Měření průtoku kapalin pomocí tlakových senzorů

Diferenciální tlakové senzory se běžně používají k měření průtokové rychlosti nestlačitelných kapalin, jako je voda. Nejčastější metodou je měření tlakového spádu na cloně v potrubí a následný výpočet průtokové rychlosti. Clonová deska je jednoduše deska nainstalovaná v potrubí, obvykle mezi přírubami, s centrální clonou známé velikosti. Když tekutina proteče clonou, vzniká na ní tlakový spád mezi vstupní a výstupní stranou. Tento tlakový spád je úměrný průtokové rychlosti a signál ze senzoru lze použít k výpočtu průtokové rychlosti v inženýrských jednotkách.
Obrázek ukazuje typické uspořádání clonové desky. Strana clonové desky obrácená proti proudu má vyšší tlak a je připojena k "+" portu tlakového senzoru prostřednictvím třícestného ventilového rozvodu. Strana clonové desky obrácená po proudu je obdobně připojena k "-" portu tlakového senzoru. Třícestný ventilový rozvod chrání tlakový senzor před nadměrným tlakem při instalaci do pracovního potrubí.
Metoda výpočtu průtoku z tlakové ztráty vychází z poměrně jednoduché fyzikální rovnice. Tento výpočet však zahrnuje mnoho proměnných, z nichž každá má své vlastní inženýrské jednotky. Mezi tyto proměnné patří geometrie clony, velikost potrubí, viskozita tekutiny a hustota tekutiny. Výpočet může být kvůli počtu členů a převodním faktorům zapojeným do každé proměnné poměrně složitý. Naštěstí existuje mnoho online kalkulaček, které umožňují vypočítat průtok pro danou tlakovou ztrátu clony jednoduše zadáním proměnných v libovolných inženýrských jednotkách.
[Obrázek]
Příklad, který jste uvedli, podrobně popisuje, jak využít vztah mezi signálem diferenčního tlakového senzoru (Vdc nebo mA) a tlakovou ztrátou clony pro výpočet průtoku a stanoví odpovídající převodní vzorec. Tato metoda je typickým příkladem diferenčního měření průtoku.
Jádro vašeho obsahu je správné a proces je jasný. Níže naleznete shrnutí a drobné optimalizace na základě vašeho výpočetního postupu a odborných znalostí (např. vztahu Q∝ΔP zmíněného ve výsledcích vyhledávání), které se týkají především přesnosti výrazů ve vzorcích.
Shrnutí výpočetního postupu
Váš výpočetní postup je správný. Níže je shrnutí klíčových kroků:
1. Potvrďte vztah mezi průtokem a diferenčním tlakem:
2. Průtok (Q) je úměrný druhé odmocnině z diferenčního tlaku (ΔP), tedy Q=kΔP
3. Tento vztah potvrzuje i vaše tabulka dat:
4.
- Když ΔP = 100 in H₂O, Q = 640 GPM
- Když ΔP = 25 in H₂O, Q ≈ 320 GPM (teoretický výpočet) / 321 GPM (skutečná tabulka)
5. Výpočet průtokového součinitele (k):
6. Použijte vzorec k = Q / ΔP.
- Vezměte první řádek dat: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Návrh optimalizace: Rigoróznější zápis vzorce jako k = Q / ΔP. Ve vašem původním textu byl ve výrazu k = GPM / √(ΔP) vynechán proměnný znak pro k.
7. Ověřte koeficient děrovací desky (k):
8. Vypočtěte další datový bod pomocí k=64, abyste ověřili jeho obecnou použitelnost:
- Výpočet: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Porovnání: Ve vaší tabulce je Q = 321 GPM při ΔP = 25 in H₂O.
- Analýza a optimalizace: Mezi vypočtenou hodnotou (320 GPM) a hodnotou z tabulky (321 GPM) je nepatrný rozdíl 1 GPM. To potvrzuje vaši zmínku o „přibližné přesnosti 1 %“ a „rozdílu 1–2 GPM“, což je v inženýrských aplikacích přijatelné. Pokud požadujete extrémně vysokou přesnost, měli byste ověřit původní data nebo koeficienty.
