Giới thiệu
Áp suất là lực tác dụng lên một khu vực cụ thể. Mọi dạng vật chất đều có thể gây áp lực; rắn, lỏng và cả khí. Phép đo áp suất chất lỏng đặc biệt hữu ích trong việc giám sát và điều khiển quá trình trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Bài viết này nhằm mục đích thảo luận máy phát áp suất chênh lệch. Chúng là một trong những cảm biến áp suất được sử dụng rộng rãi nhất để lấy thông tin về áp suất như tốc độ dòng chảy của các hệ thống dựa trên chất lỏng.
Máy phát áp suất vi sai là gì?
Khi nói đến việc theo dõi áp suất trong chất lỏng, có ba kỹ thuật đo:
- Đồng hồ đo áp suất
Áp suất đo là sự chênh lệch áp suất giữa chất lỏng được đo và áp suất khí quyển.
- Hoàn toàn bị áp lực
Áp suất khí quyển và chất lỏng kết hợp được gọi là áp suất tuyệt đối.
- Áp suất chênh lệch
Chênh lệch áp suất là sự chênh lệch áp suất tại hai điểm phân biệt trong cùng một chất lỏng / chất khí.
Mặc dù tất cả các kỹ thuật này nghe có vẻ khác nhau, nhưng cả ba đều có liên quan đến nhau.
Máy phát áp suất chênh lệch (còn được gọi là máy phát DP) là một loại cảm biến áp suất đặc biệt. Nó có thể đo hai áp suất khác nhau và trừ áp suất này cho áp suất kia; do đó có tên vi sai. Cảm biến chênh lệch áp suất được sử dụng phổ biến trong môi trường truyền chất lỏng để xác định tốc độ dòng chảy.
Thuật ngữ máy phát áp suất và bộ chuyển đổi áp suất thường song hành cùng nhau. Tuy nhiên, chức năng khôn ngoan, chúng khác nhau. Bộ chuyển đổi áp suất đơn giản hơn bộ truyền áp suất và chứa rất ít mạch điện tử. Cả hai loại cảm biến đều có điện trở áp hoặc màng mỏng được gắn trên một kết nối quy trình.
Bộ chuyển đổi áp suất trực tiếp xuất ra tín hiệu tương tự từ phần tử piezo. Tín hiệu thường nằm trong dải milivôn. Chúng cần mạch xử lý bên ngoài để tạo điều kiện cho tín hiệu thô này sau đó được cấp tới bộ điều khiển chẳng hạn như PLC.
Tuy nhiên, bộ chuyển đổi áp suất được tích hợp sẵn mạch xử lý bổ sung. Điều này bao gồm tuyến tính hóa, khuếch đại và điều hòa thêm tín hiệu để truyền đến máy thu từ xa. Chúng bao gồm bộ chuyển đổi và mạch phát tích hợp để tạo thành một khối duy nhất có khả năng tạo ra tín hiệu có thể được đưa trực tiếp vào PLC.
Nguyên lý làm việc của máy phát áp suất vi sai
Như đã đề cập ở trên, bộ truyền áp suất chênh lệch có nhiều phần thu nhận, điều chỉnh và truyền tín hiệu áp suất. Trong xây dựng cơ khí, có ba phần chính:
- Yếu tố chính
- Yếu tố phụ
- Thiết bị điện tử
Phần tử chính là một kết cấu cơ học đặc biệt tạo ra sự chênh lệch áp suất vào dòng chất lỏng. Đây có thể là ống venturi, tấm lỗ, ống pitot, vòi dòng chảy hoặc bộ phận dòng chảy tầng.
Phần tử chính tạo ra sự chênh lệch áp suất trong dòng chất lỏng bằng cách thêm một rào cản nhân tạo sử dụng một trong những rào cản cơ học được đề cập ở trên. Yếu tố thứ cấp nhận áp lực tại hai điểm, trước và sau rào cản.
Phần tử chính thường được gọi là "bên cao" và phần tử phụ là "bên thấp". Điều này không nên bị hiểu nhầm là phía cao có áp suất cao hơn và phía thấp có áp suất thấp hơn.
Phần sơ cấp có kết nối với phần tử thứ cấp thông qua một số dạng khớp nối chất lỏng cách ly hoặc khớp nối cơ khí. Chất lỏng thường dựa trên silicone vì silicone là chất cách nhiệt tốt và nó ổn định về mặt hóa học. Có nhiều loại cảm biến có sẵn trong bộ truyền chênh lệch áp suất như phần tử phụ của chúng:
- Bộ chuyển đổi áp suất điện dung khác nhau
- Bộ chuyển đổi áp suất dây rung
- Bộ chuyển đổi áp suất đo độ căng
Phần tử thứ cấp chuyển đổi chênh lệch áp suất cảm biến thành tín hiệu điện áp nhỏ. Thiết bị điện tử nhận tín hiệu điện áp này và điều chỉnh thêm. Điều này bao gồm lọc, chuẩn hóa, khuếch đại, lấy mẫu và chuyển đổi thành tín hiệu hiện tại / điện áp.
