압력 센서를 사용한 액체 흐름 측정

차압 센서는 물과 같은 비압축성 액체의 유량을 측정하는 데 널리 사용됩니다. 가장 일반적인 방법은 배관에 설치된 오리피스 플레이트 양단의 압력 강하를 측정하고 유량을 계산하는 것입니다. 오리피스 플레이트는 일반적으로 플랜지 사이에 설치된, 중앙에 일정한 크기의 구멍이 뚫린 판을 말합니다. 유체가 이 구멍을 통과할 때 상류측에서 하류측으로 압력 강하가 발생합니다. 이 압력 강하는 유량에 비례하며, 센서 신호를 이용해 공학 단위로 유량을 계산할 수 있습니다.
도면은 일반적인 오리피스 플레이트 구성도를 보여줍니다. 오리피스 플레이트의 상류 측은 압력이 더 높으며, 3방향 밸브 매니폴드를 통해 압력 센서의 "+" 포트에 연결되어 있습니다. 오리피스 플레이트의 하류 측은 마찬가지로 압력 센서의 "-" 포트에 연결되어 있습니다. 3방향 밸브 매니폴드는 작동 중인 배관에 설치되었을 때, 압력 센서를 과압으로부터 보호해 줍니다.
압력 강하량에서 유량을 계산하는 계산 방법은 비교적 간단한 물리 방정식을 기반으로 합니다. 그러나 계산에는 여러 변수가 포함되며, 각각 고유의 공학 단위를 갖습니다. 이러한 변수에는 오리피스 형상, 관경, 유체 점도 및 유체 밀도가 포함됩니다. 각 변수에 포함된 항과 환산 계수의 수로 인해 계산이 상당히 복잡할 수 있습니다. 다행히도 온라인 상에서 구할 수 있는 다양한 계산기를 통해 편리한 공학 단위로 변수를 입력하기만 하면 주어진 오리피스 압력 강하에 대한 유량을 쉽게 계산할 수 있습니다.
[이미지]
제공된 예시는 차압 센서 신호(Vdc 또는 mA)와 오리피스 압력 강하 사이의 관계를 이용하여 유량을 산출하는 방법과 이에 상응하는 환산 공식을 도출하는 방법을 상세히 설명합니다. 이 방법은 차압식 유량 측정의 전형적인 응용 사례입니다.
내용의 핵심은 정확하며, 진행 과정도 명확합니다. 아래는 검색 결과에서 언급된 Q∝ΔP 관계와 같은 계산 과정 및 업계 지식을 바탕으로 한 요약 및 소규모 개선 사항으로, 주로 공식 표현의 엄밀성과 관련이 있습니다.
계산 과정 요약
귀하의 계산 논리는 정확합니다. 다음은 주요 단계에 대한 요약입니다.
1. 유량과 차압 간의 관계 확인:
2. 유량(Q)은 차압(ΔP)의 제곱근에 비례하며, 즉 Q=kΔP입니다.
3. 귀하의 데이터 시트에서 이를 확인할 수 있습니다:
4.
- ΔP = 100 in H₂O일 때, Q = 640 GPM
- ΔP = 25 in H₂O일 때, Q ≈ 320 GPM (이론적 계산) / 321 GPM (실제 표)
5. 오리피스 계수(k) 계산:
6. k = Q / ΔP 공식을 사용하여 계산합니다.
- 첫 번째 행의 데이터를 취합합니다: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- 최적화 제안: 공식을 k = Q / ΔP로 보다 엄밀하게 표기하십시오. 귀하의 원문에서는 k = GPM / √(ΔP)의 변수 기호가 생략되었습니다.
7. 오리피스 플레이트 계수(k) 확인:
8. k=64를 사용하여 다른 데이터 포인트를 계산하여 일반 적용 가능성을 검증합니다:
- 계산: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- 비교: 귀하의 표에서 ΔP = 25 in H₂O일 때 Q = 321 GPM입니다.
- 분석 및 최적화: 계산된 값(320 GPM)과 표의 값(321 GPM) 사이에 1 GPM의 미세한 차이가 있습니다. 이는 "약 1% 정확도" 및 "1-2 GPM 차이"에 대한 귀하의 언급을 확인하며, 이는 공학적 응용에서 허용 가능한 수준입니다. 귀하가 매우 높은 정확도를 요구하는 경우 원본 데이터 또는 계수를 검증해야 합니다.
