Введение
Давление – это сила, прикладываемая к определенной области. Давление может оказываться всеми формами материи; твердые, жидкие и даже газообразные. Измерение давления жидкости особенно полезно с точки зрения контроля и управления процессами в системах промышленной автоматизации. Эта статья направлена на обсуждение преобразователи дифференциального давления. Они являются одним из наиболее широко используемых датчиков давления для получения информации о давлении, такой как скорость потока в жидкостных системах.
Что такое датчик перепада давления?
Когда дело доходит до мониторинга давления в жидкостях, существует три метода измерения:
- Манометрическое давление
Манометрическое давление – это разница между давлением измеряемой жидкости и атмосферным давлением.
- Абсолютное давление
Комбинированное атмосферное давление и давление жидкости известно как абсолютное давление.
- Перепад давления
Дифференциальное давление — это разница давлений в двух разных точках одной и той же жидкости/газа.
Хотя все эти методы могут звучать по-разному, все три связаны друг с другом.
Преобразователь перепада давления (также известный как преобразователь перепада давления) представляет собой датчик давления особого типа. Он может измерять два разных давления и вычитать одно из другого; отсюда и название дифференциал. Датчики перепада давления обычно используются в жидкостных средах для определения скорости потока.
Термин бесшкальный манометр и Датчик давления часто ходят вместе. Однако по функциональности они отличаются друг от друга. Датчики давления проще, чем датчики давления, и содержат минимум электронных схем. Датчики обоих типов имеют пьезорезистивные или тонкопленочные датчики, установленные на технологическом присоединении.
Датчики давления напрямую выводят аналоговые сигналы с пьезоэлемента. Сигнал обычно находится в диапазоне милливольт. Им нужна внешняя схема обработки, чтобы преобразовать этот необработанный сигнал для последующей подачи на контроллер, такой как ПЛК.
Однако датчики давления имеют встроенную дополнительную схему обработки. Это включает в себя линеаризацию, усиление и дальнейшее преобразование сигнала, который должен быть передан на удаленный приемник. Они состоят из встроенных схем преобразователя и передатчика, образующих единый блок, способный вырабатывать сигнал, который можно напрямую подавать в ПЛК.
Принцип работы датчика дифференциального давления
Как упоминалось выше, датчики перепада давления имеют несколько секций, которые собирают, обрабатывают и передают сигналы давления. В механической конструкции выделяют три основные части:
- Первичный элемент
- Вторичный элемент
- Electronics
Первичный элемент представляет собой специальную механическую конструкцию, которая вносит в поток жидкости перепад давления. Это может быть трубка Вентури, диафрагма, трубка Пито, сопло или элемент ламинарного потока.
Первичный элемент создает перепад давления в потоке жидкости путем добавления искусственного барьера с использованием одного из упомянутых выше механических барьеров. Вторичный элемент воспринимает давление в двух точках, до и после барьера.
Первичный элемент часто называют «высокой стороной», а вторичный элемент — «нижней стороной». Это не следует понимать неправильно, поскольку сторона высокого давления должна иметь более высокое давление, а сторона низкого давления - более низкое давление.
Первичная секция имеет соединение с вторичным элементом через некоторую форму изолирующей гидравлической муфты или механическую муфту. Жидкость часто делается на основе силикона, так как силикон является хорошим теплоизолятором и химически стабилен. Существует несколько типов датчиков, доступных в преобразователях перепада давления в качестве вторичного элемента:
- Преобразователи дифференциального емкостного давления
- Датчики давления с вибрирующей проволокой
- Датчики давления тензометрические
Вторичный элемент преобразует измеренный перепад давления в слабый сигнал напряжения. Электроника улавливает этот сигнал напряжения и дополнительно обрабатывает его. Это включает в себя фильтрацию, нормализацию, усиление, выборку и преобразование в сигнал тока/напряжения.
Секция электроники затем выводит линейный выходной сигнал, относящийся к измеренному диапазону давления. Например, если датчик способен измерять перепад давления в диапазоне 0-100 фунтов на квадратный дюйм и имеет токовый выход, он будет выдавать 4 мА при 0 фунтов на квадратный дюйм и 20 мА при 100 фунтов на квадратный дюйм. Любое давление между ними будет иметь соответствующее текущее значение. (т.е. 8 мА для 50 фунтов на кв. дюйм)
Элементы преобразователя дифференциального давления
Как упоминалось выше, датчики перепада давления состоят из 3 основных элементов; первичные, вторичные и элементы сборки электроники.
