presiune dintre două zone, se poate determina dacă zona curată este menținută la starea de presiune specificată.
De exemplu, în zonele curate care trebuie să mențină presiunea pozitivă, diferența de presiune dintre încăpere și zonele adiacente poate fi monitorizată; în unele locuri care necesită control al presiunii negative, semnalul de presiune diferențială poate fi utilizat pentru a judeca starea presiunii negative.
6. Etanşeitatea la aer şi detectarea scurgerilor
În domenii precum producția de precizie, piese auto, fitinguri pentru supape și dispozitive medicale, măsurarea presiunii diferențiale poate fi utilizată și pentru testarea etanșeității.
În timpul procesului de testare, o anumită presiune a gazului de testare este încărcată în obiectul de testat, iar prin monitorizarea schimbării presiunii înainte și după test, se poate determina dacă obiectul de testat are scurgeri.
Pentru detectarea presiunii diferențiale scăzute și a micro-scurgerii, de obicei sunt impuse cerințe mai mari privind rezoluția, stabilitatea, compensarea temperaturii și viteza de răspuns ale senzorului de presiune diferențială.
IV. Probleme cheie de inginerie în măsurarea presiunii diferențiale
Măsurarea presiunii diferențiale poate părea simplă, dar există mai mulți factori de influență în aplicațiile reale de inginerie.
Primul este sistemul de conducte de impuls. Lungimea, diametrul interior, înălțimea de instalare a liniilor de impuls și dacă există bule de aer, acumulare de lichid sau depunere de particule în interiorul liniilor pot afecta rezultatele măsurării. Pentru mediile lichide, este necesar să se evite intrarea gazului în liniile de impuls; pentru mediile gazoase, este necesar să se evite acumularea condensului.
A doua este metoda de instalare. Părțile de presiune înaltă și joasă-ale transmițătorului de presiune diferențială trebuie să fie conectate corect la conducta de proces și trebuie selectată o poziție rezonabilă de atingere a presiunii în funcție de starea medie. Pentru medii, cum ar fi aburul cu temperatură înaltă, este, de asemenea, necesar să folosiți condens pentru a forma o etanșare lichidă pentru a preveni intrarea directă a mediului cu temperatură înaltă în transmițător.
Al treilea este efectul temperaturii. Senzorul în sine are caracteristici de temperatură, iar modificările temperaturii medii pot provoca, de asemenea, modificări ale densității. Prin urmare, măsurarea presiunii diferențiale de înaltă-precizie necesită, de obicei, compensarea temperaturii, iar unele aplicații de debit și nivel de lichid necesită suplimentar compensarea densității.
În plus, pentru aplicații cu presiune statică mare, presiune diferențială scăzută, trebuie acordată o atenție deosebită influenței presiunii statice, capacității de suprasarcină și stabilității punctului zero-. De exemplu, atunci când se măsoară o presiune diferențială mică de câțiva kPa sub presiuni în conductă de câțiva MPa sau chiar mai mari, senzorul nu trebuie să reziste doar la presiune statică ridicată, ci și să rezolve cu precizie schimbările de presiune diferențială foarte mici, ceea ce impune cerințe mai mari asupra structurii senzorului și tehnologiei de procesare a semnalului.
V. Rezumat
Esența măsurării presiunii diferențiale este obținerea cu precizie a diferenței de presiune dintre două puncte de presiune, formula de bază fiind ΔP=P₁−P₂. Prin acest parametru fundamental, pot fi realizate în continuare măsurători ale diferiților parametri industriali, cum ar fi debitul, nivelul lichidului, presiunea diferențială a filtrului, starea de funcționare a echipamentului și etanșeitatea la aer.
În inginerie efectivă, selecția detransmitatoare de presiune diferentialanu ar trebui să se concentreze numai pe domeniul de măsurare și acuratețe, ci și să ia în considerare în mod cuprinzător presiunea statică, capacitatea de suprasarcină, influența presiunii statice, intervalul de temperatură, caracteristicile medii, materialele umede, metoda liniei de impuls, semnalul de ieșire și condițiile de instalare.
Odată cu dezvoltarea continuă a sistemelor de automatizare industrială și de control al proceselor, măsurarea presiunii diferențiale evoluează de la detectarea tradițională cu un singur-parametru la o precizie ridicată, digitalizare și diagnosticare inteligentă. Pentru condiții industriale complexe de funcționare, tehnologia senzorilor, compensarea temperaturii, compensarea presiunii statice și capabilitățile de procesare a semnalului digital vor afecta direct stabilitatea pe termen lung și eficacitatea aplicării practice a sistemului de măsurare a presiunii diferențiale.
