Introduzione
La pressione è la forza applicata su un'area specifica. La pressione può essere esercitata da tutte le forme di materia; gas solidi, liquidi e uniformi. La misurazione della pressione del fluido è particolarmente utile in termini di monitoraggio e controllo del processo nei sistemi di automazione industriale. Questo articolo si propone di discutere trasmettitori di pressione differenziale. Sono uno dei sensori di pressione più utilizzati per ottenere informazioni sulla pressione come la portata dei sistemi a base di fluido.
Che cos'è un trasmettitore di pressione differenziale?
Quando si tratta di monitorare la pressione nei fluidi, esistono tre tecniche di misurazione:
- Manometro
La pressione relativa è la differenza di pressione tra il fluido misurato e la pressione atmosferica.
- Pressione assoluta
La pressione atmosferica e del fluido combinata è nota come pressione assoluta.
- Pressione differenziale
La pressione differenziale è la differenza di pressione in due punti distinti dello stesso fluido/gas.
Sebbene tutte queste tecniche possano suonare diverse l'una dall'altra, tutte e tre sono correlate l'una all'altra.
Un trasmettitore di pressione differenziale (noto anche come trasmettitore DP) è un tipo speciale di sensore di pressione. Può misurare due pressioni diverse e sottrarle l'una all'altra; da qui il nome differenziale. I sensori di pressione differenziale sono comunemente usati nei mezzi di trasmissione dei fluidi per determinare la portata.
Il termine trasmettitore di pressione ed trasduttore di pressione spesso vanno d'accordo. Tuttavia, dal punto di vista della funzionalità, sono diversi l'uno dall'altro. I trasduttori di pressione sono più semplici dei trasmettitori di pressione e contengono circuiti elettronici minimi. Entrambi i tipi di sensore sono piezoresistivi oa film sottile montati su una connessione al processo.
I trasduttori di pressione emettono segnali analogici direttamente dall'elemento piezoelettrico. Il segnale è solitamente nell'intervallo dei millivolt. Hanno bisogno di circuiti di elaborazione esterni per condizionare questo segnale grezzo per essere successivamente inviato a un controller come un PLC.
I trasduttori di pressione, tuttavia, hanno circuiti di elaborazione aggiuntivi integrati. Ciò include la linearizzazione, l'amplificazione e l'ulteriore condizionamento del segnale da trasmettere a un ricevitore remoto. Sono costituiti da un trasduttore integrato e da un circuito trasmettitore per formare un'unica unità in grado di produrre un segnale che può essere immesso direttamente in un PLC.
Principio di funzionamento del trasmettitore di pressione differenziale
Come accennato in precedenza, i trasmettitori di pressione differenziale hanno più sezioni che acquisiscono, condizionano e trasmettono i segnali di pressione. Nella costruzione meccanica, ci sono tre parti principali:
- Elemento primario
- Elemento secondario
- Elettronica
L'elemento primario è una speciale costruzione meccanica che introduce una differenza di pressione nel flusso del fluido. Può essere un tubo Venturi, una piastra con orifizio, un tubo di Pitot, un ugello di flusso o un elemento a flusso laminare.
L'elemento primario crea un differenziale di pressione nel flusso del fluido aggiungendo una barriera artificiale utilizzando una delle barriere meccaniche sopra menzionate. L'elemento secondario raccoglie le pressioni in due punti, prima e dopo la barriera.
L'elemento principale è spesso noto come "lato alto" e l'elemento secondario come "lato basso". Questo non dovrebbe essere frainteso in quanto il lato alto deve essere a pressione maggiore e il lato basso deve essere a pressione inferiore.
La parte primaria ha una connessione all'elemento secondario attraverso una qualche forma di accoppiamento fluido isolante o accoppiamento meccanico. Il fluido è spesso a base di silicone poiché il silicone è un buon isolante termico ed è chimicamente stabile. Sono disponibili diversi tipi di sensori nei trasmettitori di pressione differenziale come elemento secondario:
- Trasduttori di pressione capacitivi differenziali
- Trasduttori di pressione a corda vibrante
- Trasduttori di pressione estensimetrici
L'elemento secondario converte la pressione differenziale rilevata in un piccolo segnale di tensione. L'elettronica capta questo segnale di tensione e lo condiziona ulteriormente. Ciò include il filtraggio, la normalizzazione, l'amplificazione, il campionamento e la conversione in segnale di corrente/tensione.
La sezione elettronica emette quindi un'uscita lineare relativa al campo di pressione misurato. Ad esempio, se il sensore è in grado di misurare una pressione differenziale di 0-100 psi ed è un tipo di uscita in corrente, emetterà 4 mA a 0 psi e 20 mA a 100 psi. Qualsiasi pressione intermedia avrà il valore di corrente corrispondente. (cioè 8 mA per 50 psi)
Elementi del trasmettitore di pressione differenziale
Come accennato in precedenza, i trasduttori di pressione differenziale hanno 3 elementi principali; elementi di assemblaggio primari, secondari ed elettronici.
Vediamo in breve gli elementi primari comuni e la loro costruzione.