Давайте кратко рассмотрим общие первичные элементы и их конструкцию.
Первичные элементы
- Диафрагмы
Диафрагмы - одна из простейших форм первичных элементов. Они вводят перепад давления в потоке путем введения ограничения. Отверстие всегда имеет меньший диаметр, чем присоединяемая труба.
Датчик давления с диафрагмой имеет два выходных патрубка для подключения устройства к внешнему устройству контроля давления. В преобразователях дифференциального давления он подключается к вторичному элементу устройства.
- Трубка Вентури
В некоторых преобразователях давления первичным элементом является трубка Вентури. Это специальное устройство, которое также ограничивает поток и создает перепад давления. В отличие от отверстия, трубка Вентури имеет более плавную форму, и давление измеряется в двух разных местах.
Трубка Вентури имеет входную, сужающуюся часть, горловину (меньшую, чем обычный диаметр трубы) и расширяющуюся часть, которая увеличивает диаметр до исходного диаметра трубы. Измерения давления берутся из входной секции и секции горловины, которая имеет два диаметра.
Принцип измерения давления связан с уравнение неразрывности и Уравнение Бернулли встречается в теории механики жидкости. Первичные элементы венчурного типа встречаются в основном в расходомерах для определения расхода.
- Трубка Пито
Трубки Пито в основном используются для измерения скорости потока. Они состоят из изогнутой трубы с двумя отверстиями.
Один конец трубки открыт для статической точки в жидкости с низким давлением, а другой находится прямо на линии потока, как показано ниже:
По мере увеличения расхода жидкость, застрявшая в изгибе трубки, вытесняется, образуя жидкостный манометр, показывающий расход.
Однако установка таких двухканальных трубок Пито может оказаться затруднительной. И имеет следующие ограничения:
- Если скорость слишком низкая, разницу давлений трудно измерить.
- Если скорость слишком высока (т.е. сверхзвуковая/выше скорости звука), это также сводит на нет основные требования уравнения Бернулли, делая его недействительным.
- Если трубка засоряется, результирующее давление отклоняется от фактических значений давления.
Поэтому существуют специальные одноточечные трубки Пито, называемые «трубками Пито усредняющего типа», которые имеют несколько расположенных выше по потоку сенсорных трубок, как показано ниже.
Эта установка решает проблемы, упомянутые в статической трубке Пито.
- Сопло потока
Форсунки потока - это еще один тип первичного элемента, который можно найти в датчиках перепада давления. Они похожи на диафрагменные трубки, но имеют перед ними ряд преимуществ.
Существует несколько видов насадок волка: фланцевые сопла, фланцевые сопла со встроенными кранами низкого давления и вварные сопла.
Специальные сопла типа wel-din особенно полезны в системах высокого давления и трубопроводах малого диаметра, где нельзя использовать фланцы. На рисунке ниже показано приварное сопло, которое помещается между трубами и приваривается на место.
Вот некоторые из преимуществ расходных форсунок по сравнению с элементами с диафрагмой:
- Сопла потока не содержат острых краев, как диафрагмы. Это делает расходные сопла менее подверженными износу с течением времени.
- Проточные сопла предпочтительны при измерении высокоскоростных жидкостей.
Широко используется в приложениях с высоким давлением и высокой температурой, таких как высокоскоростной поток пара в турбинах.
- Элемент ламинарного потока
Еще одним интересным первичным элементом является элемент ламинарного потока. Он состоит из нескольких трубок, которые намного длиннее диаметра основной трубы, чтобы замедлить поток и сделать его ламинарным.
Эти ламинарные трубы создают постоянный перепад давления, который не может быть устранен ниже по потоку из-за трения, создаваемого трубами. Падение давления измеряется с помощью Уравнение Хагена-Пуазейля.
Элементы ламинарного потока используются для получения линейной зависимости между расходом и падением давления, что устраняет необходимость в характеристике квадратного корня для линеаризации показаний.
Однако устройства на основе ламинарных элементов нуждаются в температурной компенсации, поскольку температура влияет на вязкость жидкости и, следовательно, на окончательные показания.
