Pomiar różnicy ciśnień jest niezbędny w przemysłowych procesach sterowania. Jego istotą jest pomiar różnicy ciśnień pomiędzy dwoma różnymi punktami tego samego rurociągu, zbiornika, sprzętu lub procesu, tj. różnicy ciśnień pomiędzy stroną wysokiego-i stroną-niskiego ciśnienia. W porównaniu z jednopunktowym pomiarem ciśnienia, pomiar różnicy ciśnień nie tylko odzwierciedla zmiany samego ciśnienia, ale może być także wykorzystywany do pośredniego pomiaru parametrów, takich jak natężenie przepływu, poziom cieczy, różnica ciśnień filtrów i stan pracy sprzętu. Dlatego jest szeroko stosowany w branżach takich jak ropa naftowa, gaz ziemny, chemiczny, energetyczny, farmaceutyczny, spożywczy, metalurgiczny i uzdatnianie wody.
W rzeczywistych obiektach przemysłowych różnicę ciśnień zwykle mierzy się za pomocą przetwornika różnicy ciśnień. Przetwornik wprowadza dwa zmierzone ciśnienia odpowiednio przez stronę wysokiego-ciśnienia (H) i stronę niskiego-ciśnienia (L). Gdy czujnik wykryje działanie ciśnienia po obu stronach, przekształca różnicę ciśnień na sygnał elektryczny. Po przetworzeniu sygnału, kompensacji temperatury i obliczeniach linearyzacji wysyła standardowe sygnały, takie jak 4 ~ 20 mA, HART, RS485/Modbus, zapewniając stabilne dane pomiarowe procesu dla systemów sterowania, sterowników PLC, DCS lub systemów akwizycji danych.
Kluczem do pomiaru różnicy ciśnień nie jest po prostu „pomiar dwóch ciśnień, a następnie odejmowanie ich”, ale raczej wszechstronne uwzględnienie takich czynników, jak zakres pomiarowy, ciśnienie statyczne, temperatura, gęstość medium, metoda instalacji, system rur impulsowych i wydajność czujnika. Szczególnie w warunkach pracy, takich jak wysokie ciśnienie statyczne, niska różnica ciśnień, wysoka temperatura i media korozyjne, pomiar różnicy ciśnień stawia wysokie wymagania w stosunku do struktury czujnika, algorytmów kompensacji temperatury i ogólnej jakości instalacji przyrządu.
I. Co to jest różnica ciśnień?
1. Podstawowe pojęcia dotyczące różnicy ciśnień
Różnica ciśnień (DP) to różnica ciśnień pomiędzy dwoma punktami pomiaru ciśnienia, a jej podstawowa zależność to:
ΔP = P₁ − P₂
Gdzie:
• ΔP: różnica ciśnień;
• P₁:-wysokie ciśnienie boczne;
• P₂: Niskie-ciśnienie boczne.
Na przykład, jeśli ciśnienie wlotowe określonego urządzenia w rurociągu wynosi 0,80 MPa, a ciśnienie wylotowe wynosi 0,65 MPa, różnica ciśnień między tymi dwoma punktami wynosi:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Znak różnicy ciśnień zależy od definicji strony wysokiego i niskiego-ciśnienia. Kiedy ciśnienie po stronie-wysokiej jest wyższe niż ciśnienie po stronie-niskiej, na wyjściu występuje dodatnia różnica ciśnień; i odwrotnie, może objawiać się ujemną różnicą ciśnień. Dlatego podczas doboru i instalacji przetworników różnicy ciśnień konieczne jest prawidłowe sprawdzenie zgodności interfejsów H i L z rurociągiem procesowym.
2. Zasada działania pomiaru różnicy ciśnień
Typowyprzetwornik różnicy ciśnieńskłada się głównie z interfejsów ciśnieniowych, membran izolacyjnych, rdzenia czujnika, obwodów przetwarzania sygnału, modułów kompensacji temperatury i obwodów wyjściowych.
Media procesowe wchodzą odpowiednio-po stronie wysokiego i niskiego-ciśnienia przetwornika. Ciśnienia po obu stronach działają na wrażliwy element poprzez system izolacji, powodując, że czujnik powoduje zmiany fizyczne związane z różnicą ciśnień. Biorąc za przykład technologię pojemnościowego, piezorezystancyjnego lub monokrystalicznego krzemu, czujnik przekształca tę zmianę mechaniczną w sygnał elektryczny.