Elementi primari
- Piastre orifizio
Le piastre dell'orifizio sono una delle forme più semplici di elementi primari. Introducono una caduta di pressione nel flusso introducendo una restrizione. L'orifizio ha sempre un diametro inferiore rispetto al tubo da collegare.
Il trasduttore di pressione con orifizio ha due connessioni di uscita della pressione per collegare il dispositivo a un dispositivo di monitoraggio della pressione esterno. Nei trasmettitori di pressione differenziale, questo si collega all'elemento secondario del dispositivo.
- Tubo Venturi
Su alcuni trasmettitori di pressione, l'elemento principale è un tubo Venturi. È una disposizione speciale che limita anche il flusso e crea un differenziale di pressione. A differenza del punto dell'orifizio, il tubo di Venturi ha una forma più graduale e le pressioni vengono misurate in due punti diversi.
Il tubo Venturi ha un ingresso, una parte convergente, una gola (più piccola del diametro tipico del tubo) e una parte divergente che aumenta il diametro tornando al diametro del tubo originale. Le misurazioni della pressione sono prese dalla sezione di ingresso e dalla sezione di gola, che ha due diametri.
Il principio utilizzato per misurare la pressione è relativo al equazione di continuità ed L'equazione di Bernoulli trovato nella teoria della meccanica dei fluidi. Gli elementi primari di tipo Venturing si trovano principalmente nei flussimetri per determinare la portata.
- Tubo di Pitot
I tubi di Pitot vengono utilizzati principalmente per misurare le portate. Sono costituiti da un tubo piegato che ha due aperture
Un'estremità del tubo è aperta verso un punto statico nel fluido dove c'è una bassa pressione e l'altra è direttamente in linea con il flusso come mostrato di seguito:
All'aumentare della portata, il liquido bloccato nella sezione curva del tubo viene spostato per creare un manometro liquido, che indica la portata.
Tuttavia, l'installazione di tali tubi di Pitot a due porte può essere ingombrante. E ha le seguenti limitazioni:
- Se la velocità è troppo bassa, la differenza di pressione può essere difficile da misurare.
- Se la velocità è troppo alta (cioè supersonica/più veloce della velocità del suono), ciò annulla anche i requisiti primari dell'equazione di Bernoulli, rendendola non valida.
- Se il tubo si intasa, la pressione risultante si discosta dai valori di pressione effettivi.
Pertanto, ci sono speciali tubi di Pitot a punto singolo denominati "tubi di Pitot di tipo medio" che hanno un numero di tubi di rilevamento a monte, come mostrato di seguito.
Questa configurazione supera i problemi menzionati nel tubo statico di Pitot.
- Ugello di flusso
Gli ugelli di flusso sono un altro tipo di elemento primario che si trova nei trasduttori di pressione differenziale. Sono simili ai tubi con orifizio, ma hanno diversi vantaggi rispetto a loro.
Esistono alcuni tipi di ugelli lupo: ugelli flangiati, ugelli flangiati con prese integrate a bassa pressione ed ugelli di flusso saldati.
Gli speciali ugelli di flusso del tipo a saldare sono particolarmente utili nelle applicazioni ad alta pressione e nelle tubazioni di piccolo diametro dove non è possibile utilizzare flange. La figura seguente mostra un ugello di flusso saldato, che viene posizionato tra i tubi e saldato in posizione permanente.
Ecco alcuni dei vantaggi degli ugelli di flusso rispetto agli elementi con orifizio:
- Gli ugelli di flusso non contengono spigoli vivi come piastre di orifizio. Ciò rende gli ugelli di flusso meno soggetti a usura nel tempo.
- Gli ugelli di flusso sono preferiti nella misurazione di liquidi ad alta velocità.
Ampiamente usato in applicazioni ad alta pressione e ad alta temperatura come il flusso di vapore ad alta velocità nelle turbine.
- Elemento a flusso laminare
Un altro elemento primario interessante è l'elemento a flusso laminare. Questo è costituito da più tubi molto più lunghi del diametro del tubo principale per rallentare il flusso e renderlo laminare.
Questi tubi laminari introducono una caduta di pressione permanente che non può essere recuperata a valle a causa dell'attrito causato dai tubi. La caduta di pressione è quantificabile utilizzando il Equazione di Hagen-Poiseuille.
Gli elementi a flusso laminare vengono utilizzati per ottenere una relazione lineare tra la portata e la caduta di pressione, eliminando la necessità di una caratterizzazione della radice quadrata per linearizzare la lettura.
Tuttavia, i dispositivi basati su elementi laminari necessitano di una compensazione della temperatura poiché la temperatura influisce sulla viscosità del liquido, quindi la lettura finale.
Elementi secondari
L'elemento secondario di un trasmettitore di pressione differenziale è costituito dai dispositivi che convertono l'attributo fisico (pressione) in un segnale elettrico. Questo viene fatto utilizzando un "trasduttore" che può assumere una delle seguenti forme:
- Trasduttore di pressione estensimetrico
I trasduttori di tipo estensimetrico sono utilizzati per misurazioni di pressione differenziale e di pressione differenziale a campo stretto. Hanno un estensimetro, un resistore che cambia la sua resistenza in base alla deformazione applicata ad esso. L'estensimetro è fissato a un diaframma per consentire alla pressione di tradursi in deformazione.
