การวัดการไหลของของเหลวโดยใช้เซ็นเซอร์วัดความดัน

เซ็นเซอร์วัดความแตกต่างของแรงดันถูกใช้อย่างแพร่หลายในการวัดอัตราการไหลของของเหลวที่ไม่สามารถอัดตัวได้ เช่น น้ำ วิธีการที่ใช้กันมากที่สุดคือการวัดแรงดันตกข้ามแผ่นรู (orifice plate) ที่ติดตั้งอยู่ในท่อ เพื่อคำนวณหาอัตราการไหล แผ่นรูเป็นเพียงแผ่นโลหะที่ติดตั้งอยู่ในท่อ โดยปกติจะอยู่ระหว่างหน้าแปลน (flanges) ซึ่งมีรูตรงกลางที่มีขนาดทราบแน่ชัด เมื่อของไหลไหลผ่านรูนี้ จะเกิดแรงดันตกข้ามแผ่นรูจากด้านที่เป็นแรงดันสูง (upstream) ไปยังด้านที่เป็นแรงดันต่ำ (downstream) แรงดันตกนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราการไหล และสัญญาณจากเซ็นเซอร์สามารถนำมาใช้คำนวณหาค่าอัตราการไหลในหน่วยวิศวกรรม (engineering units)
รูปแสดงการกำหนดค่าแผ่นรูแบบทั่วไป ด้านอัพสตรีมของแผ่นรูมีแรงดันสูงกว่า และเชื่อมต่อกับพอร์ต "+" ของเซ็นเซอร์วัดแรงดันผ่านทางมานิโฟลด์แบบสามวาล์ว ด้านดาวน์สตรีมของแผ่นรูจะถูกระบบท่อเชื่อมต่อเข้ากับพอร์ต "-" ของเซ็นเซอร์วัดแรงดันในลักษณะเดียวกัน มานิโฟลด์แบบสามวาล์วนี้จะช่วยปกป้องเซ็นเซอร์วัดแรงดันจากการเกิดแรงดันเกินเมื่อติดตั้งใช้งานอยู่ในท่อจ่ายแรงดัน
วิธีการคำนวณอัตราการไหลจากความตกของแรงดันนั้น ขึ้นอยู่กับสมการทางฟิสิกส์ที่ค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม การคำนวณนี้มีตัวแปรหลายตัวเข้ามาเกี่ยวข้อง โดยแต่ละตัวมีหน่วยทางวิศวกรรมของตนเอง ตัวแปรเหล่านี้รวมถึงรูปร่างของแผ่นคอร์ด (orifice geometry) ขนาดท่อ ความหนืดของของเหลว และความหนาแน่นของของเหลว การคำนวณอาจซับซ้อนมาก เนื่องจากจำนวนของตัวประกอบและตัวคูณที่ต้องแปลงค่าในแต่ละตัวแปร โชคดีที่มีเครื่องมือคำนวณออนไลน์จำนวนมาก ที่ช่วยให้คุณสามารถคำนวณอัตราการไหลสำหรับความตกของแรงดันแผ่นคอร์ด (orifice pressure drop) ที่กำหนดได้ เพียงแค่ป้อนค่าตัวแปรต่าง ๆ ด้วยหน่วยทางวิศวกรรมที่สะดวกต่อการใช้งาน
[Image]
ตัวอย่างที่คุณให้มานั้น อธิบายวิธีการใช้ความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณของเซ็นเซอร์ความดันต่าง (Vdc หรือ mA) และความตกของแรงดันแผ่นคอร์ด เพื่อหาค่าอัตราการไหล และสร้างสูตรการแปลงที่เกี่ยวข้อง วิธีการนี้เป็นการประยุกต์ใช้การวัดอัตราการไหลแบบความดันต่างโดยทั่วไป
แก่นแท้ของเนื้อหาของคุณถูกต้อง และขั้นตอนการดำเนินการชัดเจน ด้านล่างนี้เป็นสรุปและข้อปรับปรุงเล็กน้อย ตามขั้นตอนการคำนวณและองค์ความรู้ในอุตสาหกรรมของคุณ (เช่น ความสัมพันธ์ Q∝ΔP ที่กล่าวถึงในผลการค้นหา) โดยเน้นหลักไปที่ความเคร่งครัดของรูปแบบการเขียนสูตร
สรุปขั้นตอนการคำนวณ
ตรรกะการคำนวณของคุณถูกต้อง ด้านล่างนี้เป็นการสรุปขั้นตอนสำคัญ:
1. ยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับความต่างของแรงดัน:
2. อัตราการไหล (Q) มีสัดส่วนโดยตรงกับรากที่สองของความต่างของแรงดัน (ΔP) กล่าวคือ Q=kΔP
3. แผ่นข้อมูลของคุณยืนยันความสัมพันธ์นี้:
4.
