Introductie
Druk is de kracht die op een bepaald gebied wordt uitgeoefend. Alle vormen van materie kunnen druk uitoefenen; vaste, vloeibare en zelfs gassen. Het meten van vloeistofdruk is met name nuttig in termen van procesbewaking en -regeling in industriële automatiseringssystemen. Dit artikel is bedoeld om te bespreken: drukverschiltransmitters. Ze zijn een van de meest gebruikte druksensoren om drukinformatie te krijgen, zoals de stroomsnelheid van op vloeistof gebaseerde systemen.
Wat is een verschildruktransmitter?
Als het gaat om het bewaken van de druk in vloeistoffen, zijn er drie meettechnieken:
- Overdruk
Overdruk is het drukverschil tussen de gemeten vloeistof en de atmosferische druk.
- Absolute druk
De gecombineerde atmosferische en vloeistofdruk staat bekend als absolute druk.
- Drukverschil
Drukverschil is het drukverschil op twee verschillende punten in dezelfde vloeistof/gas.
Hoewel al deze technieken van elkaar kunnen verschillen, zijn ze alle drie aan elkaar gerelateerd.
Een verschildruktransmitter (ook wel DP transmitter genoemd) is een speciaal type druksensor. Het kan twee verschillende drukken meten en van elkaar aftrekken; Vandaar de naam differentieel. Drukverschilsensoren worden vaak gebruikt in vloeistoftransmissiemedia om het debiet te bepalen.
De term druktransmitter en drukomvormer gaan vaak samen. Qua functionaliteit verschillen ze echter van elkaar. Druktransducers zijn eenvoudiger dan druktransmitters en bevatten zeer minimale elektronische circuits. Beide sensortypes zijn piëzo-resistief of dunne film gemonteerd op een procesaansluiting.
Drukopnemers voeren rechtstreeks analoge signalen uit van het piëzo-element. Het signaal is meestal in het millivolt bereik. Ze hebben externe verwerkingscircuits nodig om dit onbewerkte signaal te conditioneren om het later naar een controller zoals een PLC te sturen.
Druktransducers hebben echter extra ingebouwde verwerkingscircuits. Dit omvat linearisatie, versterking en verdere conditionering van het signaal dat naar een externe ontvanger moet worden verzonden. Ze bestaan uit geïntegreerde omvormer- en zenderschakelingen om een enkele eenheid te vormen die een signaal kan produceren dat rechtstreeks in een PLC kan worden ingevoerd.
Differentiële druktransmitter Werkingsprincipe:
Zoals hierboven vermeld, hebben drukverschiltransmitters meerdere secties die de druksignalen verzamelen, conditioneren en verzenden. In de mechanische constructie zijn er drie hoofdonderdelen:
- Primair element
- Secundair element
- Elektronica
Het primaire element is een speciale mechanische constructie die een drukverschil in de vloeistofstroom introduceert. Dit kan een venturibuis, orifice plate, pitotbuis, stromingsmondstuk of een laminair stromingselement zijn.
Het primaire element creëert een drukverschil in de vloeistofstroom door een kunstmatige barrière toe te voegen met behulp van een van de bovengenoemde mechanische barrières. Het secundaire element neemt de druk op twee punten op, voor en na de barrière.
Het primaire element staat vaak bekend als 'high-side' en het secundaire element als 'low-side'. Dit moet niet verkeerd worden begrepen, aangezien de hoge kant een hogere druk heeft en de lage kant een lagere druk heeft.
De primaire sectie heeft een verbinding met het secundaire element via een of andere vorm van een isolerende vloeistofkoppeling of een mechanische koppeling. De vloeistof is vaak gebaseerd op siliconen, omdat siliconen een goede thermische isolator is en chemisch stabiel is. Er zijn meerdere soorten sensoren beschikbaar in verschildruktransmitters als secundair element:
- Druktransducers met differentiële capaciteit
- Trillende draaddrukopnemers
- Spanningsmeter druktransducers
Het secundaire element zet het gemeten drukverschil om in een klein spanningssignaal. De elektronica pikt dit spanningssignaal op en conditioneert het verder. Dit omvat filtering, normalisatie, versterking, bemonstering en conversie naar stroom-/spanningssignaal.
De elektronicasectie voert dan een lineaire output uit die gerelateerd is aan het gemeten drukbereik. Als de sensor bijvoorbeeld in staat is een drukverschil van 0-100 psi te meten en het een stroomuitgangstype is, zal hij 4 mA afgeven bij 0 psi en 20 mA afgeven bij 100 psi. Elke druk daartussen heeft de bijbehorende huidige waarde. (dwz 8mA voor 50psi)
Differentiële druktransmitterelementen
Zoals hierboven vermeld, hebben drukverschiltransducers 3 hoofdelementen; primaire, secundaire en elektronische montage-elementen.
Laten we eens kijken naar de gemeenschappelijke primaire elementen en hun constructie in het kort.
Primaire elementen
- Doorlaatplaten
Openingsplaten zijn een van de eenvoudigste vormen van primaire elementen. Ze introduceren een drukval in de stroom door een restrictie in te voeren. De opening heeft altijd een kleinere diameter dan de buis die wordt aangesloten.
