Измерването на диференциално налягане е незаменимо в процесите на промишлен контрол. Същността му е да измерва разликата в налягането между две различни точки в един и същ тръбопровод, резервоар, оборудване или процес, т.е. разликата в налягането между страната с високо-налягане и страната с ниско-налягане. В сравнение с -точковото измерване на налягането, измерването на диференциалното налягане не само отразява промените в самото налягане, но може да се използва и за непряко измерване на параметри като скорост на потока, ниво на течността, диференциално налягане на филтъра и работно състояние на оборудването. Поради това той се използва широко в индустрии като петрол, природен газ, химическа, енергетика, фармацевтична, хранителна, металургична и пречистваща вода.
В действителните промишлени обекти диференциалното налягане обикновено се открива с помощта на трансмитер за диференциално налягане. Предавателят въвежда две измерени налягания съответно през страната с високо-налягане (H) и страната с ниско{2}}налягане (L). След като сензорът усети действието на налягането от двете страни, той преобразува разликата в налягането в електрически сигнал. След обработка на сигнала, температурна компенсация и изчисления на линеаризация, той извежда стандартни сигнали като 4~20mA, HART, RS485/Modbus, осигурявайки стабилни данни от измерване на процеса за системи за управление, PLC, DCS или системи за събиране на данни.
Ключът към измерването на диференциалното налягане не е просто „измерване на две налягания и след това изваждането им“, а по-скоро цялостно разглеждане на фактори като диапазон на измерване, статично налягане, температура, плътност на средата, метод на инсталиране, импулсна тръбопроводна система и производителност на сензора. Особено при работни условия като високо статично налягане, ниско диференциално налягане, висока температура и корозивни среди, измерването на диференциалното налягане поставя високи изисквания към структурата на сензора, алгоритмите за температурна компенсация и цялостното качество на монтаж на инструмента.
I. Какво е диференциално налягане?
1. Основни понятия за диференциално налягане
Диференциалното налягане (DP) е разликата в налягането между две точки на измерване на налягането и нейната основна връзка е:
ΔP = P₁ − P₂
където:
• ΔP: Диференциално налягане;
• P₁: Високо-странично налягане;
• P₂: Ниско-странично налягане.
Например, ако входното налягане на определено оборудване в тръбопровод е 0,80MPa и изходното налягане е 0,65MPa, диференциалното налягане между двете точки е:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Знакът на диференциалното налягане зависи от дефиницията на страните с високо и ниско-налягане. Когато високото-налягане е по-високо от ниското-налягане, изходът е положително диференциално налягане; обратно, може да се прояви като отрицателно диференциално налягане. Следователно, по време на избора и инсталирането на трансмитери за диференциално налягане, е необходимо правилно да се потвърди съответствието между H и L интерфейсите и технологичния тръбопровод.
2. Принцип на работа на измерване на диференциално налягане
Типичентрансмитер за диференциално наляганеосновно се състои от интерфейси за налягане, изолационни диафрагми, сензорно ядро, вериги за обработка на сигнали, модули за температурна компенсация и изходни вериги.
Процесната среда влиза съответно в страната с високо-налягане и страната с ниско{1}}налягане на предавателя. Натискът от двете страни действа върху чувствителния елемент чрез изолационната система, карайки сензора да произвежда физически промени, свързани с разликата в налягането. Вземайки капацитивни, пиезорезистивни или монокристални силициеви технологии за отчитане на налягането като примери, сензорът преобразува тази механична промяна в електрически сигнал.
След аналогово-в-цифрово преобразуване, цифрово филтриране, температурна компенсация, линеаризация и калибриране, инструментът преобразува измереното диференциално налягане в стандартен изходен сигнал.
За 4~20mA изходен трансмитер за диференциално налягане неговият теоретичен изход може да се изрази като:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Например, ако обхватът на измерване на диференциалното налягане е 0~100kPa, когато действителното диференциално налягане е 50kPa, теоретичният резултат е:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Следователно системата за управление може да изведе действителното диференциално налягане въз основа на изходния сигнал на трансмитера.
3. Разлика между диференциално налягане и статично налягане
Много важна концепция при измерването на диференциалното налягане е "статичното налягане".
