Meranie diferenčného tlaku je nevyhnutné v priemyselných riadiacich procesoch. Jeho jadrom je meranie tlakového rozdielu medzi dvoma rôznymi bodmi v rovnakom potrubí, nádrži, zariadení alebo procese, tj rozdiel tlakov medzi vysoko-tlakovou stranou a nízkotlakovou-stranou. V porovnaní s jednobodovým- meraním tlaku meranie diferenčného tlaku nielenže odráža zmeny samotného tlaku, ale možno ho ďalej použiť aj na nepriame meranie parametrov, ako sú prietok, hladina kvapaliny, diferenčný tlak filtra a prevádzkový stav zariadenia. Preto je široko používaný v odvetviach, ako je ropa, zemný plyn, chemický, energetický, farmaceutický, potravinársky, hutnícky a úprava vody.
V skutočných priemyselných lokalitách sa diferenčný tlak zvyčajne zisťuje pomocou snímača diferenčného tlaku. Vysielač zavádza dva namerané tlaky cez stranu vysokého-tlaku (H) a stranu nízkeho{2}}tlaku (L). Potom, čo snímač zaznamená pôsobenie tlaku na oboch stranách, prevedie tlakový rozdiel na elektrický signál. Po spracovaní signálu, teplotnej kompenzácii a výpočtoch linearizácie vydáva štandardné signály, ako sú 4~20mA, HART, RS485/Modbus, čím poskytuje stabilné namerané údaje o procese pre riadiace systémy, PLC, DCS alebo systémy zberu údajov.
Kľúčom k meraniu diferenčného tlaku nie je len „meranie dvoch tlakov a ich následné odčítanie“, ale skôr komplexné zváženie faktorov, ako je rozsah merania, statický tlak, teplota, hustota média, spôsob inštalácie, systém impulzného potrubia a výkon snímača. Najmä v prevádzkových podmienkach, ako je vysoký statický tlak, nízky diferenčný tlak, vysoká teplota a korozívne médiá, kladie meranie diferenčného tlaku vysoké nároky na štruktúru snímača, algoritmy teplotnej kompenzácie a celkovú kvalitu inštalácie prístroja.
I. Čo je diferenčný tlak?
1. Základné pojmy diferenčného tlaku
Diferenčný tlak (DP) je tlakový rozdiel medzi dvoma bodmi merania tlaku a jeho základný vzťah je:
ΔP = P₁ − P₂
kde:
• ΔP: Diferenčný tlak;
• P₁: vysoký-stranný tlak;
• P₂: Nízky- bočný tlak.
Napríklad, ak je vstupný tlak určitého zariadenia v potrubí 0,80 MPa a výstupný tlak je 0,65 MPa, rozdiel tlaku medzi týmito dvoma bodmi je:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Znamienko diferenčného tlaku závisí od definície strany vysokého a nízkeho-tlaku. Keď je tlak na vysokej-strane vyšší ako tlak na nízkej-strane, výstupom je kladný diferenciálny tlak; naopak, môže sa prejaviť ako negatívny diferenčný tlak. Preto je pri výbere a inštalácii snímačov diferenčného tlaku potrebné správne potvrdiť súlad medzi H a L rozhraním a procesným potrubím.
2. Pracovný princíp merania diferenčného tlaku
Typickývysielač diferenčného tlakupozostáva hlavne z tlakových rozhraní, izolačných membrán, jadra snímača, obvodov na spracovanie signálu, modulov teplotnej kompenzácie a výstupných obvodov.
Procesné médiá vstupujú na vysoko{0}}tlakovú stranu a nízkotlakovú{1}}stranu vysielača. Tlaky na oboch stranách pôsobia na citlivý prvok cez izolačný systém, čo spôsobuje, že snímač vytvára fyzikálne zmeny súvisiace s rozdielom tlakov. Ak si vezmeme ako príklady kapacitné, piezorezistívne alebo monokryštalické kremíkové technológie snímania tlaku, snímač prevádza túto mechanickú zmenu na elektrický signál.
