Merjenje diferenčnega tlaka je nepogrešljivo v industrijskih krmilnih procesih. Njegovo jedro je merjenje razlike v tlaku med dvema različnima točkama v istem cevovodu, rezervoarju, opremi ali procesu, tj. razlike v tlaku med stranjo visokega{3}}tlaka in stranjo nizkega{4}}tlaka. V primerjavi z eno{6}}točkovnim merjenjem tlaka merjenje diferenčnega tlaka ne odraža samo sprememb tlaka samega, temveč ga je mogoče dodatno uporabiti za posredno merjenje parametrov, kot so pretok, nivo tekočine, diferenčni tlak filtra in stanje delovanja opreme. Zato se pogosto uporablja v panogah, kot so nafta, zemeljski plin, kemična, energetska, farmacevtska, prehrambena, metalurška in obdelava vode.
V dejanskih industrijskih krajih se diferenčni tlak običajno zazna z oddajnikom diferenčnega tlaka. Oddajnik oddaja dva izmerjena tlaka skozi visoko{1}}tlačno stran (H) oziroma nizko-tlačno stran (L). Ko senzor zazna delovanje tlaka na obeh straneh, pretvori razliko v tlaku v električni signal. Po obdelavi signala, temperaturni kompenzaciji in linearizacijskih izračunih oddaja standardne signale, kot so 4~20 mA, HART, RS485/Modbus, ki zagotavljajo stabilne podatke meritev procesa za krmilne sisteme, PLC-je, DCS ali sisteme za pridobivanje podatkov.
Ključ do merjenja diferenčnega tlaka ni samo "izmeriti dva tlaka in ju nato odšteti", temveč celovito upoštevati dejavnike, kot so merilno območje, statični tlak, temperatura, gostota medija, način namestitve, sistem impulznih cevi in zmogljivost senzorja. Zlasti v pogojih delovanja, kot so visok statični tlak, nizek diferenčni tlak, visoka temperatura in korozivni mediji, meritve diferenčnega tlaka postavljajo visoke zahteve glede strukture senzorja, algoritmov temperaturne kompenzacije in splošne kakovosti namestitve instrumenta.
I. Kaj je diferenčni tlak?
1. Osnovni koncepti diferenčnega tlaka
Diferenčni tlak (DP) je razlika v tlaku med dvema merilnima točkama tlaka, njegovo osnovno razmerje pa je:
ΔP = P₁ − P₂
kje:
• ΔP: diferenčni tlak;
• P₁: visok-stranski tlak;
• P₂: nizek-stranski tlak.
Na primer, če je vhodni tlak določene opreme v cevovodu 0,80 MPa in izstopni tlak 0,65 MPa, je razlika v tlaku med obema točkama:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Predznak diferenčnega tlaka je odvisen od definicije visoke in nizke{0}}tlačne strani. Ko je tlak na visoki-strani višji od tlaka na-nizki strani, je izhod pozitiven diferenčni tlak; nasprotno pa se lahko kaže kot negativni diferenčni tlak. Zato je treba pri izbiri in namestitvi oddajnikov diferenčnega tlaka pravilno potrditi ujemanje med vmesnikoma H in L ter procesnim cevovodom.
2. Delovni princip merjenja diferenčnega tlaka
Tipičnooddajnik diferenčnega tlakav glavnem sestoji iz tlačnih vmesnikov, izolacijskih diafragm, senzorskega jedra, vezij za obdelavo signalov, modulov temperaturne kompenzacije in izhodnih vezij.
Procesni medij vstopi na visoko-tlačno stran in nizko{1}}tlačno stran oddajnika. Pritiski na obeh straneh delujejo na občutljivi element prek izolacijskega sistema, kar povzroči, da senzor povzroči fizične spremembe, povezane z razliko tlaka. Če za primer vzamemo kapacitivno, piezorezivno ali monokristalno silikonsko tehnologijo zaznavanja tlaka, senzor to mehansko spremembo pretvori v električni signal.
Po analogno--digitalni pretvorbi, digitalnem filtriranju, temperaturni kompenzaciji, linearizaciji in kalibraciji instrument pretvori izmerjeni diferenčni tlak v standardni izhodni signal.
Za izhodni oddajnik diferenčnega tlaka 4 ~ 20 mA se lahko njegov teoretični izhod izrazi kot:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Na primer, če je merilno območje diferenčnega tlaka 0~100 kPa, ko je dejanski diferenčni tlak 50 kPa, je teoretični rezultat:
I=4 + 16 × 50/100=12 mA
Zato lahko krmilni sistem ugotovi dejanski diferenčni tlak na podlagi izhodnega signala oddajnika.
3. Razlika med diferenčnim in statičnim tlakom
Zelo pomemben koncept pri merjenju diferenčnega tlaka je "statični tlak".