Possono essere utilizzati in tutti i tipi di trasmettitori di pressione come elemento trasduttore per misurare pressioni relative, assolute e differenziali.
- Trasduttore di pressione capacitivo
I trasduttori di tipo capacitivo utilizzano un diaframma mobile in base alla pressione applicata per determinare il differenziale di pressione. Il diaframma è collegato all'elemento primario mediante un fluido di riempimento come il silicone liquido.
Ciò comporta un circuito complesso che oscilla. La frequenza di oscillazione è influenzata dalla variazione della capacità, che alla fine si traduce in un segnale CC come uscita dal sensore.
- Trasduttore di pressione a filo risonante
Un trasduttore di pressione a filo risonante è costituito da un filo risonante secondo un circuito oscillatore integrato. Qualsiasi cambiamento di pressione fa cambiare la tensione del filo. Il cambiamento di tensione cambia la frequenza di oscillazione. Poiché questo può essere misurato in modo molto accurato, i trasduttori a filo risonante si trovano comunemente nelle applicazioni differenziali a bassa pressione.
I trasduttori di pressione a filo risonante sono molto stabili in condizioni di temperatura stabili, ma non sono lineari. Pertanto, questi richiedono l'assistenza di un microprocessore per compensare la non linearità.
Elettronica
L'elettronica di un trasmettitore di pressione amplifica ulteriormente, condiziona e converte il segnale grezzo da trasmettere a un PLC o un altro controller. L'uscita può essere
- uscita in tensione
Un'uscita 0-10V o 0-5V a seconda della configurazione.
- Uscita corrente
Un'uscita di corrente da 4-20 mA per l'alimentazione in una scheda di ingresso del PLC.
- Uscita digitale
Un'uscita con soglia o un flusso di dati di comunicazione digitale come un'uscita compatibile RS232 o RS485 che fornisce una lettura della pressione campionata digitalmente altamente accurata.
Costruzione del trasmettitore di pressione differenziale
I trasmettitori di pressione differenziale sono costituiti da tre sezioni principali, l'elemento primario, gli elementi secondari e l'alloggiamento dell'elettronica.
L'elemento primario è montato direttamente nel tubo e funge da elemento di osservazione della pressione. Ciò introduce una differenza di pressione nel flusso del fluido e fornisce due uscite da due punti con pressione del fluido nota e diversa.
L'elemento secondario è solitamente montato proprio sopra l'elemento primario, all'esterno delle tubazioni. Questo converte la pressione fisica in un piccolo segnale elettrico.
L'elemento finale è l'elettronica, che ha il condizionamento del segnale e il circuito del trasmettitore integrati. Questa fase legge la misura dall'elemento secondario, amplifica, filtra e ulteriori condizioni per trasmettere la lettura a un PLC o altro ricevitore adatto.
Dove viene utilizzata la misurazione della pressione differenziale (DP)?
L'applicazione più comune per la pressione differenziale è la misurazione della portata differenziale. Questo tipo di applicazione può essere trovata sia in ambienti domestici che industriali come la misura della portata del liquido nei sistemi di erogazione olio/acqua.
Altre applicazioni per DP includono il monitoraggio del filtro, la misurazione del livello del liquido e, in alcuni casi, il monitoraggio della coppia della testa di perforazione. Nel monitoraggio dei filtri, DP viene utilizzato per monitorare costantemente l'intasamento dei filtri. Se un filtro è intasato, la pressione differenziale viene aumentata e la lettura viene quindi utilizzata per identificare il problema.
In alcune applicazioni, la pressione del gas, il monitoraggio della pressione della pompa del liquido e il rilevamento delle perdite nelle tubazioni dell'acqua vengono effettuati anche misurando la pressione differenziale.
A cosa serve un trasmettitore di pressione differenziale?
Un trasmettitore di pressione differenziale è in grado di emettere una misura di pressione differenziale, secondo una calibrazione fine. L'uscita può essere una tensione, una corrente o un'uscita digitale compatibile con apparecchiature standard industriali.
I trasmettitori di pressione esterni vengono utilizzati per ottenere le letture grezze dai trasduttori di pressione differenziale e convertirli in segnali elettrici lineari e quantificabili in base ai valori di pressione misurati.
Conclusione
I trasmettitori di pressione differenziale sono dispositivi integrati che possono essere utilizzati per misurare la differenza di pressione in un sistema fluido. Le misurazioni da un trasmettitore DP possono essere utilizzate per misurare la portata, la pressione (pressione relativa, differenziale e assoluta) e in alcuni casi anche la presenza di fluido/gas. Questo articolo ha lo scopo di fornire un'introduzione ai trasduttori di pressione differenziale industriali, alla loro costruzione e una breve idea sui diversi tipi di trasmettitori DP disponibili.
