Giriş
Basınç, belirli bir alana uygulanan kuvvettir. Basınç, her türlü madde tarafından uygulanabilir; katı, sıvı ve hatta gazlar. Akışkan basıncının ölçülmesi, endüstriyel otomasyon sistemlerinde proses izleme ve kontrol açısından özellikle yararlıdır. Bu makale tartışmayı amaçlamaktadır fark basınç vericileri. Akışkan bazlı sistemlerin akış hızı gibi basınç bilgilerini almak için en yaygın kullanılan basınç sensörlerinden biridir.
Fark Basınç Transmitteri Nedir?
Akışkanlardaki basıncın izlenmesi söz konusu olduğunda, üç ölçüm tekniği vardır:
- Gösterge basıncı
Gösterge basıncı, ölçülen sıvı ile atmosfer basıncı arasındaki basınç farkıdır.
- Mutlak Basınç
Kombine atmosferik ve sıvı basıncı, mutlak basınç olarak bilinir.
- Diferansiyel basınç
Fark basınç, aynı sıvı/gaz içindeki iki farklı noktadaki basınç farkıdır.
Tüm bu teknikler birbirinden farklı görünse de, üçü de birbiriyle ilişkilidir.
Diferansiyel basınç vericisi (DP vericisi olarak da bilinir), özel bir basınç sensörü türüdür. İki farklı basıncı ölçebilir ve birini diğerinden çıkarabilir; dolayısıyla adı diferansiyel. Diferansiyel basınç sensörleri, akış hızını belirlemek için sıvı iletim ortamlarında yaygın olarak kullanılır.
Süreli basınç verici ve Basınç çevirici çoğu zaman birlikte gider. Ancak işlevsellik açısından birbirlerinden farklıdırlar. Basınç transdüserleri, basınç ileticilerinden daha basittir ve çok az elektronik devre içerir. Her iki sensör tipinde de proses bağlantısına monte edilmiş piezo dirençli veya ince film bulunur.
Basınç transdüserleri, piezo elemanından doğrudan analog sinyaller verir. Sinyal genellikle milivolt aralığındadır. Bu ham sinyali daha sonra PLC gibi bir kontrolöre beslemek üzere koşullandırmak için harici işleme devrelerine ihtiyaçları vardır.
Bununla birlikte, basınç transdüserlerinde yerleşik ek işleme devresi bulunur. Bu, uzak bir alıcıya iletilecek sinyalin doğrusallaştırılmasını, yükseltilmesini ve daha fazla koşullandırılmasını içerir. Doğrudan bir PLC'ye beslenebilen bir sinyal üretebilen tek bir birim oluşturmak için entegre dönüştürücü ve verici devresinden oluşurlar.
Fark Basınç Transmitteri Çalışma Prensibi
Yukarıda bahsedildiği gibi, fark basınç vericileri, basınç sinyallerini alan, koşullandıran ve ileten birden fazla bölüme sahiptir. Mekanik konstrüksiyonda üç ana bölüm vardır:
- Birincil Eleman
- ikincil eleman
- Elektronik
Birincil eleman, sıvı akışına bir basınç farkı getiren özel bir mekanik yapıdır. Bu bir venturi tüpü, orifis plakası, pitot tüpü, akış nozulu veya laminer akış elemanı olabilir.
Birincil eleman, yukarıda bahsedilen mekanik bariyerlerden birini kullanarak yapay bir bariyer ekleyerek sıvı akışında bir basınç farkı yaratır. İkincil eleman, bariyerden önce ve sonra olmak üzere iki noktada basınçları alır.
Birincil öğe genellikle "yüksek taraf" ve ikincil öğe "düşük taraf" olarak bilinir. Bu, yüksek tarafın daha yüksek basınçlı ve alçak tarafın daha düşük basınçlı olduğu şeklinde yanlış anlaşılmamalıdır.