Po konwersji sygnału-na-cyfrowy, filtrowaniu cyfrowym, kompensacji temperatury, linearyzacji i kalibracji, przyrząd przekształca zmierzoną różnicę ciśnień na standardowy sygnał wyjściowy.
W przypadku wyjściowego przetwornika różnicy ciśnień 4 ~ 20 mA jego teoretyczną moc wyjściową można wyrazić jako:
I=4mA + 16mA × (ΔP – ΔPmin) / (ΔPmax – ΔPmin)
Na przykład, jeśli zakres pomiaru różnicy ciśnień wynosi 0 ~ 100 kPa, gdy rzeczywista różnica ciśnień wynosi 50 kPa, teoretyczna moc wyjściowa wynosi:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Dlatego system sterowania może wywnioskować rzeczywistą różnicę ciśnień na podstawie sygnału wyjściowego przetwornika.
3. Różnica między ciśnieniem różnicowym a ciśnieniem statycznym
Bardzo ważnym pojęciem w pomiarze różnicy ciśnień jest „ciśnienie statyczne”.
Załóżmy, że ciśnienie-po stronie wysokiego ciśnienia wynosi 10 MPa, a ciśnienie po stronie niskiego- wynosi 9,9 MPa, a następnie:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
W tym momencie, chociaż zmierzona różnica ciśnień wynosi tylko 0,1 MPa, rzeczywiste ciśnienie statyczne przenoszone przez przetwornik może być bliskie 10 MPa.
Dlatego przetwornik różnicy ciśnień musi nie tylko spełniać wymagania dotyczące zakresu różnicy ciśnień, ale także spełniać wymagania dotyczące maksymalnego roboczego ciśnienia statycznego.
Jest to również jedna z ważnych różnic między pomiarem różnicy ciśnień a zwykłym pomiarem ciśnienia pod względem wyboru. W przypadku zastosowań o wysokim ciśnieniu statycznym i niskim ciśnieniu różnicowym, jeśli uwzględni się tylko zakres różnicy ciśnień, ignorując ciśnienie statyczne, może to spowodować znaczny wpływ ciśnienia statycznego na czujnik, zmniejszając w ten sposób dokładność pomiaru.
II. Jak sprawdzić parametry techniczne ciśnienia różnicowego
Pomiar
Przy wyborze przetwornika różnicy ciśnień należy brać pod uwagę nie tylko „zakres” i „dokładność”. W zastosowaniach praktycznych zaleca się systematyczną weryfikację według poniższych parametrów.
1. Zakres pomiarowy
Najpierw należy określić minimalną różnicę ciśnień, normalną różnicę ciśnień i maksymalną różnicę ciśnień, która może faktycznie wystąpić w systemie procesowym.
Na przykład normalny spadek ciśnienia określonego filtra podczas pracy wynosi około 20 kPa, a w przypadku zatkania może osiągnąć 80 kPa. Odpowiedni zakres różnicy ciśnień można wybrać zgodnie z wymaganiami procesu.
Jeśli zakres jest zbyt duży, rzeczywisty punkt pracy będzie przez długi czas znajdował się w dolnym przedziale zakresu, co będzie miało wpływ na efektywną rozdzielczość pomiaru; jeśli zakres jest zbyt mały, może przekroczyć zakres w nienormalnych warunkach pracy.
2. Ciśnienie statyczne
Ciśnienie statyczne jest parametrem, na który należy zwrócić szczególną uwagę przy doborze przetworników różnicy ciśnień.
Na przykład:
• Zakres ciśnienia różnicowego: 0~10kPa
• Ciśnienie w rurociągu: 4 MPa
• Rzeczywista różnica ciśnień: 5kPa
W tym momencie nie można po prostu uznać, że przyrząd musi wytrzymać ciśnienie wynoszące jedynie 10 kPa; należy także sprawdzić, czy przetwornik wytrzymuje robocze ciśnienie statyczne rzędu 4 MPa oraz sprawdzić wpływ ciśnienia statycznego na punkt zerowy i zakres.