De drukopnemer met meetplaat heeft twee drukuitlaataansluitingen om het apparaat aan te sluiten op een extern drukbewakingsapparaat. In verschildruktransmitters wordt deze aangesloten op het secundaire element van het apparaat.
- Venturibuis
Bij sommige druktransmitters is het primaire element een venturibuis. Het is een speciale opstelling die ook de doorstroming beperkt en een drukverschil creëert. In tegenstelling tot de opening heeft de venturibuis een meer geleidelijke vorm en worden de drukken op twee verschillende plaatsen gemeten.
De venturibuis heeft een inlaat, convergerend deel, een keel (kleiner dan de typische pijpdiameter) en een divergerend deel dat de diameter weer vergroot tot de oorspronkelijke pijpdiameter. De drukmetingen zijn afkomstig van het inlaatgedeelte en het keelgedeelte, dat twee diameters heeft.
Het principe dat wordt gebruikt om de druk te meten, is gerelateerd aan de continuïteitsvergelijking en De vergelijking van Bernoulli gevonden in de theorie van de vloeistofmechanica. Primaire elementen van het venturing-type worden meestal gevonden in debietmeters om het debiet te bepalen.
- Pitot-buis
Pitotbuizen worden voornamelijk gebruikt om debieten te meten. Ze bestaan uit een gebogen buis met twee openingen
Het ene uiteinde van de buis is open naar een statisch punt in de vloeistof waar lage druk is, en het andere uiteinde is direct in lijn met de stroom zoals hieronder weergegeven:
Naarmate de stroomsnelheid toeneemt, wordt de vloeistof die vastzit in het bochtgedeelte van de buis verplaatst om een vloeistofmanometer te creëren, die de stroomsnelheid aangeeft.
De installatie van dergelijke pitotbuizen met twee poorten kan echter omslachtig zijn. En heeft de volgende beperkingen:
- Als de snelheid te laag is, kan het drukverschil moeilijk te meten zijn.
- Als de snelheid te hoog is (dwz supersonisch/sneller dan de snelheid van het geluid), doet dit ook de primaire vereisten van Bernoulli's vergelijking teniet, waardoor deze ongeldig wordt.
- Als de buis verstopt raakt, wijkt de resulterende druk af van de werkelijke drukwaarden.
Daarom zijn er speciale enkelpunts pitotbuizen genaamd 'middelaging type pitotbuizen' die een aantal stroomopwaartse meetbuizen hebben, zoals hieronder weergegeven.
Deze opstelling overwint de problemen die worden genoemd in de pitot-statische buis.
- Stromingsmondstuk
Stroommondstukken zijn een ander type primair element dat wordt aangetroffen in drukverschiltransducers. Ze zijn vergelijkbaar met orifice-buizen, maar hebben verschillende voordelen ten opzichte van hen.
Er zijn een paar soorten wolvensproeiers: doorstroommondstukken met flens, doorstroommondstukken met flens met geïntegreerde lagedrukkranen en inlasstroom mondstukken.
De speciale stromingsmondstukken van het wel-din-type zijn met name handig in hogedruktoepassingen en leidingen met een kleine diameter waar geen flenzen kunnen worden gebruikt. De onderstaande figuur toont een inlasstroommondstuk, dat tussen de leidingen wordt geplaatst en permanent op zijn plaats wordt gelast.
Hier zijn enkele van de voordelen van stromingsnozzles in vergelijking met openingenplaatelementen:
- Stromingsnozzles hebben geen scherpe randen als meetplaten. Dit maakt de stroomnozzles na verloop van tijd minder onderhevig aan slijtage.
- Stroomnozzles hebben de voorkeur bij het meten van vloeistoffen met hoge snelheid.
Op grote schaal gebruikt in toepassingen met hoge druk en hoge temperaturen, zoals stoomstroom met hoge snelheid in turbines.
- Laminair stromingselement
Een ander interessant primair element is het laminaire stromingselement. Deze bestaat uit meerdere buizen die veel langer zijn dan de diameter van de hoofdleiding om de stroming te vertragen en laminair te maken.
Deze laminaire buizen introduceren een permanente drukval die stroomafwaarts niet kan worden hersteld vanwege de wrijving veroorzaakt door de buizen. De drukval is kwantificeerbaar met behulp van de Hagen-Poiseuille-vergelijking.
Laminaire stroomelementen worden gebruikt om een lineair verband te verkrijgen tussen de stroomsnelheid en de drukval, waardoor een vierkantswortelkarakterisering om de meetwaarde te lineariseren overbodig wordt.
Apparaten op basis van laminaire elementen hebben echter temperatuurcompensatie nodig omdat de temperatuur de viscositeit van de vloeistof beïnvloedt, dus de uiteindelijke waarde.