Po analógovej{0}}do{1}}digitálnej konverzii, digitálnom filtrovaní, teplotnej kompenzácii, linearizácii a kalibrácii prístroj prevedie nameraný diferenčný tlak na štandardný výstupný signál.
Pre 4~20mA výstupný diferenčný tlakový prevodník môže byť jeho teoretický výstup vyjadrený ako:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Napríklad, ak je rozsah merania diferenčného tlaku 0~100 kPa, keď je skutočný diferenčný tlak 50 kPa, teoretický výstup je:
I=4 + 16 × 50/100=12 mA
Preto môže riadiaci systém odvodiť skutočný diferenčný tlak na základe výstupného signálu vysielača.
3. Rozdiel medzi diferenčným tlakom a statickým tlakom
Veľmi dôležitým pojmom pri meraní diferenčného tlaku je „statický tlak“.
Predpokladajme, že tlak na vysokej-strane je 10 MPa a tlak na nízkej{2}}strane je 9,9 MPa, potom:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
V tomto bode, aj keď je nameraný rozdiel tlakov iba 0,1 MPa, skutočný statický tlak prenášaný prevodníkom môže byť blízko 10 MPa.
Preto musí prevodník diferenčného tlaku spĺňať nielen požiadavku na rozsah diferenčného tlaku, ale aj spĺňať požiadavku maximálneho pracovného statického tlaku.
To je tiež jeden z dôležitých rozdielov medzi meraním diferenčného tlaku a bežným meraním tlaku z hľadiska výberu. V prípade aplikácií s vysokým statickým tlakom a nízkym diferenčným tlakom, ak sa berie do úvahy iba rozsah diferenčného tlaku a ignoruje sa schopnosť statického tlaku, môže to spôsobiť významný vplyv statického tlaku na snímač, čím sa zníži presnosť merania.
II. Ako overiť technické parametre pre diferenčný tlak
Meranie
Výber snímača diferenčného tlaku by sa nemal zameriavať len na „dosah“ a „presnosť“. V praktických aplikáciách sa odporúča systematické overovanie podľa nasledujúcich parametrov.
1. Rozsah merania
Najprv určte minimálny diferenčný tlak, normálny diferenčný tlak a maximálny diferenčný tlak, ktorý sa môže skutočne vyskytnúť v procesnom systéme.
Napríklad normálna tlaková strata určitého filtra počas prevádzky je asi 20 kPa a v podmienkach upchatia môže dosiahnuť 80 kPa. Vhodný rozsah diferenčného tlaku je možné zvoliť podľa požiadaviek procesu.
Ak je rozsah príliš veľký, skutočný prevádzkový bod bude dlhý čas v dolnom intervale rozsahu, čo ovplyvní efektívne rozlíšenie merania; ak je rozsah príliš malý, môže pri abnormálnych prevádzkových podmienkach prekročiť rozsah.
2. Statický tlak
Statický tlak je parameter, ktorému treba venovať osobitnú pozornosť pri výbere snímačov diferenčného tlaku.
Napríklad:
• Rozsah diferenčného tlaku: 0~10kPa
• Tlak v potrubí: 4MPa
• Skutočný diferenčný tlak: 5 kPa
V tomto bode nemožno jednoducho uvažovať o tom, že prístroj musí spĺňať iba tlakovú kapacitu 10 kPa; je tiež potrebné potvrdiť, že vysielač odolá pracovnému statickému tlaku cca 4MPa a skontrolovať vplyv statického tlaku na nulový bod a dosah.
3. Presnosť
Presnosť snímačov diferenčného tlaku sa zvyčajne vyjadruje v percentách celej stupnice, ako napríklad ±0,1%FS, ±0,075%FS atď.