Да приемем, че високото-странично налягане е 10MPa, а ниското-странично налягане е 9,9MPa, тогава:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
В този момент, въпреки че измереното диференциално налягане е само 0,1 MPa, действителното статично налягане, понесено от трансмитера, може да бъде близо до 10 MPa.
Следователно трансмитерът за диференциално налягане трябва не само да отговаря на изискването за диапазон на диференциално налягане, но и да отговаря на изискването за максимално работно статично налягане.
Това също е една от важните разлики между измерването на диференциалното налягане и обикновеното измерване на налягането по отношение на избора. За приложения с високо статично налягане и ниско диференциално налягане, ако се вземе предвид само обхватът на диференциалното налягане, като се игнорира възможността за статично налягане, това може да причини значително влияние на статичното налягане върху сензора, като по този начин намали точността на измерване.
II. Как да проверите техническите параметри за диференциално налягане
Измерване
Изборът на трансмитер за диференциално налягане не трябва да гледа само на "диапазон" и "точност". При практически приложения се препоръчва систематично да се проверяват според следните параметри.
1. Диапазон на измерване
Първо, определете минималното диференциално налягане, нормалното диференциално налягане и максималното диференциално налягане, което действително може да възникне в технологичната система.
Например нормалният спад на налягането на определен филтър по време на работа е около 20kPa и може да достигне 80kPa при запушени условия. Подходящ диапазон на диференциално налягане може да бъде избран според изискванията на процеса.
Ако диапазонът е твърде голям, действителната работна точка ще бъде в долния интервал на диапазона за дълго време, което ще повлияе на ефективната разделителна способност на измерване; ако обхватът е твърде малък, той може да надхвърли обхвата при необичайни работни условия.
2. Статично налягане
Статичното налягане е параметър, на който трябва да се обърне специално внимание при избора на трансмитери за диференциално налягане.
Например:
• Диапазон на диференциално налягане: 0~10kPa
• Налягане в тръбопровода: 4MPa
• Действително диференциално налягане: 5kPa
На този етап не може просто да се счита, че инструментът трябва да отговаря само на капацитета на налягане от 10kPa; също така е необходимо да се потвърди, че трансмитерът може да издържи на работно статично налягане от около 4MPa и да се провери влиянието на статичното налягане върху нулевата точка и диапазона.
3. Точност
Точността на трансмитерите за диференциално налягане обикновено се изразява като процент от пълната скала, като ±0,1%FS, ±0,075%FS и т.н.
За предавател с обхват 0~100kPa и точност от ±0,1% FS, теоретичната основна величина на грешката е:
100kPa × 0,1%=±0,1kPa
Трябва да се отбележи, че действителната грешка при измерване може също да бъде повлияна от фактори като температура, статично налягане, позиция на монтаж, импулсен тръбопровод и -дългосрочна стабилност. Следователно инженерният подбор не може просто да сравнява „число за точност“.
4. Капацитет на претоварване и влияние на статичното налягане
Индустриалните обекти може да получат неправилно функциониране на клапаните, колебания в налягането, удари при стартиране и т.н., така че е необходимо да потвърдите капацитета на претоварване от една-страна на трансмитера и максималното статично налягане.
Особено при измерване на диференциално налягане при високо статично налягане трябва да се обърне внимание и на дрейфа на нулата, причинен от промени в статичното налягане. Високо{1}}ефективните трансмитери за диференциално налягане обикновено намаляват тези ефекти чрез дизайн на структурата на сензора и алгоритми за компенсация на статичното налягане.
5. Температура и условия на средата
Необходимо е да се провери температурата на процеса, температурата на околната среда и дали средата е корозивна, вискозна, кристализираща или съдържа твърди частици.
За високо{0}}температурни среди въздействието на температурата на процеса върху трансмитера може да бъде намалено чрез кондензни съдове, охлаждащи ребра или дистанционни уплътнения; за корозивни среди е необходимо да изберете подходяща диафрагма и намокрени материали въз основа на естеството на средата, като 316L, Hastelloy, Tantalum и др.
6. Изходни и комуникационни методи
Общите резултати включват:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Други методи за цифрова комуникация.