9. 센서 신호 유형에 기반한 유량 계산식 도출:
- Vdc 신호(0-5V)의 경우:
- 전압과 차압은 선형적으로 관련이 있습니다: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - 유량 계산식은 다음과 같습니다: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- 사용자는 k′ = Q / Vdc를 이용하여 k′ = 286.217을 계산하였으므로, Q = 286.217 × Vdc입니다. 이 계산식은 올바른 것이며, 본질적으로 Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286.217 × Vdc입니다.
- mA 신호(4-20 mA)의 경우:
- 차압은 유효 전류와 선형적으로 관련이 있습니다: ΔP = [100 In H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6.25 × (ImA − 4).
- 유량 계산식은 다음과 같습니다: Q = kΔP = 64 × 6.25 × (ImA − 4) = 64 × 2.5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- 사용자는 k′′ = Q / ImA − 4를 계산하여 k′′ = 160을 얻었으므로, Q = 160 × (ImA − 4)입니다. 이 계산식은 올바릅니다.
- 검증: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. 표의 321 GPM과의 차이는 시스템 내의 미세한 오차를 반영할 수 있습니다.
고려해야 할 사항:
일부 실용적인 고려사항이 적용됩니다. 3방향 밸브 매니폴드는 오리피스 플레이트와 차압 센서와 함께 사용해야 합니다. 이를 통해 배관이 가압된 상태에서도 압력 센서를 사용할 수 있습니다. 이를 위해 압력 센서의 양압측 및 음압측 포트를 차단된 차단 밸브에 연결하고 동시에 균등화 밸브를 엽니다. 그런 다음 차단 밸브를 천천히 열어 배관 내의 정압이 압력 센서의 양쪽에 고르게 분배되도록 합니다. 균등화 밸브를 여는 것은 센서에 높은 차압이 가해질 가능성을 없앱니다. 압력 센서가 완전히 연결된 후에는 균등화 밸브를 닫아 압력 센서가 오리피스 플레이트 양단의 압력 차를 감지할 수 있도록 합니다.
압력 센서를 정지하려면 먼저 균등화 밸브를 열고, 그 다음 차단 밸브를 닫습니다. 차단 밸브가 완전히 닫히면 센서 캐비티 내 잔류 압력은 압력 센서 환기구를 통해 배출됩니다. 이후 압력 센서를 매니폴드에서 분리하기 위해 균등화 밸브를 닫을 수 있습니다. 모든 작업은 반드시 이 순서로 수행해야 합니다: 압력 센서를 가동할 때는 먼저 균등화 밸브를 열고, 압력 센서를 정지할 때는 마지막으로 균등화 밸브를 닫습니다.
재질의 적합성도 고려해야 할 사항입니다. 물의 유량을 측정하는 압력 센서의 경우, 316 SS 재질의 젖은 부품이 가장 적합한 선택입니다. Validyne은 또한 더 부식성이 강한 유체에 대응하기 위해 인코넬(Inconel) 재질의 젖은 부품도 제공합니다. 압력 센서 본체의 O-링 재질 역시 유체와의 적합성을 고려해야 하며, Validyne은 다양한 엘라스토머 컴파운드를 제공합니다.
내경이 2인치보다 큰 파이프의 경우, 오리피스 플레이트 유량 측정 방식이 가장 정확한 것으로 간주됩니다. 오리피스 플레이트는 엘보우나 티 이외의 직관부에 위치해야 합니다. 오리피스 플레이트로 연결되는 파이프는 파이프 지름의 여러 배 길이만큼의 직관부를 유지해야 합니다. 오리피스 플레이트 플랜지의 개스킷은 정확하게 정렬되어 파이프 내 유체 흐름을 방해해서는 안 되며, 그렇지 않을 경우 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 베인 미터, 터빈 미터, 전자기 유량계 등을 포함한 다른 유량 측정 기술들도 사용 가능합니다. 오리피스 플레이트와 차압 센서 시스템은 여전히 널리 사용되고 있는데, 이는 비용이 저렴하고 유지보수가 적게 들며 다양한 파이프 크기, 액체 종류 및 유량 범위에서 합리적인 정확도를 제공하기 때문입니다.