Paine-eron mittaus on välttämätöntä teollisissa ohjausprosesseissa. Sen ydin on mitata paine-ero kahden eri pisteen välillä samassa putkilinjassa, säiliössä, laitteistossa tai prosessissa, eli paine-ero korkean-paineen puolen ja matalan{4}}paineen puolen välillä. Verrattuna yhden-pisteen painemittaukseen, paine-eron mittaus ei heijasta ainoastaan paineen muutoksia, vaan sitä voidaan käyttää myös parametrien, kuten virtausnopeuden, nesteen pinnan, suodattimen paine-eron ja laitteiden toimintatilan, epäsuoraan mittaukseen. Siksi sitä käytetään laajasti teollisuudenaloilla, kuten öljy-, maakaasu-, kemian-, sähkö-, lääke-, elintarvike-, metallurgiassa ja vedenkäsittelyssä.
Varsinaisissa teollisuuskohteissa paine-ero havaitaan tyypillisesti paine-erolähettimellä. Lähetin syöttää kaksi mitattua painetta korkean -painepuolen (H) ja matalan -painepuolen (L) kautta. Kun anturi havaitsee paineen molemmin puolin, se muuntaa paine-eron sähköiseksi signaaliksi. Signaalin käsittelyn, lämpötilan kompensoinnin ja linearisointilaskelmien jälkeen se tuottaa vakiosignaaleja, kuten 4~20 mA, HART, RS485/Modbus, tarjoten vakaata prosessimittaustietoa ohjausjärjestelmille, PLC:ille, DCS:lle tai tiedonkeruujärjestelmille.
Paine-eron mittaamisen avain ei ole vain "kahden paineen mittaaminen ja niiden vähentäminen", vaan se, että otetaan kattavasti huomioon sellaiset tekijät kuin mittausalue, staattinen paine, lämpötila, keskitiheys, asennustapa, impulssiputkijärjestelmä ja anturin suorituskyky. Erityisesti käyttöolosuhteissa, kuten korkea staattinen paine, pieni paine-ero, korkea lämpötila ja syövyttävät aineet, paine-eron mittaus asettaa korkeat vaatimukset anturin rakenteelle, lämpötilan kompensointialgoritmeille ja laitteen yleiselle asennuslaadulle.
I. Mikä on paine-ero?
1. Paine-eron peruskäsitteet
Paine-ero (DP) on paine-ero kahden paineen mittauspisteen välillä, ja sen perussuhde on:
ΔP = P₁ − P₂
Jossa:
• ΔP: Paine-ero;
• P₁: Korkea{0}}sivupaine;
• P₂: Matala{0}}sivupaine.
Esimerkiksi, jos putkilinjassa olevan tietyn laitteen tulopaine on 0,80 MPa ja ulostulopaine 0,65 MPa, paine-ero näiden kahden pisteen välillä on:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Paine-eron etumerkki riippuu korkean ja matalan -painepuolen määritelmästä. Kun korkea-sivupaine on korkeampi kuin matala-sivupaine, lähtö on positiivinen paine-ero; päinvastoin se voi ilmetä negatiivisena paine-erona. Siksi paine-erolähettimien valinnan ja asennuksen aikana on tarpeen varmistaa oikein H- ja L-rajapintojen ja prosessiputkiston välinen vastaavuus.
2. Paine-eron mittauksen toimintaperiaate
Tyypillinenpaine-eron lähetinkoostuu pääasiassa paineliitännöistä, eristyskalvoista, anturiytimestä, signaalinkäsittelypiireistä, lämpötilan kompensointimoduuleista ja lähtöpiireistä.
Prosessimateriaali menee lähettimen korkean{0}}paineen puolelle ja matalan{1}}paineen puolelle. Molemmilla puolilla olevat paineet vaikuttavat herkkään elementtiin eristysjärjestelmän kautta, jolloin anturi tuottaa paine-eroon liittyviä fyysisiä muutoksia. Esimerkkinä kapasitiivisista, pietsoresistiivisistä tai monokiteisistä piin paineentunnistustekniikoista anturi muuntaa tämän mekaanisen muutoksen sähköiseksi signaaliksi.