Predpostavimo, da je tlak na visoki-strani 10MPa in tlak na-nizki strani 9,9MPa, potem:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Na tej točki, čeprav je izmerjeni diferenčni tlak samo 0,1 MPa, je lahko dejanski statični tlak, ki ga prenaša oddajnik, blizu 10 MPa.
Zato mora oddajnik diferenčnega tlaka izpolnjevati ne samo zahteve glede razpona diferenčnega tlaka, temveč tudi zahteve glede največjega delovnega statičnega tlaka.
To je tudi ena od pomembnih razlik med merjenjem diferenčnega tlaka in običajnim merjenjem tlaka v smislu izbire. Če se pri aplikacijah z visokim statičnim in nizkim diferenčnim tlakom upošteva samo območje diferenčnega tlaka, pri čemer se ne upošteva zmogljivost statičnega tlaka, lahko to povzroči znaten vpliv statičnega tlaka na senzor in s tem zmanjša natančnost meritev.
II. Kako preveriti tehnične parametre za diferenčni tlak
Merjenje
Pri izbiri oddajnika diferenčnega tlaka ne bi smeli gledati samo na "razpon" in "natančnost". V praktičnih aplikacijah je priporočljivo sistematično preverjanje v skladu z naslednjimi parametri.
1. Merilno območje
Najprej določite najmanjši diferenčni tlak, normalni diferenčni tlak in največji diferenčni tlak, ki se lahko dejansko pojavi v procesnem sistemu.
Na primer, normalni padec tlaka določenega filtra med delovanjem je približno 20 kPa, v zamašenih pogojih pa lahko doseže 80 kPa. Ustrezno območje diferenčnega tlaka je mogoče izbrati glede na zahteve procesa.
Če je razpon prevelik, bo dejanska delovna točka dolgo časa v spodnjem intervalu razpona, kar vpliva na učinkovito merilno ločljivost; če je obseg premajhen, lahko preseže obseg v neobičajnih pogojih delovanja.
2. Statični tlak
Statični tlak je parameter, na katerega moramo biti še posebej pozorni pri izbiri pretvornikov diferenčnega tlaka.
Na primer:
• Razpon diferenčnega tlaka: 0~10kPa
• Tlak v cevovodu: 4MPa
• Dejanski diferenčni tlak: 5kPa
Na tej točki ni mogoče preprosto šteti, da mora instrument izpolnjevati samo tlačno zmogljivost 10 kPa; prav tako je treba potrditi, da lahko oddajnik prenese delovni statični tlak približno 4MPa in preveriti vpliv statičnega tlaka na ničelno točko in območje.
3. Natančnost
Natančnost oddajnikov diferenčnega tlaka je običajno izražena kot odstotek celotne skale, na primer ±0,1 %FS, ±0,075 %FS itd.
Za oddajnik z območjem 0~100 kPa in natančnostjo ±0,1 %FS je teoretična osnovna velikost napake:
100 kPa × 0,1 %=±0,1 kPa
Upoštevati je treba, da lahko na dejansko merilno napako vplivajo tudi dejavniki, kot so temperatura, statični tlak, položaj namestitve, impulzne cevi in-dolgoročna stabilnost. Zato inženirska izbira ne more zgolj primerjati "številke točnosti".
4. Preobremenitvena zmogljivost in vpliv statičnega tlaka
V industrijskih krajih lahko pride do nepravilnega delovanja ventilov, nihanj tlaka, udarcev ob zagonu itd., zato je treba potrditi preobremenitveno zmogljivost na eni-strani oddajnika in največji statični tlak.
Zlasti pri merjenju diferenčnega tlaka pri visokem statičnem tlaku je treba biti pozoren tudi na premik ničle, ki ga povzročajo spremembe statičnega tlaka. Visoko{1}}zmogljivi oddajniki diferenčnega tlaka običajno zmanjšajo te učinke z zasnovo strukture senzorja in algoritmi za izravnavo statičnega tlaka.
5. Temperaturni in medijski pogoji
Potrebno je preveriti procesno temperaturo, temperaturo okolja in ali je medij koroziven, viskozen, kristalizirajoč ali vsebuje trdne delce.
Pri medijih z visoko{0}}temperaturo je mogoče vpliv temperature procesa na oddajnik zmanjšati s kondenzacijskimi posodami, hladilnimi rebri ali oddaljenimi tesnili; za korozivne medije je treba izbrati ustrezne diafragme in zmočene materiale glede na naravo medija, kot so 316L, hastelloy, tantal itd.
6. Izhodne in komunikacijske metode
Pogosti rezultati vključujejo:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Druge digitalne komunikacijske metode.