За традиционните DCS и PLC системи, 4~20mA все още има висока приложимост; за системи, изискващи дистанционна настройка на параметри, диагностика и поддръжка, могат да се имат предвид продукти с HART комуникационна функционалност.
III. Какви са приложенията на измерването на диференциално налягане?
Най-голямата характеристика на измерването на диференциалното налягане е, че то може да получи други параметри на процеса чрез разликата в налягането, така че обхватът му на приложение далеч надхвърля обикновеното „откриване на разлика в налягането“.
1. Измерване на дебита в тръбопровода
Измерването на потока на диференциално налягане е едно от класическите приложения в измерването на индустриални процеси.
Когато флуидът преминава през дроселиращи устройства като дюзи, дюзи или тръби на Вентури, скоростта на флуида се променя, създавайки разлика в налягането преди и след дроселиращото устройство. Според взаимовръзките на механиката на флуидите има определена връзка между дебита и корен квадратен от диференциалното налягане:
Q ∝ √ΔP
При идеални условия може да се изрази като:
Q = C√ΔP
Където Q е дебитът, а C е цялостен коефициент, свързан с естеството на средата, структурата на тръбопровода и дроселиращото устройство.
Следователно, чрез измерване на диференциалното налягане преди и след дроселиращото устройство, дебитът на тръбопровода може да бъде индиректно изчислен.
В действителното инженерство също трябва да се вземат предвид фактори като средна плътност, температура, налягане, число на Рейнолдс, структура на дроселиращото устройство и условия на инсталиране. Следователно високо{1}}прецизното измерване на потока обикновено изисква компенсиране на свързани параметри.
2. Измерване на нивото на течността
Трансмитерите за диференциално налягане могат също да се използват за измерване на нивата на течността в резервоара, като се използва налягането, генерирано от стълба течност.
Основната връзка за налягането на течния стълб е:
ΔP=ρgh
където:
• ρ е плътността на течността;
• g е гравитационното ускорение;
• h е височината на нивото на течността.
Следователно, когато плътността е относително стабилна, нивото на течността може да се изчисли чрез измерване на диференциалното налягане, генерирано от колоната на течността.
За отворени резервоари нивото на течността обикновено може да се измери, като се използва връзката между налягането на дъното на резервоара и атмосферното налягане; за затворени резервоари трябва да се вземе предвид и налягането на газовата фаза в горната част на резервоара, така че aтрансмитер за диференциално наляганеобикновено се използва за свързване съответно към дъното и горната част на резервоара.
В резервоари с висока температура, висок вакуум или летлива среда фактори като кондензат, промени в плътността и дистанционни уплътнения се нуждаят от допълнително внимание.
3. Мониторинг на диференциалното налягане на филтъра
По време на нормална работа на филтъра филтърната среда създава известна загуба на налягане. Тъй като филтърният елемент постепенно се запушва, разликата в налягането между предната и задната част непрекъснато ще се увеличава.
Следователно кранове за налягане могат да бъдат монтирани съответно на входа и изхода на филтъра за наблюдение в реално-време чрез предавател за диференциално налягане:
ΔP=P_inlet − P_outlet
Когато диференциалното налягане достигне зададената стойност, системата за управление може да издаде аларма, за да напомни на персонала по поддръжката да провери или смени филтърния елемент.
Този метод се използва широко при филтриране на въздух, филтриране на течности, обработка на нефт и газ и промишлени системи за отстраняване на прах.
4. Наблюдение на работата на помпата, вентилатора и компресора
В оборудване като помпи, вентилатори и компресори диференциалното налягане на входа-изхода може да служи като един от важните параметри за преценка на работното състояние на оборудването.
Например, наблюдението на разликата в налягането между входа и изхода на помпата може да помогне при преценката на работното състояние на помпата; в системите за транспортиране на газ промените в диференциалното налягане преди и след вентилаторите или компресорите също могат да се използват за наблюдение на работния статус.
Трябва да се отбележи, че диференциалното налягане на оборудването не може да представлява само здравословното състояние на оборудването. В инженерните приложения обикновено е необходимо да се комбинират параметри като скорост на потока, температура, вибрации и ток за цялостна преценка.