Analogisen-digitaalisen muuntamisen, digitaalisen suodatuksen, lämpötilan kompensoinnin, linearisoinnin ja kalibroinnin jälkeen laite muuntaa mitatun paine-eron vakiolähtösignaaliksi.
4-20 mA:n lähtöpaine-erolähettimelle sen teoreettinen teho voidaan ilmaista seuraavasti:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Esimerkiksi jos paine-eron mittausalue on 0–100 kPa, kun todellinen paine-ero on 50 kPa, teoreettinen lähtö on:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Siksi ohjausjärjestelmä voi päätellä todellisen paine-eron lähettimen lähtösignaalin perusteella.
3. Ero paine-eron ja staattisen paineen välillä
Erittäin tärkeä käsite paine-eron mittauksessa on "staattinen paine".
Oletetaan, että korkea-sivupaine on 10 MPa ja pieni-sivupaine 9,9 MPa, niin:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Tässä vaiheessa, vaikka mitattu paine-ero on vain 0,1 MPa, lähettimen todellinen staattinen paine voi olla lähellä 10 MPa.
Siksi paine-eron lähettimen ei tule ainoastaan täyttää paine-eroalueen vaatimus vaan myös staattisen käyttöpaineen enimmäisvaatimus.
Tämä on myös yksi tärkeimmistä eroista paine-eron mittauksen ja tavallisen paineen mittauksen välillä valinnan kannalta. Korkean staattisen paineen ja alhaisen paine-eron sovelluksissa, jos vain paine-eroalue otetaan huomioon ottamatta huomioon staattisen paineen kyky, se voi aiheuttaa merkittävän staattisen paineen vaikutuksen anturiin, mikä heikentää mittaustarkkuutta.
II. Paine-eron teknisten parametrien tarkistaminen
Mittaus
Paine-erolähettimen valinnassa ei tulisi tarkastella vain "aluetta" ja "tarkkuutta". Käytännön sovelluksissa on suositeltavaa tarkistaa järjestelmällisesti seuraavien parametrien mukaan.
1. Mittausalue
Määritä ensin pienin paine-ero, normaali paine-ero ja suurin paine-ero, joita prosessijärjestelmässä voi esiintyä.
Esimerkiksi tietyn suodattimen normaali painehäviö käytön aikana on noin 20 kPa ja tukkeutuneissa olosuhteissa se voi olla jopa 80 kPa. Sopiva paine-eroalue voidaan valita prosessivaatimusten mukaan.
Jos alue on liian suuri, todellinen toimintapiste on pitkään alemmalla alueella, mikä vaikuttaa tehokkaaseen mittausresoluutioon; jos alue on liian pieni, se voi ylittää alueen epänormaaleissa käyttöolosuhteissa.
2. Staattinen paine
Staattinen paine on parametri, johon on kiinnitettävä erityistä huomiota paine-erolähettimiä valittaessa.
Esimerkiksi:
• Paine-eroalue: 0 ~ 10 kPa
• Putkiston paine: 4 MPa
• Todellinen paine-ero: 5 kPa
Tässä vaiheessa ei voida yksinkertaisesti katsoa, että laitteen tarvitsee täyttää vain 10 kPa:n painekapasiteetti; on myös tarpeen varmistaa, että lähetin kestää noin 4 MPa:n staattisen käyttöpaineen ja tarkistaa staattisen paineen vaikutus nollapisteeseen ja -alueeseen.
3. Tarkkuus
Paine-erolähettimien tarkkuus ilmaistaan yleensä prosentteina täydestä asteikosta, kuten ±0,1%FS, ±0,075%FS jne.