Za tradicionalne sisteme DCS in PLC ima 4~20mA še vedno visoko uporabnost na terenu; za sisteme, ki zahtevajo oddaljeno nastavitev parametrov, diagnostiko in vzdrževanje, lahko pridejo v poštev izdelki s komunikacijsko funkcijo HART.
III. Kakšne so aplikacije za merjenje diferenčnega tlaka?
Največja značilnost merjenja diferenčnega tlaka je, da lahko pridobi druge procesne parametre prek razlike v tlaku, zato obseg njegove uporabe daleč presega preprosto "zaznavanje razlike v tlaku".
1. Merjenje pretoka v cevovodu
Merjenje pretoka diferenčnega tlaka je ena od klasičnih aplikacij pri merjenju industrijskih procesov.
Ko gre tekočina skozi dušilne naprave, kot so odprtine, šobe ali Venturijeve cevi, se hitrost tekočine spremeni, kar ustvari razliko v tlaku pred in za dušilno napravo. V skladu z razmerji mehanike tekočin obstaja določeno razmerje med pretokom in kvadratnim korenom diferenčnega tlaka:
Q ∝ √ΔP
V idealnih pogojih se lahko izrazi kot:
Q = C√ΔP
Kjer je Q pretok, C pa celovit koeficient, povezan z naravo medija, strukturo cevovoda in dušilno napravo.
Zato je mogoče z merjenjem diferenčnega tlaka pred in za dušilno napravo posredno izračunati pretok v cevovodu.
Pri dejanskem inženiringu je treba upoštevati tudi dejavnike, kot so gostota medija, temperatura, tlak, Reynoldsovo število, struktura dušilne naprave in pogoji namestitve. Zato visoko{1}}natančne meritve pretoka običajno zahtevajo kompenzacijo povezanih parametrov.
2. Merjenje nivoja tekočine
Oddajnike diferenčnega tlaka je mogoče uporabiti tudi za merjenje ravni tekočine v rezervoarju z uporabo tlaka, ki ga ustvari stolpec tekočine.
Osnovno razmerje za tlak stolpca tekočine je:
ΔP=ρgh
kje:
• ρ je gostota tekočine;
• g gravitacijski pospešek;
• h je višina nivoja tekočine.
Ko je gostota razmeroma stabilna, je mogoče nivo tekočine izračunati z merjenjem diferenčnega tlaka, ki ga ustvari stolpec tekočine.
Pri odprtih rezervoarjih se nivo tekočine običajno lahko meri z uporabo razmerja med tlakom na dnu rezervoarja in atmosferskim tlakom; pri zaprtih rezervoarjih je treba upoštevati tudi tlak plinske faze na vrhu rezervoarja, tako da aoddajnik diferenčnega tlakase običajno uporablja za povezavo z dnom oziroma vrhom rezervoarja.
Pri rezervoarjih z visoko temperaturo, visokim vakuumom ali hlapljivimi mediji je treba dodatno upoštevati dejavnike, kot so kondenzat, spremembe gostote in oddaljena tesnila.
3. Nadzor diferenčnega tlaka filtra
Med normalnim delovanjem filtra filtrirni medij povzroči določeno izgubo tlaka. Ko se filtrirni element postopoma zamaši, se razlika v tlaku med sprednjim in zadnjim delom nenehno povečuje.
Zato je mogoče namestiti tlačne pipe na vhodu in izhodu filtra za spremljanje v realnem-času prek oddajnika diferenčnega tlaka:
ΔP=P_vhod − P_izhod
Ko diferenčni tlak doseže nastavljeno vrednost, lahko nadzorni sistem sproži alarm, da vzdrževalno osebje opomni, naj preveri ali zamenja filtrirni element.
Ta metoda se pogosto uporablja pri filtraciji zraka, filtraciji tekočin, predelavi nafte in plina ter industrijskih sistemih za odstranjevanje prahu.
4. Nadzor delovanja črpalke, ventilatorja in kompresorja
Pri opremi, kot so črpalke, ventilatorji in kompresorji, lahko vstopni-izstopni diferenčni tlak služi kot eden od pomembnih parametrov za presojo stanja delovanja opreme.
Na primer, spremljanje razlike tlaka med vstopom in izhodom črpalke lahko pomaga pri presoji delovnega stanja črpalke; v sistemih za transport plina se lahko spremembe v diferenčnem tlaku pred in za ventilatorji ali kompresorji uporabljajo tudi za spremljanje stanja delovanja.
Upoštevati je treba, da diferenčni tlak opreme ne more predstavljati samo zdravstvenega stanja opreme. V inženirskih aplikacijah je za celovito presojo običajno treba združiti parametre, kot so pretok, temperatura, vibracije in tok.
5. Čisti sistemi in prezračevalni sistemi
V čistih prostorih, laboratorijih, farmacevtskih delavnicah in sistemih za obdelavo zraka je treba vzdrževati določen gradient tlaka med različnimi območji.