3. Dokładność
Dokładność przetworników różnicy ciśnień jest zwykle wyrażana jako procent pełnej skali, np. ±0,1% FS, ±0,075% FS itp.
Dla przetwornika o zakresie 0~100 kPa i dokładności ±0,1% FS teoretyczna podstawowa wielkość błędu wynosi:
100 kPa × 0,1%=±0,1 kPa
Należy zauważyć, że na rzeczywisty błąd pomiaru mogą mieć także wpływ takie czynniki, jak temperatura, ciśnienie statyczne, pozycja instalacji, przewody impulsowe i-długoterminowa stabilność. Dlatego wybór inżyniera nie może ograniczać się do porównania „liczby dokładności”.
4. Przeciążalność i wpływ ciśnienia statycznego
W obiektach przemysłowych może wystąpić nieprawidłowe działanie zaworów, wahania ciśnienia, wstrząsy podczas uruchamiania itp., dlatego konieczne jest sprawdzenie jednostronnej-przeciążliwości przetwornika i maksymalnego ciśnienia statycznego.
Zwłaszcza przy pomiarze różnicy ciśnień przy wysokim ciśnieniu statycznym należy również zwrócić uwagę na dryft zera spowodowany zmianami ciśnienia statycznego. Wysokowydajne-przetworniki różnicy ciśnień zwykle ograniczają te efekty poprzez konstrukcję konstrukcji czujnika i algorytmy kompensacji ciśnienia statycznego.
5. Warunki temperaturowe i medium
Należy sprawdzić temperaturę procesu, temperaturę otoczenia, czy medium jest korozyjne, lepkie, krystalizujące lub zawiera cząstki stałe.
W przypadku mediów o wysokiej-temperaturze wpływ temperatury procesowej na przetwornik można zmniejszyć za pomocą zbiorników na kondensat, żeberek chłodzących lub zdalnych uszczelek; w przypadku mediów korozyjnych należy wybrać odpowiednią membranę i zwilżane materiały w zależności od charakteru medium, np. 316L, Hastelloy, Tantal itp.
6. Metody wyjściowe i komunikacyjne
Typowe wyjścia obejmują:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Inne metody komunikacji cyfrowej.
W przypadku tradycyjnych systemów DCS i PLC, prąd 4 ~ 20 mA nadal ma duże zastosowanie w terenie; w przypadku systemów wymagających zdalnego ustawiania parametrów, diagnostyki i konserwacji można rozważyć produkty z funkcją komunikacji HART.
III. Jakie są zastosowania pomiaru różnicy ciśnień?
Największą cechą pomiaru różnicy ciśnień jest to, że może on uzyskać inne parametry procesu poprzez różnicę ciśnień, więc jego zakres zastosowań znacznie wykracza poza proste „wykrywanie różnicy ciśnień”.
1. Pomiar przepływu w rurociągu
Pomiar przepływu różnicy ciśnień jest jednym z klasycznych zastosowań w pomiarach procesów przemysłowych.
Kiedy płyn przepływa przez urządzenia dławiące, takie jak kryzy, dysze lub rurki Venturiego, prędkość płynu zmienia się, tworząc różnicę ciśnień przed i za urządzeniem dławiącym. Zgodnie z zależnościami mechaniki płynów istnieje pewna zależność pomiędzy natężeniem przepływu a pierwiastkiem kwadratowym z różnicy ciśnień:
Q ∝ √ΔP
W idealnych warunkach można to wyrazić jako:
Q = C√ΔP
Gdzie Q to natężenie przepływu, a C to kompleksowy współczynnik związany z rodzajem medium, konstrukcją rurociągu i urządzeniem dławiącym.
Dlatego mierząc różnicę ciśnień przed i za dławicą, można pośrednio obliczyć natężenie przepływu w rurociągu.
W rzeczywistej inżynierii należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak gęstość medium, temperatura, ciśnienie, liczba Reynoldsa, konstrukcja urządzenia dławiącego i warunki instalacji. Dlatego-precyzyjny pomiar przepływu zwykle wymaga kompensacji powiązanych parametrów.