Birincil bölüm, bir tür izolasyon sıvısı bağlantısı veya mekanik bir bağlantı yoluyla ikincil elemana bir bağlantıya sahiptir. Silikon iyi bir ısı yalıtkanı olduğundan ve kimyasal olarak kararlı olduğundan sıvı genellikle silikon bazlıdır. Diferansiyel basınç transmiterlerinde ikincil eleman olarak çok sayıda sensör tipi mevcuttur:
- Diferansiyel kapasitans basınç transdüserleri
- Titreşimli telli basınç transdüserleri
- Gerinim ölçer basınç transdüserleri
İkincil eleman, algılanan basınç farkını küçük bir voltaj sinyaline dönüştürür. Elektronikler bu voltaj sinyalini alır ve daha da iyi duruma getirir. Buna filtreleme, normalleştirme, amplifikasyon, örnekleme ve akım/voltaj sinyaline dönüştürme dahildir.
Elektronik bölümü daha sonra ölçülen basınç aralığıyla ilgili doğrusal bir çıktı verir. Örneğin, sensör 0-100psi fark basıncını ölçebiliyorsa ve bu bir akım çıkış tipiyse, 4psi'de 0mA çıkış verecek ve 20psi'de 100mA çıkış verecektir. Aradaki herhangi bir basınç, buna karşılık gelen akım değerine sahip olacaktır. (yani 8psi için 50mA)
Fark Basınç Transmitteri Elemanları
Yukarıda bahsedildiği gibi, fark basınç transdüserlerinin 3 ana unsuru vardır; birincil, ikincil ve elektronik montaj elemanları.
Ortak birincil unsurlara ve yapılarına kısaca bakalım.
Birincil Öğeler
- Orifis Plakaları
Orifis plakaları, birincil elemanların en basit biçimlerinden biridir. Bir kısıtlama getirerek akışta bir basınç düşüşü yaratırlar. Orifis her zaman bağlanan borudan daha küçük bir çapa sahiptir.
Orifis plakası basınç dönüştürücü, cihazı harici bir basınç izleme cihazına bağlamak için iki basınç çıkış bağlantısına sahiptir. Fark basınç transmiterlerinde bu, cihazın ikincil elemanına bağlanır.
- Venturi Tüpü
Bazı basınç vericilerinde birincil eleman bir venturi tüpüdür. Akışı da kısıtlayan ve basınç farkı yaratan özel bir düzenlemedir. Orifis yerinden farklı olarak venturi tüpü daha kademeli bir şekle sahiptir ve basınçlar iki farklı yerde ölçülür.
Venturi borusunun bir girişi, yakınsayan kısmı, bir boğazı (tipik boru çapından daha küçük) ve çapı orijinal boru çapına geri döndüren bir uzaklaşan kısmı vardır. Basınç ölçümleri iki çapa sahip olan giriş bölümünden ve boğaz bölümünden alınır.
Basıncı ölçmek için kullanılan ilke, Süreklilik denklemi ve Bernoulli denklemi akışkanlar mekaniği teorisinde bulunur. Debiyi belirlemek için çoğunlukla debimetrelerde havalandırma tipi birincil elemanlar bulunur.
- Pitot Tüpü
Pitot tüpleri öncelikle akış hızlarını ölçmek için kullanılır. İki açıklığı olan bükülmüş bir borudan oluşurlar.
Tüpün bir ucu akışkanda düşük basıncın olduğu statik bir noktaya açık, diğeri ise aşağıda gösterildiği gibi doğrudan akışla aynı hizadadır:
Akış hızı arttıkça, borunun büküm bölümünde sıkışan sıvı, akış hızını gösteren bir sıvı manometresi oluşturmak için yer değiştirir.
Ancak, bu tür iki portlu pitot tüplerinin montajı zahmetli olabilir. Ve aşağıdaki sınırlamalara sahiptir:
- Hız çok düşükse, basınç farkının ölçülmesi zor olabilir.
- Eğer hız çok yüksekse (yani süpersonik/ses hızından daha hızlı), bu aynı zamanda Bernoulli denkleminin birincil gerekliliklerini de geçersiz kılarak onu geçersiz kılar.
- Tüp tıkanırsa, ortaya çıkan basınç gerçek basınç değerlerinden sapar.
Bu nedenle, aşağıda gösterildiği gibi bir dizi yukarı akış algılama tüpüne sahip 'ortalama tip pitot tüpleri' olarak adlandırılan özel, tek noktalı pitot tüpleri vardır.