Вторичные элементы
Вторичный элемент преобразователя дифференциального давления состоит из устройств, преобразующих физический атрибут (давление) в электрический сигнал. Это делается с помощью «преобразователя», который может принимать любую из следующих форм:
- Датчик давления тензометрический
Датчики тензометрического типа используются для измерения давления в узком диапазоне и перепада давления. У них есть тензодатчик, резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от приложенной к нему деформации. Тензорезистор прикреплен к диафрагме, чтобы давление преобразовывалось в деформацию.
Их можно использовать во всех типах преобразователей давления в качестве преобразователя для измерения избыточного, абсолютного и дифференциального давления.
- Емкостной преобразователь давления
Датчики емкостного типа используют подвижную диафрагму в зависимости от приложенного давления для определения перепада давления. Диафрагма соединена с первичным элементом с помощью заполняющей жидкости, такой как жидкий силикон.
Это включает в себя сложную цепь, которая колеблется. На частоту колебаний влияет изменение емкости, которое в конечном итоге преобразуется в сигнал постоянного тока на выходе датчика.
- Датчик давления с резонансной проволокой
Датчик давления с резонансной проволокой состоит из резонирующей проволоки по схеме интегрального генератора. Любое изменение давления вызывает изменение натяжения проволоки. Изменение натяжения изменяет частоту колебаний. Поскольку это можно очень точно измерить, резонансные проволочные преобразователи обычно используются в приложениях с низким перепадом давления.
Датчики давления с резонансной проволокой очень стабильны в стабильных температурных условиях, но нелинейны. Следовательно, они требуют помощи микропроцессора для компенсации нелинейности.
Electronics
Электроника преобразователя давления дополнительно усиливает, обрабатывает и преобразует необработанный сигнал для передачи на ПЛК или другой контроллер. Выход может быть,
- Выходное напряжение
Выход 0-10В или 0-5В в зависимости от конфигурации.
- Токовый выход
Токовый выход 4-20 мА для подачи на входную карту ПЛК.
- Цифровой выход
Выход с пороговым значением или поток данных цифровой связи, такой как выход, совместимый с RS232 или RS485, который обеспечивает высокоточное считывание давления с цифровой выборкой.
Конструкция датчика перепада давления
Преобразователи дифференциального давления состоят из трех основных частей: первичного элемента, вторичных элементов и корпуса электроники.
Первичный элемент монтируется непосредственно в трубку и действует как элемент, контролирующий давление. Это вносит разность давлений в поток жидкости и обеспечивает два выхода из двух точек с известным разным давлением жидкости.
Вторичный элемент обычно монтируется прямо поверх первичного элемента, снаружи трубопровода. Это преобразует физическое давление в небольшой электрический сигнал.
Последним элементом является электроника со встроенными схемами формирования сигнала и передатчика. Этот этап считывает измерение со вторичного элемента, усиливает, фильтрует и выполняет дополнительные условия для передачи показаний на ПЛК или другой подходящий приемник.
Где используется измерение перепада давления (DP)?
Наиболее распространенным применением дифференциального давления является измерение дифференциального расхода. Этот тип применения можно найти как в бытовых, так и в промышленных условиях, например, для измерения расхода жидкости в системах раздачи масла/воды.
Другие приложения для DP включают мониторинг фильтров, измерение уровня жидкости и, в некоторых случаях, контроль крутящего момента буровой головки. При мониторинге фильтров DP используется для постоянного контроля фильтров на предмет их засорения. Если фильтр забит, дифференциальное давление увеличивается, а затем показания используются для определения проблемы.
В некоторых приложениях мониторинг давления газа, давления жидкостного насоса и обнаружение утечек в водопроводных трубах также выполняется путем измерения перепада давления.
Для чего используется датчик перепада давления?
Преобразователь перепада давления способен выводить данные об измерении перепада давления в соответствии с точной калибровкой. Выход может быть напряжением, током или цифровым выходом, совместимым со стандартным промышленным оборудованием.
Внешние датчики давления используются для получения необработанных показаний от датчиков перепада давления и преобразования их в электрические сигналы, которые являются линейными и поддаются количественной оценке в соответствии с измеренными значениями давления.
Заключение
Преобразователи перепада давления представляют собой встроенные устройства, которые можно использовать для измерения перепада давления в жидкостной системе. Измерения датчика перепада давления можно использовать для измерения расхода, давления (манометрического, перепада и абсолютного давления) и даже в некоторых случаях наличия жидкости/газа. Эта статья предназначена для того, чтобы дать представление о промышленных преобразователях перепада давления, их конструкции и краткое представление о различных типах доступных преобразователей перепада давления.