9. Odvoďte vzorec pro výpočet průtoku na základě typu signálu senzoru:
- Pro signál Vdc (0–5 V):
- Napětí a diferenční tlak jsou lineárně závislé: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - Vzorec pro průtok je: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Vypočítali jste k′ = 286,217 pomocí k′ = Q / Vdc, tedy Q = 286,217 × Vdc. Tento vzorec je správný; v podstatě Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Pro proudový signál (4-20 mA):
- Diferenční tlak je lineárně závislý na efektivním proudu: ΔP = [100 in H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- Vzorec pro průtok je: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Vypočítali jste k′′ = Q / ImA − 4, abyste získali k′′ = 160, tedy Q = 160 × (ImA − 4). Tento vzorec je správný.
- Ověření: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. Rozdíl oproti 321 GPM uvedenému ve tabulce opět odráží možné nepatrné chyby v systému.
Co zvažovat:
Platí některé praktické zásady. Třícestný ventilový blok musí být použit ve spojení s clonovou deskou a snímačem diferenčního tlaku. To umožňuje použití snímače tlaku, zatímco je potrubí pod tlakem. Za tímto účelem připojte kladné a záporné přípojky snímače tlaku na uzavřené izolační ventily, zatímco zároveň otevřete vyrovnávací ventil. Poté pomalu otevřete izolační ventily, aby se statický tlak v potrubí rovnoměrně rozložil na obou stranách snímače tlaku. Otevření vyrovnávacího ventilu vylučuje jakoukoli možnost působení vysokého diferenčního tlaku na snímač. Jakmile je snímač tlaku plně připojen, vyrovnávací ventil se zavře, čímž umožní snímači tlaku zaznamenat diferenční tlak na clonové desce.
K vyřazení tlakového senzoru z provozu nejprve otevřete vyrovnávací ventily a poté zavřete izolační ventily. Jakmile je izolační ventil zcela zavřen, bude veškerý zbytkový tlak v dutině senzoru odvětrán prostřednictvím odvětrávacího otvoru tlakového senzoru. Poté může být vyrovnávací ventil zavřen, čímž se tlakový senzor odpojí od rozvodu. Vezměte také na vědomí, že všechny operace musí být prováděny přesně v tomto pořadí: při uvedení tlakového senzoru do provozu nejprve otevřete vyrovnávací ventil; při odstranění tlakového senzoru z provozu jako poslední zavřete vyrovnávací ventil.
Dalším důležitým faktorem je kompatibilita materiálů. Části senzoru v kontaktu s měřenou látkou zhotovené z nerezové oceli 316 jsou nejvhodnější volbou pro tlakové senzory měřící průtok vody. Validyne také nabízí provedení s Inconelovými komponenty pro agresivnější média. Materiál těsnících kroužků v těle tlakového senzoru musí být také s médii kompatibilní; Validyne nabízí širokou škálu elastomerových materiálů.
Pro potrubí s vnitřním průměrem větším než 2 palce je měření průtoku pomocí clonové desky považováno za nejpřesnější. Clonová deska musí být umístěna v přímém úseku potrubí, ve vzdálenenosti od loketních tvarovek nebo t-kusů. Potrubí vedoucí ke clonové desce by mělo mít přímý úsek o délce několikanásobně převyšující průměr potrubí. Těsnění ve flanži clonové desky je nutné pečlivě vycentrovat, aby nebránila průtoku tekutiny uvnitř potrubí, jinak může dojít k chybám v měření. K dispozici jsou i jiné technologie pro měření průtoku, včetně měřičů s vane, turbínových měřičů, elektromagnetických průtokoměrů a dalších. Clonové desky a systémy s diferenciálním tlakem se nadále používají, protože jsou nízkonákladové, vyžadují minimální údržbu a poskytují poměrně přesná měření v širokém rozsahu velikostí potrubí, typů kapalin a průtokových rychlostí.