- เมื่อ ΔP = 100 นิ้วน้ำ Q = 640 GPM
- เมื่อ ΔP = 25 นิ้วน้ำ Q ≈ 320 GPM (การคำนวณตามทฤษฎี) / 321 GPM (ค่าจากตารางจริง)
5. คำนวณค่าคงที่ของรู (k):
6. คำนวณโดยใช้สูตร k = Q / ΔP.
- ใช้ข้อมูลแถวแรก: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- ข้อเสนอแนะในการปรับปรุง: เขียนสูตรอย่างเคร่งครัดว่า k = Q / ΔP สูตรในข้อความต้นฉบับไม่ได้ใส่เครื่องหมายตัวแปรสำหรับ k = GPM / √(ΔP)
7. ตรวจสอบค่าสัมประสิทธิ์ของแผ่นรู (k):
8. คำนวณจุดข้อมูลอีกจุดหนึ่งโดยใช้ค่า k=64 เพื่อตรวจสอบการใช้งานโดยทั่วไป:
- การคำนวณ: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- การเปรียบเทียบ: ในตารางของคุณ Q = 321 GPM เมื่อ ΔP = 25 นิ้ว H₂O
- การวิเคราะห์และการปรับปรุง: มีความแตกต่างเล็กน้อยอยู่ 1 GPM ระหว่างค่าที่คำนวณได้ (320 GPM) กับค่าในตาราง (321 GPM) ซึ่งยืนยันคำอ้างอิงของคุณเกี่ยวกับ "ความแม่นยำประมาณ 1%" และ "ความแตกต่าง 1-2 GPM" ที่ถือว่ายอมรับได้ในงานวิศวกรรม หากคุณต้องการความแม่นยำสูงมาก ควรตรวจสอบข้อมูลหรือค่าสัมประสิทธิ์ต้นทางอีกครั้ง
9. สร้างสูตรอัตราการไหลขึ้นใหม่โดยอิงจากประเภทสัญญาณของเซนเซอร์:
- สำหรับสัญญาณ Vdc (0-5V):
- แรงดันไฟฟ้าและความดันต่างมีความสัมพันธ์กันแบบเชิงเส้น: ΔP = (100 นิ้ว H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc - สูตรคำนวณอัตราการไหลคือ: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- คุณคำนวณ k′ = 286.217 โดยใช้สูตร k′ = Q / Vdc ดังนั้น Q = 286.217 × Vdc สูตรนี้ถูกต้อง โดยหลักการแล้ว Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286.217 × Vdc
- สำหรับสัญญาณ mA (4-20 mA):
- ความดันต่างมีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานได้โดยตรง: ΔP = [100 นิ้ว H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6.25 × (ImA − 4)
- สูตรคำนวณอัตราการไหลคือ: Q = kΔP = 64 × 6.25 × (ImA − 4) = 64 × 2.5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4)
- คุณคำนวณ k′′ = Q / ImA − 4 เพื่อหาค่า k′′ = 160 ดังนั้น Q = 160 × (ImA − 4) สูตรนี้ถูกต้อง
- การตรวจสอบ: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM ความแตกต่างจากค่า 321 GPM ในตารางสะท้อนให้เห็นถึงข้อผิดพลาดเล็กน้อยที่อาจเกิดขึ้นในระบบ
สิ่งที่ควรพิจารณา:
มีข้อควรพิจารณาเชิงปฏิบัติบางประการ การใช้ชุดวาล์วสามทางจำเป็นต้องใช้ร่วมกับแผ่นรูปวงรี (orifice plate) และเซ็นเซอร์วัดความแตกต่างของความดัน สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้งานเซ็นเซอร์วัดความดันได้ในขณะที่ท่อกำลังมีแรงดัน เพื่อให้บรรลุจุดประสงค์นี้ ให้ต่อกลุ่มวาล์วแยกปิด (isolation valves) เข้ากับช่องบวกและลบของเซ็นเซอร์วัดความดันพร้อมกัน โดยเปิดวาล์วเทียบดัน (equalizing valve) ด้วย จากนั้นค่อยๆ เปิดวาล์วแยกเพื่อให้แรงดันสถิตในท่อถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันทั้งสองด้านของเซ็นเซอร์วัดความดัน การเปิดวาล์วเทียบดันจะช่วยป้องกันไม่ให้ความดันแตกต่างสูงกระทำต่อเซ็นเซอร์ เมื่อเซ็นเซอร์วัดความดันถูกต่อกลไกเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ วาล์วเทียบดันจะถูกปิด ทำให้เซ็นเซอร์วัดความดันสามารถตรวจจับความแตกต่างของความดันที่เกิดขึ้นบนแผ่นรูปวงรีได้
ในการนำเซ็นเซอร์วัดความดันออกจากการใช้งาน ให้เปิดวาล์วเทียบระดับก่อน จากนั้นจึงปิดวาล์วแยก เมื่อวาล์วแยกปิดสนิท ความดันที่เหลืออยู่ในห้องเซ็นเซอร์จะถูกระบายผ่านช่องระบายความดันของเซ็นเซอร์ จากนั้นจึงสามารถปิดวาล์วเทียบระดับเพื่อแยกเซ็นเซอร์วัดความดันออกจากแมนิโฟลด์ โปรดทราบว่าทุกขั้นตอนต้องทำตามลำดับที่กำหนดไว้เท่านั้น: เมื่อเริ่มใช้งานเซ็นเซอร์วัดความดัน ให้เปิดวาล์วเทียบระดับก่อน และเมื่อนำเซ็นเซอร์วัดความดันออกจากใช้งาน ให้ปิดวาล์วเทียบระดับเป็นขั้นตอนสุดท้าย
อีกสิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือความเข้ากันได้ของวัสดุ ชิ้นส่วนที่สัมผัสของเซ็นเซอร์วัดความดันที่ทำจากสแตนเลส 316 SS เป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการวัดการไหลของน้ำ Validyne ยังมีชิ้นส่วนที่สัมผัสที่ทำจากอินโคเนลสำหรับของเหลวที่กัดกร่อนมากขึ้น วัสดุของซีลยาง (O-ring) ในตัวเซ็นเซอร์วัดความดันก็จำเป็นต้องเข้ากันได้กับของเหลวนั้นด้วย Validyne มีสารประกอบอีลาสโตเมอร์หลากหลายชนิดให้เลือก
สำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในมากกว่า 2 นิ้ว การวัดอัตราการไหลด้วยแผ่นรู (Orifice plate) ถือว่ามีความแม่นยำสูงสุด แผ่นรูจะต้องติดตั้งอยู่ในส่วนตรงของท่อ ห่างจากข้อต่อแบบศอกหรือข้อต่อแบบTEE ท่อที่ต่อเข้ามายังแผ่นรูจะต้องมีส่วนตรงที่มีความยาวหลายเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ แผ่นรอง (Gasket) ในข้อต่อของแผ่นรูจะต้องจัดแนวให้ตรงอย่างระมัดระวัง และจะต้องไม่กีดขวางการไหลของของไหลภายในท่อ มิฉะนั้นอาจเกิดข้อผิดพลาดในการวัดค่า ยังมีเทคโนโลยีอื่นๆ สำหรับการวัดอัตราการไหลอีก เช่น มิเตอร์แบบใบพัด (Vane meters) มิเตอร์แบบกังหัน (Turbine meters) มิเตอร์วัดการไหลแบบแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic flow meters) และอื่นๆ ระบบแผ่นรูร่วมกับเซ็นเซอร์วัดความแตกต่างของความดันยังคงถูกใช้งานอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากมีต้นทุนต่ำ การบำรุงรักษาไม่ซับซ้อน และสามารถให้ค่าการวัดที่ค่อนข้างแม่นยำในช่วงขนาดท่อ ประเภทของเหลว และอัตราการไหลที่หลากหลาย