Pre vysielač s rozsahom 0~100kPa a presnosťou ±0,1%FS je teoretická základná veľkosť chyby:
100 kPa × 0,1 %=±0,1 kPa
Treba poznamenať, že skutočná chyba merania môže byť ovplyvnená aj faktormi, ako sú teplota, statický tlak, poloha inštalácie, impulzné potrubie a dlhodobá-stabilita. Preto inžiniersky výber nemôže len porovnávať „číslo presnosti“.
4. Kapacita preťaženia a vplyv statického tlaku
V priemyselných prevádzkach môže dôjsť k nesprávnemu fungovaniu ventilov, kolísaniu tlaku, otrasom pri spustení atď., takže je potrebné overiť preťaženie vysielača na jednej-strane a maximálny statický tlak.
Najmä pri meraní tlakového rozdielu pri vysokom statickom tlaku je potrebné venovať pozornosť aj nulovému posunu spôsobenému zmenami statického tlaku. Vysokovýkonné vysielače rozdielu tlaku zvyčajne znižujú tieto efekty prostredníctvom návrhu štruktúry snímača a algoritmov kompenzácie statického tlaku.
5. Teplota a podmienky média
Je potrebné kontrolovať teplotu procesu, teplotu okolia a či je médium korozívne, viskózne, kryštalizujúce alebo či neobsahuje pevné častice.
V prípade médií s vysokou{0}}teplotou možno vplyv procesnej teploty na prevodník znížiť pomocou nádob na kondenzát, chladiacich rebier alebo vzdialených tesnení; pre korozívne médiá je potrebné zvoliť vhodnú membránu a zmáčané materiály podľa povahy média, ako je 316L, Hastelloy, Tantal atď.
6. Výstupné a komunikačné metódy
Bežné výstupy zahŕňajú:
• 4~20 mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Iné spôsoby digitálnej komunikácie.
Pre tradičné systémy DCS a PLC má 4 ~ 20 mA stále vysokú použiteľnosť v teréne; pre systémy vyžadujúce vzdialené nastavenie parametrov, diagnostiku a údržbu možno zvážiť produkty s funkciou komunikácie HART.
III. Aké sú aplikácie merania diferenčného tlaku?
Najväčšou charakteristikou merania diferenčného tlaku je, že môže získať ďalšie parametre procesu prostredníctvom tlakového rozdielu, takže rozsah jeho použitia ďaleko presahuje jednoduchú „detekciu tlakového rozdielu“.
1. Meranie prietoku potrubím
Meranie diferenčného tlakového prietoku je jednou z klasických aplikácií v meraní priemyselných procesov.
Keď tekutina prechádza škrtiacimi zariadeniami, ako sú clony, dýzy alebo Venturiho trubice, rýchlosť tekutiny sa mení a vytvára tlakový rozdiel pred a za škrtiacim zariadením. Podľa vzťahov mechaniky tekutín existuje určitý vzťah medzi prietokom a druhou odmocninou diferenčného tlaku:
Q ∝ √ΔP
Za ideálnych podmienok sa dá vyjadriť takto:
Q = C√ΔP
Kde Q je prietok a C je komplexný koeficient súvisiaci s povahou média, štruktúrou potrubia a škrtiacim zariadením.
Preto meraním diferenčného tlaku pred a za škrtiacim zariadením možno nepriamo vypočítať prietok potrubím.
V skutočnom inžinierstve je tiež potrebné zvážiť faktory, ako je hustota média, teplota, tlak, Reynoldsovo číslo, štruktúra škrtiaceho zariadenia a podmienky inštalácie. Preto vysoko presné meranie prietoku zvyčajne vyžaduje kompenzáciu súvisiacich parametrov.
2. Meranie hladiny kvapaliny
Snímače diferenčného tlaku možno použiť aj na meranie hladín kvapaliny v nádrži pomocou tlaku generovaného stĺpcom kvapaliny.