Bu kurulum pitot-statik tüpte bahsedilen problemlerin üstesinden gelir.
- Akış Nozulu
Akış nozülleri, diferansiyel basınç transdüserlerinde bulunan başka bir birincil eleman türüdür. Orifis tüplerine benzerler, ancak onlara göre birçok avantajı vardır.
Birkaç tür kurt nozulu vardır: flanşlı akış nozulları, entegre alçak basınç musluklu flanşlı akış nozulları ve kaynaklı akış nozulları.
Özel wel-din tipi akış nozulları, özellikle yüksek basınçlı uygulamalarda ve flanşların kullanılamadığı küçük çaplı borularda kullanışlıdır. Aşağıdaki şekil, borular arasına yerleştirilmiş ve kalıcı olarak yerinde kaynaklanmış kaynaklı bir akış nozulunu göstermektedir.
Orifis plaka elemanlarına kıyasla akış nozullarının avantajlarından bazıları şunlardır:
- Akış nozulları, orifis plakaları gibi keskin kenarlar içermez. Bu, akış nozullarının zamanla aşınmaya ve yıpranmaya daha az meyilli olmasını sağlar.
- Yüksek hızlı sıvıların ölçülmesinde akış nozulları tercih edilir.
Türbinlerde yüksek hızlı buhar akışı gibi yüksek basınç ve yüksek sıcaklık uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.
- Laminer Akış Elemanı
Bir başka ilginç birincil öğe, laminer akış öğesidir. Bu, akışı yavaşlatmak ve laminer hale getirmek için ana borunun çapından çok daha uzun olan birden fazla borudan oluşur.
Bu laminer tüpler, tüplerin neden olduğu sürtünme nedeniyle aşağı akışta geri alınamayan kalıcı bir basınç düşüşü sağlar. Basınç düşüşü, aşağıdakiler kullanılarak ölçülebilir: Hagen-Poiseuille denklemi.
Okumayı doğrusallaştırmak için karekök karakterizasyonu ihtiyacını ortadan kaldıran akış hızı ve basınç düşüşü arasında doğrusal bir ilişki elde etmek için laminer akış elemanları kullanılır.
Bununla birlikte, laminer eleman tabanlı cihazlar, sıcaklık sıvının viskozitesini, dolayısıyla son okumayı etkilediği için sıcaklık telafisine ihtiyaç duyar.
İkincil Elemanlar
Diferansiyel basınç vericisinin ikincil elemanı, fiziksel özelliği (basınç) bir elektrik sinyaline dönüştüren cihazlardan oluşur. Bu, aşağıdaki şekillerden herhangi birini alabilen bir 'dönüştürücü' kullanılarak yapılır:
- Gerinim ölçer basınç dönüştürücü
Gerinim ölçer tipi transdüserler, dar aralıklı basınç ve fark basınç ölçümleri için kullanılır. Bir gerinim ölçere, uygulanan gerilime göre direncini değiştiren bir dirence sahiptirler. Gerinim ölçer, basıncın gerilime dönüşmesini sağlamak için bir diyaframa bağlanmıştır.
Gösterge, mutlak ve fark basınçlarını ölçmek için dönüştürücü eleman olarak her tür basınç vericisinde kullanılabilirler.
- Kapasitans basınç dönüştürücü
Kapasitans tipi transdüserler, basınç farkını belirlemek için uygulanan basınca göre hareketli bir diyafram kullanır. Diyafram, sıvı silikon gibi bir dolgu sıvısı kullanılarak birincil elemana bağlanır.
Bu, salınan karmaşık bir devre içerir. Salınım frekansı, kapasitanstaki değişiklikten etkilenir ve bu, sonuçta sensörden çıkış olarak bir DC sinyaline dönüşür.
- Rezonans tel basınç dönüştürücü
Bir rezonans telli basınç transdüseri, entegre bir osilatör devresine göre bir rezonans telinden oluşur. Basınçtaki herhangi bir değişiklik tel geriliminin değişmesine neden olur. Gerilimdeki değişiklik salınım frekansını değiştirir. Bu çok doğru bir şekilde ölçülebildiğinden, rezonant tel dönüştürücüler genellikle düşük basınç farkı uygulamalarında bulunur.
