Misurazione del flusso di liquidi utilizzando sensori di pressione

I sensori di pressione differenziale vengono ampiamente utilizzati per misurare la portata di liquidi incomprimibili come l'acqua. Il metodo più comune consiste nel misurare la caduta di pressione attraverso una piastra orifizio installata in un tubo e calcolare la portata. Una piastra orifizio è semplicemente una piastra installata nel tubo, generalmente tra due flange, con un orifizio centrale di dimensione nota. Quando il fluido scorre attraverso l'orifizio, si genera una caduta di pressione tra il lato a monte e quello a valle. Questa caduta di pressione è proporzionale alla portata e il segnale del sensore può essere utilizzato per calcolare la portata in unità di misura ingegneristiche.
La figura mostra una configurazione tipica di una piastra a orificio. Il lato a monte della piastra a orificio ha una pressione maggiore e viene collegato al porto "+" del sensore di pressione tramite un collettore a tre valvole. Il lato a valle della piastra a orificio è collegato in modo simile al porto "-" del sensore di pressione. Il collettore a tre valvole protegge il sensore di pressione da sovrappressioni quando installato nella tubazione operativa.
Il metodo di calcolo per determinare la portata dalla caduta di pressione si basa su un'equazione fisica relativamente semplice. Tuttavia, il calcolo coinvolge molte variabili, ciascuna con le proprie unità di misura ingegneristiche. Queste variabili includono la geometria dell'orifizio, la dimensione della tubazione, la viscosità del fluido e la densità del fluido. Il calcolo può risultare piuttosto complesso a causa del numero di termini e di fattori di conversione coinvolti in ciascuna variabile. Fortunatamente, esistono molte calcolatrici online disponibili che ti permettono di calcolare la portata per una caduta di pressione nell'orifizio dato, semplicemente inserendo le variabili in qualsiasi unità di misura ingegneristica preferita.
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L'esempio che hai fornito illustra come utilizzare la relazione tra il segnale del sensore di pressione differenziale (Vcc o mA) e la caduta di pressione nell'orifizio per determinare la portata, stabilendo la formula di conversione corrispondente. Questo metodo rappresenta un'applicazione tipica della misurazione della portata a pressione differenziale.
Il nucleo del tuo contenuto è corretto e il processo è chiaro. Di seguito è riportato un riepilogo e una piccola ottimizzazione basata sul tuo processo di calcolo e sulle conoscenze del settore (ad esempio la relazione Q∝ΔP menzionata nei risultati di ricerca), principalmente riguardo al rigore dell'espressione della formula.
Riepilogo del processo di calcolo
La tua logica di calcolo è corretta. Di seguito è riportato un riepilogo dei passaggi principali:
1. Confermare la relazione tra portata e pressione differenziale:
2. La portata (Q) è proporzionale alla radice quadrata della pressione differenziale (ΔP), cioè Q=kΔP
3. Il tuo foglio dati conferma questa relazione:
4.
- Quando ΔP = 100 in H₂O, Q = 640 GPM
- Quando ΔP = 25 in H₂O, Q ≈ 320 GPM (calcolo teorico) / 321 GPM (tabella reale)
5. Calcolare il coefficiente dell'orifizio (k):
6. Calcolare utilizzando la formula k = Q / ΔP.
- Prendere la prima riga di dati: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Suggerimento di ottimizzazione: Scrivere in modo più rigoroso la formula come k = Q / ΔP. Nel testo originale è stata omessa la notazione della variabile per k = GPM / √(ΔP).
7. Verificare il coefficiente della piastra orifizio (k):
8. Calcolare un altro punto dati utilizzando k=64 per verificarne l'applicabilità generale:
- Calcolo: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Confronto: Nella tabella, Q = 321 GPM quando ΔP = 25 in H₂O.
- Analisi e Ottimizzazione: Esiste una piccola differenza di 1 GPM tra il valore calcolato (320 GPM) e il valore tabellare (321 GPM). Questo conferma il riferimento al "circa 1% di accuratezza" e alla "differenza di 1-2 GPM", che sono accettabili nelle applicazioni ingegneristiche. Se si desidera un'accuratezza estremamente elevata, è necessario verificare i dati o i coefficienti originali.