Základný vzťah pre tlak v kolóne kvapaliny je:
ΔP=ρgh
kde:
• ρ je hustota kvapaliny;
• g je gravitačné zrýchlenie;
• h je výška hladiny kvapaliny.
Preto, keď je hustota relatívne stabilná, hladinu kvapaliny možno vypočítať meraním rozdielu tlaku generovaného stĺpcom kvapaliny.
Pri otvorených nádržiach možno hladinu kvapaliny zvyčajne merať pomocou vzťahu medzi tlakom na dne nádrže a atmosférickým tlakom; pri uzavretých nádržiach je potrebné vziať do úvahy aj tlak plynnej fázy v hornej časti nádrže, takže avysielač diferenčného tlakusa zvyčajne používa na pripojenie k spodnej a hornej časti nádrže.
V nádržiach s vysokou teplotou, vysokým vákuom alebo prchavými médiami je potrebné ďalej zvážiť faktory ako kondenzát, zmeny hustoty a vzdialené tesnenia.
3. Monitorovanie diferenciálneho tlaku filtra
Počas normálnej prevádzky filtra vytvára filtračné médium určitú tlakovú stratu. Ako sa filtračná vložka postupne upcháva, tlakový rozdiel medzi prednou a zadnou stranou sa bude neustále zvyšovať.
Preto môžu byť na vstupe a výstupe filtra nainštalované tlakové kohútiky na monitorovanie v reálnom-čase prostredníctvom vysielača rozdielu tlaku:
ΔP=P_inlet − P_outlet
Keď diferenčný tlak dosiahne nastavenú hodnotu, riadiaci systém môže vydať alarm, aby pripomenul personálu údržby, aby skontroloval alebo vymenil filtračný prvok.
Táto metóda je široko používaná pri filtrácii vzduchu, kvapalinovej filtrácii, spracovaní ropy a plynu a priemyselných systémoch na odstraňovanie prachu.
4. Monitorovanie prevádzky čerpadla, ventilátora a kompresora
V zariadeniach, ako sú čerpadlá, ventilátory a kompresory, môže vstupný-výstupný rozdielový tlak slúžiť ako jeden z dôležitých parametrov na posúdenie prevádzkového stavu zariadenia.
Napríklad monitorovanie tlakového rozdielu medzi vstupom a výstupom čerpadla môže pomôcť pri posudzovaní prevádzkových podmienok čerpadla; v plynových dopravných systémoch možno na monitorovanie prevádzkového stavu použiť aj zmeny diferenčného tlaku pred a za ventilátormi alebo kompresormi.
Je potrebné poznamenať, že diferenčný tlak zariadenia nemôže predstavovať iba zdravotný stav zariadenia. V inžinierskych aplikáciách je zvyčajne potrebné kombinovať parametre, ako je prietok, teplota, vibrácie a prúd pre komplexné posúdenie.
5. Čisté systémy a ventilačné systémy
V čistých priestoroch, laboratóriách, farmaceutických dielňach a vzduchotechnických systémoch je potrebné udržiavať určitý tlakový gradient medzi rôznymi oblasťami.
Použitím snímačov diferenčného tlaku na meranie rozdielu tlaku medzi dvoma oblasťami je možné určiť, či je čistá oblasť udržiavaná v špecifikovanom stave tlaku.
Napríklad v čistých priestoroch, ktoré potrebujú udržiavať pretlak, je možné monitorovať tlakový rozdiel medzi miestnosťou a priľahlými oblasťami; na niektorých miestach vyžadujúcich kontrolu podtlaku možno na posúdenie stavu podtlaku použiť signál diferenčného tlaku.
6. Vzduchotesnosť a detekcia netesností
V oblastiach, ako je presná výroba, automobilové diely, armatúry ventilov a medicínske prístroje, možno meranie rozdielu tlaku použiť aj na testovanie vzduchotesnosti.
Počas procesu testovania sa do testovaného objektu naplní určitý tlak testovacieho plynu a sledovaním zmeny tlaku pred testom a po ňom je možné zistiť, či testovaný objekt vykazuje netesnosti.