Lähettimelle, jonka alue on 0–100 kPa ja tarkkuus ±0,1 % FS, teoreettinen perusvirheen suuruus on:
100 kPa × 0,1 %=±0,1 kPa
On huomattava, että todelliseen mittausvirheeseen voivat vaikuttaa myös sellaiset tekijät kuin lämpötila, staattinen paine, asennusasento, impulssiputkisto ja pitkäaikainen{0}}vakaus. Siksi tekninen valinta ei voi vain verrata "tarkkuuslukua".
4. Ylikuormituskapasiteetti ja staattisen paineen vaikutus
Teollisuustyömailla saattaa esiintyä venttiilien toimintahäiriöitä, paineenvaihteluja, käynnistysiskuja jne., joten on tarpeen varmistaa lähettimen yksipuolinen ylikuormituskyky ja suurin staattinen paine.
Erityisesti korkean staattisen paineen paine-eron mittauksessa on kiinnitettävä huomiota myös staattisen paineen muutoksen aiheuttamaan nollapoikkeamaan. Suorituskykyiset paine-erolähettimet yleensä vähentävät näitä vaikutuksia anturirakenteen suunnittelun ja staattisen paineen kompensointialgoritmien avulla.
5. Lämpötila ja keskiolosuhteet
On tarpeen tarkistaa prosessilämpötila, ympäristön lämpötila ja se, onko väliaine syövyttävää, viskoosia, kiteytyvää tai sisältääkö kiinteitä hiukkasia.
Korkean-lämpötilojen osalta prosessilämpötilan vaikutusta lähettimeen voidaan vähentää kondenssivesiastioiden, jäähdytysrivien tai etätiivisteiden avulla. syövyttäviä aineita varten on tarpeen valita sopiva kalvo ja kostutetut materiaalit väliaineen luonteen perusteella, kuten 316L, Hastelloy, Tantaali jne.
6. Tulostus- ja viestintämenetelmät
Yleisiä tuotoksia ovat:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Muut digitaaliset viestintätavat.
Perinteisissä DCS- ja PLC-järjestelmissä 4 ~ 20 mA:lla on edelleen hyvä kenttäkäyttömahdollisuus; järjestelmissä, jotka vaativat parametrien etäasetusta, diagnostiikkaa ja huoltoa, voidaan harkita tuotteita, joissa on HART-viestintätoiminto.
III. Mitkä ovat paine-eron mittauksen sovellukset?
Paine-eron mittauksen suurin ominaisuus on, että se voi saada muita prosessiparametreja paine-eron kautta, joten sen käyttöalue ylittää huomattavasti yksinkertaisen "paine-eron havaitsemisen".
1. Putkilinjan virtauksen mittaus
Paine-eromittaus on yksi klassisista sovelluksista teollisen prosessin mittauksessa.
Kun neste kulkee kuristuslaitteiden, kuten suutinlevyjen, suuttimien tai Venturi-putkien läpi, nesteen nopeus muuttuu, jolloin syntyy paine-ero ennen kuristuslaitetta ja sen jälkeen. Nestemekaniikan suhteiden mukaan virtausnopeuden ja paine-eron neliöjuuren välillä on tietty suhde:
Q ∝ √ΔP
Ihanteellisissa olosuhteissa se voidaan ilmaista seuraavasti:
Q = C√ΔP
Missä Q on virtausnopeus ja C on kattava kerroin, joka liittyy väliaineen, putkilinjan rakenteen ja kuristuslaitteen luonteeseen.
Siksi mittaamalla paine-ero ennen kuristuslaitetta ja sen jälkeen voidaan epäsuorasti laskea putkilinjan virtausnopeus.
Varsinaisessa suunnittelussa on myös otettava huomioon tekijät, kuten keskitiheys, lämpötila, paine, Reynoldsin luku, kuristuslaitteen rakenne ja asennusolosuhteet. Siksi suuri-tarkka virtausmittaus vaatii yleensä asiaan liittyvien parametrien kompensoinnin.
2. Nesteen tason mittaus
Paine-erolähettimiä voidaan käyttää myös säiliön nestetasojen mittaamiseen käyttämällä nestepatsaan tuottamaa painetta.