9. Ricavare la formula della portata in base al tipo di segnale del sensore:
- Per un segnale Vdc (0-5V):
- La tensione e la pressione differenziale sono linearmente correlate: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - La formula della portata è: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Hai calcolato k′ ​​= 286,217 utilizzando k′ = Q / Vdc, quindi Q = 286,217 × Vdc. Questa formula è corretta; in pratica, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Per un segnale mA (4-20 mA):
- La pressione differenziale è linearmente correlata alla corrente effettiva: ΔP = [100 In H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- La formula della portata è: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Hai calcolato k′′ = Q / ImA − 4 per ottenere k′′ = 160, quindi Q = 160 × (ImA − 4). Questa formula è corretta.
- Verifica: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. La discrepanza rispetto ai 321 GPM indicati nella tabella riflette nuovamente gli eventuali lievi errori del sistema.
Cose da considerare:
Alcune considerazioni pratiche sono applicabili. Il manifold a tre valvole deve essere utilizzato con una piastra di orificio e un sensore di pressione differenziale. Questo consente di utilizzare il sensore di pressione mentre la tubazione è in pressione. A tale scopo, collegare le porte positiva e negativa del sensore di pressione alle valvole di isolamento chiuse, aprendo contemporaneamente la valvola di equalizzazione. Successivamente, aprire lentamente le valvole di isolamento per distribuire uniformemente la pressione statica presente nella tubazione su entrambi i lati del sensore di pressione. L'apertura della valvola di equalizzazione elimina qualsiasi possibilità che venga applicata al sensore una pressione differenziale elevata. Una volta completato il collegamento del sensore di pressione, la valvola di equalizzazione si chiude, permettendo al sensore di pressione di rilevare la differenza di pressione attraverso la piastra di orificio.
Per mettere fuori servizio il sensore di pressione, aprire prima le valvole di equalizzazione e poi chiudere le valvole di isolamento. Quando la valvola di isolamento è completamente chiusa, qualsiasi pressione residua nella cavità del sensore verrà scaricata attraverso il foro di scarico del sensore di pressione. La valvola di equalizzazione può quindi essere chiusa per disconnettere il sensore di pressione dal collettore. Notare che tutte le operazioni devono essere eseguite in questo ordine preciso: quando si mette il sensore di pressione in funzione, aprire prima la valvola di equalizzazione; quando si rimuove il sensore di pressione dal servizio, chiudere per ultima la valvola di equalizzazione.
Un'altra considerazione riguarda la compatibilità dei materiali. Le parti bagnate in acciaio inossidabile 316 SS rappresentano la scelta migliore per i sensori di pressione che misurano il flusso d'acqua. Validyne offre anche parti bagnate in Inconel per fluidi più corrosivi. Anche il materiale dell'O-ring nel corpo del sensore di pressione deve essere compatibile con il fluido; Validyne offre una varietà di composti elastomerici.
Per tubazioni con un diametro interno superiore a 2 pollici, la misurazione del flusso con piastre a orificio è considerata la più precisa. La piastra a orificio deve essere posizionata all'interno di un tratto rettilineo di tubazione, lontano da gomiti o derivazioni. Il tratto di tubazione che conduce alla piastra a orificio dovrebbe mantenere una lunghezza rettilinea pari a diverse volte il diametro della tubazione. Le guarnizioni nella flangia della piastra a orificio devono essere allineate con attenzione e non devono ostacolare il flusso del fluido all'interno della tubazione, altrimenti potrebbero verificarsi errori di misurazione. Sono disponibili altre tecnologie per la misurazione del flusso, tra cui contatori a palette, contatori a turbina, misuratori di portata elettromagnetici e altri. Le piastre a orificio insieme ai sistemi di sensori di pressione differenziale continuano a essere utilizzate perché presentano costi ridotti, richiedono poca manutenzione e forniscono misurazioni ragionevolmente precise su un'ampia gamma di dimensioni delle tubazioni, tipi di liquidi e portate.