Na detekciu nízkeho tlakového rozdielu a mikro{0}}netesnosti sa zvyčajne kladú vyššie požiadavky na rozlíšenie, stabilitu, teplotnú kompenzáciu a rýchlosť odozvy snímača rozdielu tlaku.
IV. Kľúčové technické problémy pri meraní diferenčného tlaku
Meranie diferenčného tlaku sa môže zdať jednoduché, ale v skutočných technických aplikáciách existuje viacero ovplyvňujúcich faktorov.
Prvým je impulzný potrubný systém. Dĺžka, vnútorný priemer, inštalačná výška impulzných vedení a či sú vo vedení vzduchové bubliny, nahromadenie kvapaliny alebo usadzovanie častíc môžu ovplyvniť výsledky merania. Pri kvapalných médiách je potrebné zabrániť vstupu plynu do impulzných vedení; pri plynových médiách je potrebné zabrániť hromadeniu kondenzátu.
Druhým je spôsob inštalácie. Vysokotlaková a nízkotlaková-strana vysielača diferenčného tlaku musia byť správne pripojené k procesnému potrubiu a podľa stavu média by sa mala zvoliť primeraná poloha odberu tlaku. V prípade médií, ako je para{3}} s vysokou teplotou, je tiež potrebné použiť kondenzát na vytvorenie tekutého uzáveru, ktorý zabráni priamemu vniknutiu média s vysokou-teplotou do vysielača.
Tretím je teplotný efekt. Samotný snímač má teplotné charakteristiky a zmeny teploty média môžu tiež spôsobiť zmeny hustoty. Preto si vysoko presné meranie diferenčného tlaku zvyčajne vyžaduje teplotnú kompenzáciu a niektoré aplikácie prietoku a hladiny kvapaliny ďalej vyžadujú kompenzáciu hustoty.
Okrem toho pri aplikáciách s vysokým statickým tlakom a nízkym rozdielom tlaku je potrebné venovať osobitnú pozornosť vplyvu statického tlaku, kapacite preťaženia a stabilite nulového-bodu. Napríklad pri meraní malého diferenčného tlaku niekoľko kPa pri tlakoch v potrubí niekoľko MPa alebo aj vyšších musí snímač odolať nielen vysokému statickému tlaku, ale aj presne riešiť veľmi malé zmeny diferenčného tlaku, čo kladie vyššie nároky na konštrukciu snímača a technológiu spracovania signálu.
V. Zhrnutie
Podstatou merania diferenčného tlaku je presné získanie tlakového rozdielu medzi dvoma tlakovými bodmi, pričom základný vzorec je ΔP=P₁−P₂. Prostredníctvom tohto základného parametra je možné ďalej realizovať merania rôznych priemyselných parametrov, ako je prietok, hladina kvapaliny, diferenčný tlak filtra, prevádzkový stav zariadenia a vzduchotesnosť.
V skutočnom strojárstve, výbervysielače diferenčného tlakuby sa nemali zameriavať len na rozsah a presnosť merania, ale komplexne zvážiť aj statický tlak, kapacitu preťaženia, vplyv statického tlaku, teplotný rozsah, charakteristiky média, zmáčané materiály, metódu impulzného vedenia, výstupný signál a podmienky inštalácie.
S neustálym vývojom systémov priemyselnej automatizácie a riadenia procesov sa meranie diferenčného tlaku vyvíja z tradičnej detekcie jedného-parametra smerom k vysokej presnosti, digitalizácii a inteligentnej diagnostike. V prípade zložitých priemyselných prevádzkových podmienok bude technológia snímačov, teplotná kompenzácia, kompenzácia statického tlaku a funkcie digitálneho spracovania signálu priamo ovplyvňovať dlhodobú-stabilitu a praktickú aplikačnú účinnosť systému merania rozdielu tlaku.