Z uporabo oddajnikov diferenčnega tlaka za merjenje razlike tlaka med dvema območjema je mogoče ugotoviti, ali se čisto območje ohranja pri določenem stanju tlaka.
Na primer, v čistih prostorih, ki morajo vzdrževati pozitiven tlak, je mogoče spremljati razliko v tlaku med prostorom in sosednjimi prostori; na nekaterih mestih, kjer je potrebna regulacija podtlaka, se lahko za presojo stanja podtlaka uporabi signal diferenčnega tlaka.
6. Zrakotesnost in odkrivanje puščanja
Na področjih, kot so natančna proizvodnja, avtomobilski deli, armature ventilov in medicinske naprave, se lahko merjenje diferenčnega tlaka uporablja tudi za testiranje zrakotesnosti.
Med postopkom preskušanja se v preskusni predmet napolni določen tlak preskusnega plina in s spremljanjem spremembe tlaka pred in po preskusu je mogoče ugotoviti, ali preskusni predmet pušča.
Za zaznavanje nizkega diferenčnega tlaka in mikro{0}}puščanja so običajno višje zahteve glede ločljivosti, stabilnosti, temperaturne kompenzacije in odzivne hitrosti senzorja diferenčnega tlaka.
IV. Ključna inženirska vprašanja pri merjenju diferenčnega tlaka
Merjenje diferenčnega tlaka se morda zdi preprosto, vendar je v dejanskih inženirskih aplikacijah več dejavnikov, ki vplivajo.
Prvi je impulzni cevni sistem. Dolžina, notranji premer, višina namestitve impulznih vodov in prisotnost zračnih mehurčkov, kopičenje tekočine ali odlaganje delcev znotraj vodov lahko vplivajo na rezultate meritev. Pri tekočih medijih je treba preprečiti vstop plina v impulzne vode; pri plinskih medijih se je treba izogibati kopičenju kondenzata.
Drugi je način namestitve. Stran visokega in nizkega{1}}tlaka oddajnika diferenčnega tlaka morata biti pravilno povezani s procesnim cevovodom, na podlagi stanja medija pa je treba izbrati razumno tlačno točko. Za medije, kot je para z visoko-temperaturo, je treba uporabiti tudi kondenzat za oblikovanje tekočega tesnila, da se prepreči, da bi medij z visoko{4}}temperaturo neposredno vstopil v oddajnik.
Tretji je temperaturni učinek. Sam senzor ima temperaturne značilnosti in spremembe temperature medija lahko povzročijo tudi spremembe gostote. Zato visoko{2}}natančno merjenje diferenčnega tlaka običajno zahteva temperaturno kompenzacijo, nekatere aplikacije za pretok in nivo tekočine pa dodatno zahtevajo kompenzacijo gostote.
Poleg tega je treba pri aplikacijah z visokim statičnim tlakom in nizkim diferenčnim tlakom posebno pozornost nameniti vplivu statičnega tlaka, preobremenitveni zmogljivosti in stabilnosti ničelne-točke. Na primer, pri merjenju majhnega diferenčnega tlaka nekaj kPa pri tlakih v cevovodu več MPa ali celo višjih, mora senzor ne samo vzdržati visokega statičnega tlaka, ampak tudi natančno razrešiti zelo majhne spremembe diferenčnega tlaka, kar postavlja višje zahteve za strukturo senzorja in tehnologijo obdelave signalov.
V. Povzetek
Bistvo merjenja diferenčnega tlaka je natančno določiti razliko tlaka med dvema tlačnima točkama, pri čemer je osnovna formula ΔP=P₁−P₂. Prek tega temeljnega parametra je mogoče dodatno izvesti meritve različnih industrijskih parametrov, kot so pretok, nivo tekočine, diferenčni tlak filtra, stanje delovanja opreme in zrakotesnost.
V dejanskem inženirstvu je izbiraoddajniki diferenčnega tlakane sme se osredotočiti le na merilno območje in natančnost, temveč tudi celovito upoštevati statični tlak, preobremenitveno zmogljivost, vpliv statičnega tlaka, temperaturno območje, značilnosti medija, zmočene materiale, metodo impulznega voda, izhodni signal in pogoje namestitve.
Z nenehnim razvojem sistemov industrijske avtomatizacije in nadzora procesov se merjenje diferenčnega tlaka razvija od tradicionalnega zaznavanja enega-parametra proti visoki natančnosti, digitalizaciji in inteligentni diagnostiki. Za zapletene industrijske pogoje delovanja bodo tehnologija senzorjev, temperaturna kompenzacija, kompenzacija statičnega tlaka in zmožnosti digitalne obdelave signalov neposredno vplivale na dolgoročno-stabilnost in učinkovitost praktične uporabe sistema za merjenje diferenčnega tlaka.