2. Pomiar poziomu cieczy
Przetworniki różnicy ciśnień można również wykorzystać do pomiaru poziomu cieczy w zbiorniku na podstawie ciśnienia generowanego przez słup cieczy.
Podstawowa zależność na ciśnienie słupa cieczy jest następująca:
ΔP=ρgh
Gdzie:
• ρ jest gęstością cieczy;
• g jest przyspieszeniem ziemskim;
• h to wysokość poziomu cieczy.
Dlatego też, gdy gęstość jest stosunkowo stabilna, poziom cieczy można obliczyć mierząc różnicę ciśnień wytwarzaną przez słup cieczy.
W przypadku zbiorników otwartych poziom cieczy można zwykle zmierzyć na podstawie zależności pomiędzy ciśnieniem na dnie zbiornika a ciśnieniem atmosferycznym; w przypadku zbiorników zamkniętych należy również uwzględnić ciśnienie fazy gazowej w górnej części zbiornika, tak aby aprzetwornik różnicy ciśnieńjest zwykle używany do połączenia odpowiednio z dolną i górną częścią zbiornika.
W zbiornikach o wysokiej temperaturze, wysokiej próżni lub mediach lotnych należy dokładniej rozważyć takie czynniki, jak kondensat, zmiany gęstości i odległe uszczelnienia.
3. Monitorowanie różnicy ciśnień filtra
Podczas normalnej pracy filtra medium filtracyjne powoduje pewną stratę ciśnienia. W miarę jak element filtrujący stopniowo się zatyka, różnica ciśnień między przodem i tyłem będzie stale rosnąć.
Dlatego na wlocie i wylocie filtra można zainstalować krany ciśnieniowe, aby monitorować-czas rzeczywisty za pomocą przetwornika różnicy ciśnień:
ΔP=P_wlot − P_wylot
Kiedy różnica ciśnień osiągnie ustawioną wartość, system sterowania może wygenerować alarm przypominający personelowi konserwacyjnemu o sprawdzeniu lub wymianie elementu filtrującego.
Metoda ta jest szeroko stosowana w filtracji powietrza, filtracji cieczy, przetwarzaniu ropy i gazu oraz w systemach odpylania przemysłowego.
4. Monitorowanie pracy pompy, wentylatora i sprężarki
W urządzeniach takich jak pompy, wentylatory i sprężarki różnica ciśnień na wlocie-wylocie może służyć jako jeden z ważnych parametrów oceny stanu działania sprzętu.
Na przykład monitorowanie różnicy ciśnień pomiędzy wlotem i wylotem pompy może pomóc w ocenie stanu pracy pompy; w systemach przesyłu gazu zmiany ciśnienia różnicowego przed i za wentylatorami lub sprężarkami można również wykorzystać do monitorowania stanu pracy.
Należy zauważyć, że różnica ciśnień sprzętu nie może sama odzwierciedlać stanu technicznego sprzętu. W zastosowaniach inżynieryjnych zwykle konieczne jest połączenie parametrów, takich jak natężenie przepływu, temperatura, wibracje i prąd, w celu uzyskania kompleksowej oceny.
5. Czyste systemy i systemy wentylacji
W pomieszczeniach czystych, laboratoriach, warsztatach farmaceutycznych i systemach uzdatniania powietrza należy zachować pewien gradient ciśnienia pomiędzy różnymi obszarami.
Używając przetworników różnicy ciśnień do pomiaru różnicy ciśnień pomiędzy dwoma obszarami, można określić, czy w czystym obszarze utrzymuje się określony stan ciśnienia.
Na przykład w czystych obszarach, w których konieczne jest utrzymanie nadciśnienia, można monitorować różnicę ciśnień pomiędzy pomieszczeniem a obszarami przyległymi; w niektórych miejscach wymagających kontroli podciśnienia, sygnał różnicy ciśnień może zostać wykorzystany do oceny stanu podciśnienia.
6. Szczelność i wykrywanie nieszczelności
W takich dziedzinach, jak produkcja precyzyjna, części samochodowe, armatura zaworów i urządzenia medyczne, pomiar różnicy ciśnień może być również stosowany do badania szczelności.
