Đo lưu lượng chất lỏng bằng cảm biến áp suất

Cảm biến chênh áp được sử dụng rộng rãi để đo lưu lượng của các chất lỏng không nén được như nước. Phương pháp phổ biến nhất là đo độ giảm áp suất qua một tấm tiết lưu (orifice plate) trong đường ống và tính toán lưu lượng. Một tấm tiết lưu đơn giản là một tấm được lắp đặt bên trong đường ống, thường giữa hai mặt bích, với một lỗ trung tâm có kích thước đã biết. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, một độ chênh áp sẽ được tạo ra giữa phía thượng lưu và hạ lưu của tấm tiết lưu. Độ chênh áp này tỷ lệ với lưu lượng, và tín hiệu của cảm biến có thể được sử dụng để tính toán lưu lượng theo các đơn vị kỹ thuật.
Hình vẽ thể hiện cấu hình tấm orifice điển hình. Mặt phía trên của tấm orifice có áp suất cao hơn và được kết nối với cổng "+" của cảm biến áp suất thông qua một hệ thống ba van. Mặt phía dưới của tấm orifice tương tự được kết nối với cổng "-" của cảm biến áp suất. Hệ thống ba van bảo vệ cảm biến áp suất khỏi tình trạng quá áp khi được lắp đặt trong đường ống làm việc.
Phương pháp tính toán lưu lượng dựa trên độ giảm áp suất được dựa trên một phương trình vật lý tương đối đơn giản. Tuy nhiên, có nhiều biến số được sử dụng trong quá trình tính toán, mỗi biến lại có đơn vị kỹ thuật riêng. Các biến số này bao gồm hình học của lỗ đo (orifice), kích thước ống dẫn, độ nhớt của chất lỏng và khối lượng riêng của chất lỏng. Việc tính toán có thể trở nên khá phức tạp do số lượng các thành phần và hệ số chuyển đổi liên quan đến từng biến. May mắn thay, hiện có rất nhiều máy tính trực tuyến cho phép bạn tính toán lưu lượng cho một độ giảm áp suất lỗ đo cụ thể chỉ bằng cách nhập các biến số theo bất kỳ đơn vị kỹ thuật nào thuận tiện.
[Hình ảnh]
Ví dụ bạn cung cấp mô tả chi tiết cách sử dụng mối quan hệ giữa tín hiệu cảm biến áp suất vi sai (Vdc hoặc mA) và độ giảm áp suất lỗ đo để xác định lưu lượng, đồng thời thiết lập công thức chuyển đổi tương ứng. Phương pháp này là một ứng dụng điển hình của phép đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp.
Nội dung cốt lõi của bạn là chính xác và quy trình rõ ràng. Dưới đây là phần tóm tắt và tối ưu hóa nhỏ dựa trên quá trình tính toán và kiến thức ngành của bạn (ví dụ như mối quan hệ Q∝ΔP được đề cập trong kết quả tìm kiếm), chủ yếu liên quan đến độ chính xác trong cách biểu diễn công thức.
Tóm tắt Quy trình Tính toán
Lập luận tính toán của bạn là chính xác. Dưới đây là phần tóm tắt các bước chính:
1. Xác nhận mối quan hệ giữa lưu lượng và chênh lệch áp suất:
2. Lưu lượng (Q) tỷ lệ thuận với căn bậc hai của chênh lệch áp suất (ΔP), tức là Q=kΔP
3. Bảng dữ liệu của bạn xác nhận điều này:
4.
- Khi ΔP = 100 in H₂O, Q = 640 GPM
- Khi ΔP = 25 in H₂O, Q ≈ 320 GPM (tính toán lý thuyết) / 321 GPM (bảng thực tế)
5. Tính hệ số tiết lưu (k):
6. Tính toán bằng công thức k = Q / ΔP.
- Lấy hàng dữ liệu đầu tiên: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- Gợi ý tối ưu hóa: Nên viết công thức chính xác hơn là k = Q / ΔP. Văn bản gốc của bạn đã bỏ qua dấu biến cho k = GPM / √(ΔP).
7. Kiểm tra hệ số của tấm tiết lưu (k):
8. Tính toán một điểm dữ liệu khác bằng cách sử dụng k=64 để xác minh tính áp dụng chung của nó:
- Tính toán: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- So sánh: Trong bảng của bạn, Q = 321 GPM khi ΔP = 25 in H₂O.
- Phân tích và Tối ưu hóa: Có sự khác biệt nhỏ là 1 GPM giữa giá trị tính toán (320 GPM) và giá trị trong bảng (321 GPM). Điều này xác nhận lời bạn đề cập "độ chính xác khoảng 1%" và "sự chênh lệch 1-2 GPM", điều này là chấp nhận được trong các ứng dụng kỹ thuật. Nếu bạn yêu cầu độ chính xác cực cao, bạn nên kiểm tra lại dữ liệu hoặc hệ số ban đầu.
