Измерение потока жидкости с помощью датчиков давления

Датчики перепада давления широко используются для измерения расхода несжимаемых жидкостей, таких как вода. Наиболее распространённым методом является измерение падения давления на диафрагме в трубопроводе и расчёт расхода. Диафрагма представляет собой просто пластину, установленную в трубопроводе, обычно между фланцами, с центральным отверстием известного размера. Когда жидкость протекает через отверстие, создаётся перепад давления на диафрагме от стороны высокого давления к стороне низкого давления. Этот перепад давления пропорционален расходу, а сигнал датчика может использоваться для расчёта расхода в инженерных единицах.
На рисунке показана типичная конфигурация диафрагмы. Сторона входа диафрагмы имеет более высокое давление и подключена к порту «+» датчика давления через трехклапанный узел. Сторона выхода диафрагмы аналогичным образом подключена к порту «-» датчика давления. Трехклапанный узел защищает датчик давления от избыточного давления при установке в рабочую трубопроводную систему.
Метод расчета расхода по перепаду давления основан на относительно простом физическом уравнении. Однако, в расчет входит много переменных, каждая из которых имеет свои инженерные единицы измерения. Эти переменные включают геометрию диафрагмы, размер трубы, вязкость жидкости и плотность жидкости. Расчет может быть довольно сложным из-за большого количества членов и коэффициентов пересчета, связанных с каждой переменной. К счастью, существует множество онлайн-калькуляторов, которые позволяют рассчитать расход для заданного перепада давления на диафрагме просто введя переменные в любых удобных инженерных единицах.
[Image]
Приведенный вами пример подробно описывает, как использовать соотношение между сигналом дифференциального давления датчика (Vdc или мА) и перепадом давления на диафрагме для определения расхода, а также содержит соответствующую формулу пересчета. Данный метод является типичным применением измерения расхода с использованием дифференциального давления.
Суть вашего контента верна, а процесс понятен. Ниже приведены краткое резюме и небольшая оптимизация на основе вашего расчетного процесса и отраслевых знаний (например, упомянутой в результатах поиска зависимости Q∝ΔP), в основном касающиеся строгости формулировки формулы.
Резюме расчетного процесса
Ваша логика расчета верна. Ниже приведено резюме ключевых шагов:
1. Определите соотношение между расходом и перепадом давления:
2. Расход (Q) пропорционален квадратному корню из перепада давления (ΔP), то есть Q=kΔP
3. Ваш лист данных подтверждает это:
4.
- При ΔP = 100 дюймов вод. ст., Q = 640 GPM
- При ΔP = 25 дюймов вод. ст., Q ≈ 320 GPM (теоретический расчет) / 321 GPM (фактическая таблица)
5. Рассчитайте коэффициент диафрагмы (k):
6. Произведите расчет по формуле k = Q / ΔP.
- Возьмите первую строку данных: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Предложение по оптимизации: Более строго записать формулу как k = Q / ΔP. В вашем оригинальном тексте была опущена переменная для k = GPM / √(ΔP).
7. Проверьте коэффициент диафрагмы (k):
8. Рассчитайте другую точку данных, используя k=64, чтобы проверить ее общую применимость:
- Расчет: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- Сравнение: В вашей таблице Q = 321 GPM, когда ΔP = 25 дюймов вод. ст.
- Анализ и оптимизация: Существует небольшая разница в 1 GPM между рассчитанным значением (320 GPM) и значением из таблицы (321 GPM). Это подтверждает ваше упоминание об "около 1% точности" и "разнице в 1-2 GPM", что приемлемо для инженерных приложений. Если вы стремитесь к очень высокой точности, следует проверить исходные данные или коэффициенты.
9. Выведите формулу расхода в зависимости от типа сигнала датчика:
- Для сигнала Vdc (0-5V):
- Напряжение и дифференциальное давление линейно связаны: ΔP = (100 дюймов H₂O/5В) × Vdc = 20 × Vdc. - Формула расхода: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Вы рассчитали k′ = 286,217, используя k′ = Q / Vdc, таким образом Q = 286,217 × Vdc. Эта формула верна; по сути, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- Для сигнала в мА (4-20 мА):
- Дифференциальное давление линейно связано с эффективным током: ΔP = [100 дюймов H₂O / (20 − 4) мА] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- Формула расхода: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Вы рассчитали k′′ = Q / ImA − 4, чтобы получить k′′ = 160, таким образом Q = 160 × (ImA − 4). Эта формула верна.
- Проверка: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. Расхождение с 321 GPM из таблицы снова отражает возможные небольшие ошибки в системе.
На что обратить внимание:
Существуют некоторые практические соображения. Трехклапанный узел должен использоваться совместно с диафрагмой и датчиком перепада давления. Это позволяет использовать датчик давления, когда трубопровод находится под давлением. Для этого подключите положительный и отрицательный порты датчика давления к закрытым запорным клапанам, одновременно открыв уравнительный клапан. Затем медленно откройте запорные клапаны, чтобы равномерно распределить статическое давление трубопровода с обеих сторон датчика давления. Открытие уравнительного клапана исключает возможность возникновения высокого перепада давления на датчике. Как только датчик давления полностью подключен, уравнительный клапан закрывается, позволяя датчику измерять перепад давления на диафрагме.
Чтобы вывести датчик давления из эксплуатации, сначала откройте уравнительные клапаны, а затем закройте изолирующие клапаны. Когда изолирующий клапан полностью закрыт, любое остаточное давление в полости датчика будет выходить через выпускное отверстие датчика давления. После этого уравнительный клапан можно закрыть, чтобы отключить датчик давления от коллектора. Обратите внимание, что все операции необходимо выполнять именно в таком порядке: при вводе датчика давления в эксплуатацию сначала открывайте уравнительный клапан; при выводе датчика давления из эксплуатации последним закрывайте уравнительный клапан.
Важным фактором является также совместимость материалов. Детали датчика давления из нержавеющей стали 316 SS являются лучшим выбором для измерения потока воды. Validyne также предлагает детали из сплава Inconel для более коррозионно-активных жидкостей. Материал уплотнительного кольца в корпусе датчика давления также должен быть совместим с жидкостью; компания Validyne предлагает широкий выбор эластомерных соединений.
Для труб с внутренним диаметром более 2 дюймов, измерение расхода с использованием диафрагмы считается наиболее точным. Диафрагма должна находиться на прямолинейном участке трубы, в удалении от колен или тройников. Трубопровод перед диафрагмой должен сохранять прямолинейный участок длиной в несколько раз превышающий диаметр трубы. Прокладки во фланце диафрагмы должны быть тщательно выровнены и не препятствовать потоку жидкости внутри трубы, в противном случае могут возникнуть ошибки измерения. Существуют и другие технологии измерения расхода, включая счетчики с заслонкой, турбинные счетчики, электромагнитные расходомеры и другие. Системы с применением диафрагм и датчиков перепада давления продолжают использоваться, поскольку они имеют низкую стоимость, требуют минимального обслуживания и обеспечивают достаточно точные измерения на широком диапазоне размеров труб, типов жидкостей и скоростей потока.