Nestekolonnin paineen perussuhde on:
ΔP=ρgh
Jossa:
• ρ on nesteen tiheys;
• g on painovoiman aiheuttama kiihtyvyys;
• h on nestepinnan korkeus.
Siksi, kun tiheys on suhteellisen vakaa, nestetaso voidaan laskea mittaamalla nestepatsaan synnyttämä paine-ero.
Avoimissa säiliöissä nestetaso voidaan yleensä mitata käyttämällä säiliön pohjan paineen ja ilmanpaineen välistä suhdetta; suljetuissa säiliöissä on otettava huomioon myös kaasufaasin paine säiliön yläosassa, joten apaine-eron lähetinkäytetään yleensä yhdistämään säiliön pohjaan ja yläosaan.
Säiliöissä, joissa on korkea lämpötila, suuri tyhjiö tai haihtuvia aineita, sellaisia tekijöitä kuin kondensaatti, tiheyden muutokset ja etätiivisteet on harkittava tarkemmin.
3. Suodattimen paine-eron valvonta
Normaalin suodattimen toiminnan aikana suodatinaine tuottaa tietyn painehäviön. Kun suodatinelementti tukkeutuu vähitellen, etu- ja takaosan välinen paine-ero kasvaa jatkuvasti.
Siksi painehanat voidaan asentaa suodattimen sisääntuloon ja vastaavasti ulostuloon valvomaan reaaliajassa-paine-erolähettimen kautta:
ΔP=P_sisääntulo − P_ulostulo
Kun paine-ero saavuttaa asetetun arvon, ohjausjärjestelmä voi antaa hälytyksen, joka muistuttaa huoltohenkilöstöä suodatinelementin tarkistamisesta tai vaihtamisesta.
Tätä menetelmää käytetään laajasti ilmansuodatuksessa, nesteiden suodatuksessa, öljyn ja kaasun käsittelyssä sekä teollisissa pölynpoistojärjestelmissä.
4. Pumpun, tuulettimen ja kompressorin toiminnan valvonta
Pumppujen, puhaltimien ja kompressorien kaltaisissa laitteissa tulo-{0}}poistopaine-ero voi toimia yhtenä tärkeistä parametreista laitteiden toimintatilan arvioinnissa.
Esimerkiksi pumpun tulo- ja poistoaukon välisen paine-eron tarkkaileminen voi auttaa arvioimaan pumpun toimintakunnon; kaasunsiirtojärjestelmissä paine-eron muutoksia ennen ja jälkeen puhaltimia tai kompressoreja voidaan käyttää myös toimintatilan valvontaan.
On huomattava, että laitteen paine-ero ei voi edustaa pelkästään laitteen terveydentilaa. Teknisissä sovelluksissa on yleensä tarpeen yhdistää parametreja, kuten virtausnopeus, lämpötila, tärinä ja virta kattavan arvioinnin saamiseksi.
5. Puhdista järjestelmät ja ilmanvaihtojärjestelmät
Puhdastiloissa, laboratorioissa, lääkepajoissa ja ilmankäsittelyjärjestelmissä on säilytettävä tietty painegradientti eri alueiden välillä.
Käyttämällä paine-erolähettimiä kahden alueen paine-eron mittaamiseen, voidaan määrittää, pysyykö puhdas alue määritellyssä painetilassa.
Esimerkiksi puhtailla alueilla, joilla on ylläpidettävä positiivista painetta, huoneen ja viereisten alueiden välistä paine-eroa voidaan tarkkailla; joissakin paikoissa, jotka vaativat alipaineen säätöä, paine-erosignaalia voidaan käyttää alipainetilan arvioimiseen.
6. Ilmatiiviys ja vuodon havaitseminen
Aloilla, kuten tarkkuusvalmistus, autonosat, venttiililiittimet ja lääketieteelliset laitteet, paine-eromittausta voidaan käyttää myös ilmatiiviystestaukseen.
Testausprosessin aikana testikohteeseen syötetään tietty paine koekaasua, ja paineenmuutosta ennen ja jälkeen koetta tarkkailemalla voidaan määrittää, onko testikohteessa vuotoja.