Podczas procesu testowania do obiektu testowego ładuje się gaz testowy pod określonym ciśnieniem, a monitorując zmianę ciśnienia przed i po badaniu, można określić, czy obiekt testowy ma nieszczelności.
W przypadku wykrywania małych różnic ciśnień i mikro-wycieków zwykle stawiane są wyższe wymagania dotyczące rozdzielczości, stabilności, kompensacji temperatury i szybkości reakcji czujnika różnicy ciśnień.
IV. Kluczowe problemy inżynieryjne w pomiarze różnicy ciśnień
Pomiar różnicy ciśnień może wydawać się prosty, ale w rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych istnieje wiele czynników wpływających.
Pierwszym z nich jest system rurek impulsowych. Długość, średnica wewnętrzna, wysokość montażu przewodów impulsowych oraz występowanie pęcherzyków powietrza, gromadzenie się cieczy lub osadzanie się cząstek wewnątrz przewodów mogą mieć wpływ na wyniki pomiarów. W przypadku mediów płynnych należy unikać przedostawania się gazu do przewodów impulsowych; w przypadku mediów gazowych należy unikać gromadzenia się kondensatu.
Po drugie, metoda instalacji. Strona wysokiego i niskiego-ciśnienia przetwornika różnicy ciśnień musi być prawidłowo podłączona do rurociągu technologicznego, a miejsce poboru ciśnienia powinno być wybrane w oparciu o stan medium. W przypadku mediów takich jak para o wysokiej-temperaturze konieczne jest również użycie kondensatu w celu utworzenia uszczelnienia cieczowego, które zapobiegnie bezpośredniemu przedostawaniu się medium o-temperaturze do przetwornika.
Po trzecie, wpływ temperatury. Sam czujnik ma charakterystykę temperaturową, a zmiany temperatury medium mogą również powodować zmiany gęstości. Dlatego-precyzyjny pomiar różnicy ciśnień zwykle wymaga kompensacji temperatury, a niektóre zastosowania związane z przepływem i poziomem cieczy dodatkowo wymagają kompensacji gęstości.
Ponadto w przypadku zastosowań o wysokim ciśnieniu statycznym i niskiej różnicy ciśnień należy zwrócić szczególną uwagę na wpływ ciśnienia statycznego, odporność na przeciążenia i stabilność punktu zerowego. Na przykład podczas pomiaru małej różnicy ciśnień wynoszącej kilka kPa pod ciśnieniem w rurociągu wynoszącym kilka MPa lub nawet wyższym, czujnik musi nie tylko wytrzymywać wysokie ciśnienie statyczne, ale także dokładnie wykrywać bardzo małe zmiany ciśnienia różnicowego, co stawia wyższe wymagania konstrukcji czujnika i technologii przetwarzania sygnału.
V. Podsumowanie
Istotą pomiaru różnicy ciśnień jest dokładne wyznaczenie różnicy ciśnień pomiędzy dwoma punktami ciśnienia, przy czym podstawowy wzór to ΔP=P₁−P₂. Dzięki temu podstawowemu parametrowi można dalej realizować pomiary różnych parametrów przemysłowych, takich jak natężenie przepływu, poziom cieczy, różnica ciśnień filtra, stan pracy sprzętu i szczelność.
W rzeczywistej inżynierii wybórprzetworniki różnicy ciśnieńpowinien skupiać się nie tylko na zakresie pomiarowym i dokładności, ale także kompleksowo uwzględniać ciśnienie statyczne, przeciążalność, wpływ ciśnienia statycznego, zakres temperatur, charakterystykę medium, zwilżane materiały, metodę linii impulsowej, sygnał wyjściowy i warunki instalacji.
Wraz z ciągłym rozwojem systemów automatyki przemysłowej i kontroli procesów, pomiary różnicy ciśnień ewoluują od tradycyjnego wykrywania pojedynczych-parametrów w kierunku wysokiej precyzji, cyfryzacji i inteligentnej diagnostyki. W przypadku złożonych przemysłowych warunków pracy technologia czujników, kompensacja temperatury, kompensacja ciśnienia statycznego i możliwości cyfrowego przetwarzania sygnału będą miały bezpośredni wpływ na długoterminową-stabilność i praktyczną skuteczność zastosowania systemu pomiaru różnicy ciśnień.