5. Чисти системи и вентилационни системи
В чисти стаи, лаборатории, фармацевтични работилници и системи за обработка на въздух трябва да се поддържа определен градиент на налягането между различните зони.
Чрез използване на трансмитери за диференциално налягане за измерване на разликата в налягането между две зони може да се определи дали чистата зона се поддържа при определеното състояние на налягане.
Например, в чисти зони, които трябва да поддържат положително налягане, може да се следи разликата в налягането между помещението и съседните зони; на някои места, изискващи контрол на отрицателното налягане, сигналът за диференциално налягане може да се използва за преценка на състоянието на отрицателно налягане.
6. Херметичност и откриване на течове
В области като прецизно производство, автомобилни части, фитинги на клапани и медицински устройства, измерването на диференциално налягане може да се използва и за изпитване на херметичност.
По време на процеса на тестване в тестовия обект се зарежда определено налягане на тестовия газ и чрез наблюдение на промяната на налягането преди и след теста може да се определи дали тестовият обект има течове.
За ниско диференциално налягане и откриване на микро{0}}течове обикновено се поставят по-високи изисквания към разделителната способност на сензора за диференциално налягане, стабилността, температурната компенсация и скоростта на реакция.
IV. Ключови инженерни въпроси при измерване на диференциално налягане
Измерването на диференциално налягане може да изглежда просто, но има множество влияещи фактори в действителните инженерни приложения.
Първо е импулсната тръбопроводна система. Дължината, вътрешният диаметър, височината на монтаж на импулсните линии и дали има въздушни мехурчета, натрупване на течност или отлагане на частици вътре в линиите може да повлияе на резултатите от измерването. За течни среди е необходимо да се избягва навлизането на газ в импулсните линии; за газови среди е необходимо да се избягва натрупването на кондензат.
На второ място е методът на инсталиране. Страните за високо и ниско-налягане на трансмитера за диференциално налягане трябва да бъдат правилно свързани към технологичния тръбопровод и трябва да се избере подходяща позиция за отвеждане на налягането въз основа на състоянието на средата. За среди като пара с висока-температура също е необходимо да се използва кондензат за образуване на течно уплътнение, за да се предотврати директното навлизане на средата с висока-температура в трансмитера.
Трето е температурният ефект. Самият сензор има температурни характеристики и промените в температурата на средата могат също да причинят промени в плътността. Следователно високо{2}}прецизното измерване на диференциалното налягане обикновено изисква температурна компенсация, а някои приложения за поток и ниво на течност допълнително изискват компенсация на плътността.
В допълнение, за приложения с високо статично налягане и ниско диференциално налягане трябва да се обърне специално внимание на влиянието на статичното налягане, капацитета на претоварване и стабилността на нулевата -точка. Например, когато се измерва малко диференциално налягане от няколко kPa при налягане в тръбопровода от няколко MPa или дори по-високо, сензорът трябва не само да издържа на високо статично налягане, но също така точно да разрешава много малки промени в диференциалното налягане, което поставя по-високи изисквания към структурата на сензора и технологията за обработка на сигнала.
V. Резюме
Същността на измерването на диференциалното налягане е да се получи точно разликата в налягането между две точки на налягане, като основната формула е ΔP=P₁−P₂. Чрез този основен параметър могат допълнително да се реализират измервания на различни промишлени параметри като дебит, ниво на течността, диференциално налягане на филтъра, работно състояние на оборудването и херметичност.
В действителното инженерство изборът натрансмитери за диференциално наляганетрябва не само да се съсредоточи върху обхвата и точността на измерване, но също така да вземе предвид статичното налягане, капацитета на претоварване, влиянието на статичното налягане, температурния диапазон, характеристиките на средата, намокрените материали, метода на импулсната линия, изходния сигнал и условията на инсталиране.
С непрекъснатото развитие на индустриалната автоматизация и системите за контрол на процесите измерването на диференциално налягане се развива от традиционното откриване на един-параметър към висока прецизност, дигитализация и интелигентна диагностика. За сложни промишлени условия на работа сензорната технология, температурната компенсация, компенсацията на статичното налягане и възможностите за цифрова обработка на сигнали ще повлияят пряко върху дългосрочната-стабилност и ефективността на практическото приложение на системата за измерване на диференциално налягане.