9. Thiết lập công thức lưu lượng dựa trên loại tín hiệu cảm biến:
- Đối với tín hiệu Vdc (0-5V):
- Điện áp và áp suất chênh lệch có mối quan hệ tuyến tính: ΔP = (100 in H₂O/5V) × Vdc = 20 × Vdc. - Công thức tính lưu lượng là: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- Bạn đã tính k′ = 286.217 bằng cách sử dụng k′ = Q / Vdc, do đó Q = 286.217 × Vdc. Công thức này là chính xác; về cơ bản, Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286.217 × Vdc.
- Đối với tín hiệu mA (4-20 mA):
- Áp suất chênh lệch có mối quan hệ tuyến tính với dòng điện hiệu dụng: ΔP = [100 in H₂O / (20 − 4) mA] × (ImA − 4) = 6.25 × (ImA − 4).
- Công thức tính lưu lượng là: Q = kΔP = 64 × 6.25 × (ImA − 4) = 64 × 2.5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- Bạn đã tính k′′ = Q / ImA − 4 để có được k′′ = 160, do đó Q = 160 × (ImA − 4). Công thức này là chính xác.
- Kiểm tra lại: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. Sự khác biệt so với giá trị 321 GPM trong bảng phản ánh sai số nhỏ có thể xảy ra trong hệ thống.
Những điều cần cân nhắc:
Một số cân nhắc thực tế được áp dụng. Van phân phối ba ngả phải được sử dụng cùng với tấm đo lưu lượng (orifice plate) và cảm biến áp suất chênh lệch. Điều này cho phép cảm biến áp suất được sử dụng trong khi đường ống đang có áp suất. Để thực hiện điều này, hãy nối cổng dương và cổng âm của cảm biến áp suất với các van cách ly đang đóng, đồng thời mở van cân bằng. Sau đó, từ từ mở các van cách ly để phân bố đều áp suất tĩnh trong đường ống lên cả hai phía của cảm biến áp suất. Việc mở van cân bằng sẽ loại bỏ mọi khả năng xuất hiện chênh lệch áp suất lớn tác động lên cảm biến. Khi cảm biến áp suất đã được kết nối hoàn toàn, van cân bằng sẽ đóng lại, cho phép cảm biến áp suất cảm nhận được độ chênh áp trên tấm đo lưu lượng.
Để ngừng hoạt động cảm biến áp suất, trước tiên hãy mở các van cân bằng và sau đó đóng các van cách ly. Khi van cách ly được đóng hoàn toàn, bất kỳ áp suất dư nào trong buồng cảm biến cũng sẽ được xả qua cổng thông hơi của cảm biến áp suất. Sau đó, van cân bằng có thể được đóng lại để ngắt cảm biến áp suất khỏi ống góp. Lưu ý rằng tất cả các thao tác phải được thực hiện theo đúng thứ tự này: khi đưa cảm biến áp suất vào hoạt động, hãy mở van cân bằng trước tiên; khi tháo cảm biến áp suất ra khỏi hệ thống, hãy đóng van cân bằng cuối cùng.
Tương thích vật liệu cũng là một yếu tố cần cân nhắc. Các bộ phận tiếp xúc với môi chất bằng thép không gỉ 316 (316 SS wetted parts) là lựa chọn tốt nhất cho các cảm biến áp suất đo lưu lượng nước. Validyne cũng cung cấp các bộ phận bằng hợp kim Inconel cho các chất lỏng ăn mòn hơn. Vật liệu vòng đệm (O-ring) trong thân cảm biến áp suất cũng phải tương thích với chất lỏng; Validyne cung cấp nhiều loại hợp chất cao su đàn hồi khác nhau.
Đối với các đường ống có đường kính trong lớn hơn 2 inch, phương pháp đo lưu lượng bằng tấm tiết lưu (orifice plate) được coi là chính xác nhất. Tấm tiết lưu phải được đặt trong đoạn ống thẳng, cách xa khuỷu ống hoặc chỗ rẽ ba (tees). Đường ống dẫn đến tấm tiết lưu cần duy trì một đoạn thẳng có chiều dài gấp nhiều lần đường kính ống. Các gioăng đệm (gaskets) ở mặt bích của tấm tiết lưu phải được căn chỉnh cẩn thận và không được cản trở dòng chảy trong ống, nếu không sẽ gây ra sai số đo lường. Ngoài ra còn có các công nghệ đo lưu lượng khác như đồng hồ cánh, đồng hồ tua-bin, đồng hồ đo lưu lượng điện từ, và một số loại khác. Hệ thống tấm tiết lưu kết hợp với cảm biến chênh áp vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi vì chúng có chi phí thấp, ít bảo trì và cung cấp độ chính xác hợp lý trên nhiều dải kích thước ống, loại chất lỏng và tốc độ dòng chảy khác nhau.