Rezonans telli basınç transdüserleri, kararlı sıcaklık koşulları altında çok kararlıdır, ancak doğrusal değildir. Bu nedenle, bunlar doğrusal olmamayı telafi etmek için bir mikroişlemciden yardım gerektirir.
Elektronik
Bir basınç vericisinin elektroniği, bir PLC'ye veya başka bir kontrolöre iletilecek ham sinyali daha da güçlendirir, koşullandırır ve dönüştürür. Çıktı olabilir,
- gerilim çıkışı
Yapılandırmaya bağlı olarak 0-10V veya 0-5V çıkış.
- Akım çıkışı
PLC giriş kartına beslemek için 4-20mA akım çıkışı.
- Dijital çıkış
Yüksek doğrulukta, dijital olarak örneklenmiş bir basınç okuması sağlayan RS232 veya RS485 uyumlu çıkış gibi bir eşik çıkış veya dijital iletişim veri akışı.
Fark Basınç Transmitteri Yapısı
Fark basınç transmiterleri, birincil eleman, ikincil elemanlar ve elektronik muhafaza olmak üzere üç ana bölümden oluşur.
Birincil eleman doğrudan boruya monte edilir ve basıncı gözlemleyen eleman olarak işlev görür. Bu, sıvı akışına bir basınç farkı getirir ve bilinen, farklı sıvı basıncına sahip iki noktadan iki çıktı sağlar.
İkincil eleman genellikle boruların dışına, birincil elemanın tam üstüne monte edilir. Bu, fiziksel basıncı küçük bir elektrik sinyaline dönüştürür.
Son eleman, yerleşik sinyal koşullandırma ve verici devresine sahip elektroniktir. Bu aşama, ikincil elemandan ölçümü okur, yükseltir, filtreler ve okumayı bir PLC'ye veya başka bir uygun alıcıya iletmek için diğer koşulları sağlar.
Fark Basınç (DP) Ölçümü nerelerde kullanılır?
Diferansiyel basınç için en yaygın uygulama, diferansiyel akış hızı ölçümüdür. Bu tür bir uygulama, yağ/su dağıtım sistemlerinde sıvı akış hızının ölçülmesi gibi hem evsel hem de endüstriyel ortamlarda bulunabilir.
DP için diğer uygulamalar arasında filtre izleme, sıvı seviyesi ölçümü ve bazı durumlarda matkap kafası tork izleme yer alır. Filtre izlemede, DP, filtrelerin tıkanma olup olmadığını sürekli olarak izlemek için kullanılır. Bir filtre tıkanırsa, diferansiyel basınç artar ve ardından okuma, sorunu tanımlamak için kullanılır.
Bazı uygulamalarda gaz basıncı, sıvı pompası basıncı izleme ve su borusu kaçak tespiti de fark basıncı ölçülerek yapılır.
Diferansiyel Basınç Transmitteri Ne İçin Kullanılır?
Bir diferansiyel basınç vericisi, ince bir kalibrasyona göre bir diferansiyel basınç ölçümü verebilir. Çıkış, endüstriyel standart ekipmanla uyumlu bir voltaj, akım veya dijital çıkış olabilir.
Harici basınç transmiterleri, fark basınç transdüserlerinden ham okumaları elde etmek ve bunları ölçülen basınç değerlerine göre doğrusal ve ölçülebilir elektrik sinyallerine dönüştürmek için kullanılır.
Sonuç
Fark basınç vericileri, bir akışkan sistemindeki basınç farkını ölçmek için kullanılabilen entegre cihazlardır. Bir DP vericisinden alınan ölçümler, akış hızını, basıncı (gösterge, diferansiyel ve mutlak basınç) ve hatta bazı durumlarda sıvı/gaz varlığını ölçmek için kullanılabilir. Bu makale, endüstriyel diferansiyel basınç transdüserlerine bir giriş, bunların yapısı ve mevcut farklı DP vericileri hakkında kısa bir fikir vermek için yayınlandı.