Pienen paine-eron ja mikro{0}}vuotojen havaitsemiseksi paine-eroanturin resoluutiolle, vakaudelle, lämpötilakompensaatiolle ja vastenopeudelle asetetaan yleensä korkeammat vaatimukset.
IV. Paine-eromittauksen keskeiset tekniset ongelmat
Paine-eron mittaus saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, mutta todellisissa suunnittelusovelluksissa on useita vaikuttavia tekijöitä.
Ensimmäinen on impulssiputkijärjestelmä. Impulssilinjojen pituus, sisähalkaisija, asennuskorkeus ja se, onko linjojen sisällä ilmakuplia, nesteen kertymistä tai hiukkasten kerrostumista, voivat vaikuttaa mittaustuloksiin. Nestemäisten väliaineiden osalta on vältettävä kaasun pääsyä impulssilinjoihin; kaasuväliaineille on välttämätöntä välttää kondenssiveden kerääntymistä.
Toinen on asennustapa. Paine-eron lähettimen korkea- ja matalapainepuolet on liitettävä oikein prosessiputkistoon, ja kohtuullinen paineottoasento tulee valita väliaineen tilan perusteella. Väliaineille, kuten korkean lämpötilan -höyrylle, on myös tarpeen käyttää kondensaattia nestetiivisteen muodostamiseksi, jotta korkean lämpötilan väliaine ei pääse suoraan lähettimeen.
Kolmas on lämpötilavaikutus. Itse anturilla on lämpötilaominaisuudet, ja myös väliaineen lämpötilan muutokset voivat aiheuttaa tiheyden muutoksia. Siksi korkean -tarkkuuspaine-eron mittaus vaatii yleensä lämpötilan kompensoinnin, ja jotkin virtaus- ja nestetason sovellukset vaativat lisäksi tiheyden kompensoinnin.
Lisäksi korkean staattisen paineen ja alhaisen paine-eron sovelluksissa on kiinnitettävä erityistä huomiota staattisen paineen vaikutukseen, ylikuormituskykyyn ja nollapisteen vakauteen. Esimerkiksi, kun mitataan pientä muutaman kPa:n paine-eroa useiden MPa:n tai jopa suurempien putkistojen paineissa, anturin tulee kestää korkean staattisen paineen lisäksi myös erittäin pienet paine-eron muutokset tarkasti, mikä asettaa korkeampia vaatimuksia anturirakenteelle ja signaalinkäsittelyteknologialle.
V. Yhteenveto
Paine-eron mittauksen olemus on saada tarkasti paine-ero kahden painepisteen välillä peruskaavan ollessa ΔP=P₁−P₂. Tämän perusparametrin avulla voidaan edelleen toteuttaa erilaisten teollisten parametrien, kuten virtausnopeuden, nesteen pinnan, suodattimen paine-eron, laitteiden toimintatilan ja ilmatiiviyden mittauksia.
Varsinaisessa suunnittelussa valintapaine-erolähettimetei pitäisi keskittyä vain mittausalueeseen ja tarkkuuteen, vaan myös kattavasti staattinen paine, ylikuormituskapasiteetti, staattisen paineen vaikutus, lämpötila-alue, väliaineen ominaisuudet, kostutetut materiaalit, impulssilinjamenetelmä, lähtösignaali ja asennusolosuhteet.
Teollisuuden automaation ja prosessinohjausjärjestelmien jatkuvan kehityksen myötä paine-eron mittaus on kehittymässä perinteisestä yhden parametrin{0}}tunnistuksesta kohti suurta tarkkuutta, digitalisaatiota ja älykästä diagnostiikkaa. Monimutkaisissa teollisissa käyttöolosuhteissa anturitekniikka, lämpötilan kompensointi, staattisen paineen kompensointi ja digitaaliset signaalinkäsittelyominaisuudet vaikuttavat suoraan paine-eron mittausjärjestelmän pitkäaikaiseen vakauteen ja käytännön tehokkuuteen.