Secundaire elementen
Het secundaire element van een verschildruktransmitter bestaat uit de apparaten die het fysieke attribuut (druk) omzetten in een elektrisch signaal. Dit wordt gedaan door een 'transducer' te gebruiken die een van de volgende vormen kan aannemen:
- Spanningsmeter druktransducer
Transducers van het type rekstrookjes worden gebruikt voor druk- en verschildrukmetingen in nauwe overspanningen. Ze hebben een rekstrookje, een weerstand die de weerstand verandert afhankelijk van de belasting die erop wordt uitgeoefend. De spanningsmeter is bevestigd aan een diafragma om de druk om te zetten in spanning.
Ze kunnen worden gebruikt in alle soorten druktransmitters als transducerelement voor het meten van manometer-, absolute en differentiële drukken.
- Capaciteit drukomvormer
De transducers van het capaciteitstype gebruiken een bewegend diafragma volgens de toegepaste druk om het drukverschil te bepalen. Het diafragma is verbonden met het primaire element met behulp van een vulvloeistof zoals vloeibare siliconen.
Het gaat om een complexe schakeling die oscilleert. De oscillatiefrequentie wordt beïnvloed door de verandering in capaciteit, wat zich uiteindelijk vertaalt in een gelijkstroomsignaal als uitvoer van de sensor.
- Resonante draaddruktransducer
Een resonantiedraaddruktransducer bestaat uit een resonantiedraad volgens een geïntegreerde oscillatorschakeling. Elke verandering in druk zorgt ervoor dat de draadspanning verandert. De verandering in spanning verandert de oscillatiefrequentie. Omdat dit zeer nauwkeurig kan worden gemeten, worden resonante draadtransducers vaak aangetroffen in toepassingen met lage drukverschil.
Resonante draaddruktransducers zijn zeer stabiel onder stabiele temperatuuromstandigheden, maar zijn niet-lineair. Daarom hebben deze de hulp van een microprocessor nodig om de niet-lineariteit te compenseren.
Elektronica
De elektronica van een druktransmitter versterkt, conditioneert en converteert het ruwe signaal verder om naar een PLC of een andere controller te worden verzonden. De uitvoer kan zijn,
- spanningsuitgang
Een 0-10V of 0-5V uitgang afhankelijk van de configuratie.
- Huidige uitgang
Een stroomuitgang van 4-20 mA om in een PLC-ingangskaart te voeden.
- Digitale uitgang
Een drempeluitgang of een digitale communicatiegegevensstroom zoals een RS232- of RS485-compatibele uitgang die een zeer nauwkeurige, digitaal bemonsterde drukmeting biedt.
Differentiële druktransmitter constructie
Drukverschiltransmitters bestaan uit drie hoofdsecties, het primaire element, secundaire elementen en de elektronicabehuizing.
Het primaire element is direct in de buis gemonteerd en fungeert als het drukwaarnemingselement. Dit introduceert een drukverschil in de vloeistofstroom en verschaft twee uitgangen vanaf twee punten met bekende, verschillende vloeistofdruk.
Het secundaire element wordt meestal bovenop het primaire element gemonteerd, buiten de leidingen. Dit zet de fysieke druk om in een klein elektrisch signaal.
Het laatste element is de elektronica, waarin de signaalconditionering en het zendercircuit zijn ingebouwd. Deze fase leest de meting van het secundaire element, versterkt, filtert en verdere voorwaarden om de meting naar een PLC of een andere geschikte ontvanger te verzenden.
Waar wordt differentiële drukmeting (DP) gebruikt?
De meest voorkomende toepassing voor verschildruk is de differentiële stroomsnelheidsmeting. Dit type toepassing is te vinden in zowel huishoudelijke als industriële omgevingen, zoals het meten van het vloeistofdebiet in olie-/waterdoseersystemen.
Andere toepassingen voor DP zijn onder meer filterbewaking, vloeistofniveaumeting en in sommige gevallen bewaking van het boorkopkoppel. Bij filterbewaking wordt DP gebruikt om de filters constant op verstopping te controleren. Als een filter verstopt is, wordt het drukverschil verhoogd en de meting wordt vervolgens gebruikt om het probleem te identificeren.
In sommige toepassingen wordt gasdruk, vloeistofpompdrukbewaking en waterleidinglekdetectie ook gedaan door het meten van het drukverschil.
Waarvoor wordt een verschildruktransmitter gebruikt?
Een verschildruktransmitter kan een verschildrukmeting uitvoeren volgens een fijne kalibratie. De uitgang kan een spanning, stroom of een digitale uitgang zijn die compatibel is met industriële standaardapparatuur.
Externe druktransmitters worden gebruikt om de ruwe meetwaarden van drukverschiltransducers te verkrijgen en deze om te zetten in elektrische signalen die lineair en kwantificeerbaar zijn volgens de gemeten drukwaarden.
Conclusie
Drukverschiltransmitters zijn geïntegreerde apparaten die kunnen worden gebruikt om het drukverschil in een vloeistofsysteem te meten. De metingen van een DP-transmitter kunnen worden gebruikt om het debiet, de druk (manometer, verschil- en absolute druk) en in sommige gevallen zelfs de aanwezigheid van vloeistof/gas te meten. Dit artikel werd uitgezonden om een inleiding te geven tot industriële drukverschiltransducers, hun constructie en een kort idee van de verschillende soorten DP-transmitters die beschikbaar zijn.