Phần điện tử sau đó xuất ra một đầu ra tuyến tính liên quan đến dải áp suất được đo. Ví dụ, nếu cảm biến có khả năng đo chênh lệch áp suất 0-100psi và nó là loại đầu ra hiện tại, nó sẽ xuất ra 4mA ở 0psi và sẽ xuất ra 20mA ở 100psi. Bất kỳ áp suất nào ở giữa sẽ có giá trị hiện tại tương ứng với nó. (tức là 8mA cho 50psi)
Các phần tử máy phát áp suất vi sai
Như đã nói ở trên, đầu dò chênh áp có 3 yếu tố chính; sơ cấp, thứ cấp và các phần tử lắp ráp điện tử.
Chúng ta hãy xem xét tóm tắt các yếu tố chính phổ biến và cấu tạo của chúng.
Yếu tố chính
- Tấm Orifice
Tấm Orifice là một trong những dạng đơn giản nhất của các phần tử chính. Họ tạo ra sự giảm áp suất trong dòng chảy bằng cách đưa ra một giới hạn. Lỗ thoát nước luôn có đường kính nhỏ hơn đường kính ống được kết nối.
Bộ chuyển đổi áp suất tấm lỗ có hai đầu nối đầu ra áp suất để kết nối thiết bị với thiết bị giám sát áp suất bên ngoài. Trong bộ truyền áp suất chênh lệch, điều này kết nối với phần tử thứ cấp của thiết bị.
- Ống venturi
Trên một số bộ truyền áp suất, phần tử chính là một ống venturi. Đó là một sự sắp xếp đặc biệt cũng hạn chế dòng chảy và tạo ra sự chênh lệch áp suất. Không giống như vị trí lỗ, ống venturi có hình dạng nhỏ dần và áp suất được đo ở hai vị trí khác nhau.
Ống venturi có phần đầu vào, phần hội tụ, phần họng (nhỏ hơn đường kính ống điển hình) và phần phân kỳ giúp tăng đường kính trở lại đường kính ống ban đầu. Các phép đo áp suất được thực hiện từ phần đầu vào và phần họng, có hai đường kính.
Nguyên tắc được sử dụng để đo áp suất liên quan đến phương trình liên tục và Phương trình Bernoulli được tìm thấy trong lý thuyết cơ học chất lỏng. Các phần tử cơ bản kiểu mạo hiểm được tìm thấy hầu hết trong lưu lượng kế để xác định lưu lượng.
- Ống Pitot
Ống pitot được sử dụng chủ yếu để đo tốc độ dòng chảy. Chúng bao gồm một đường ống uốn cong có hai lỗ mở
Một đầu của ống mở ra điểm tĩnh trong chất lỏng nơi có áp suất thấp và đầu kia thẳng hàng với dòng chảy như hình dưới đây:
Khi tốc độ dòng chảy tăng lên, chất lỏng mắc kẹt trong phần uốn cong của ống sẽ bị dịch chuyển để tạo ra áp kế chất lỏng, cho biết tốc độ dòng chảy.
Tuy nhiên, việc lắp đặt các ống pitot hai cổng như vậy có thể cồng kềnh. Và có những hạn chế sau:
- Nếu vận tốc quá thấp, chênh lệch áp suất có thể khó đo.
- Nếu vận tốc quá cao (tức là siêu âm / nhanh hơn tốc độ âm thanh), điều này cũng vô hiệu hóa các yêu cầu chính của phương trình Bernoulli, khiến nó không hợp lệ.
- Nếu ống bị tắc, áp suất tạo ra sẽ lệch khỏi các giá trị áp suất thực tế.
Do đó, có những ống pitot đặc biệt, một điểm được đặt tên là 'ống pitot loại trung bình' có một số ống cảm biến ngược dòng, như hình dưới đây.
Thiết lập này khắc phục được các vấn đề được đề cập trong ống pitot-static.
- Đầu phun dòng chảy
Đầu phun dòng chảy là một loại phần tử chính khác được tìm thấy trong bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch. Chúng tương tự như ống lỗ, nhưng có một số ưu điểm hơn chúng.
Có một số loại vòi phun sói: đầu phun dòng mặt bích, đầu phun dòng mặt bích với vòi áp suất thấp tích hợp và đầu phun dòng hàn.
Các đầu phun dòng chảy kiểu mối hàn đặc biệt đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng áp suất cao và đường ống có đường kính nhỏ, nơi không thể sử dụng mặt bích. Hình dưới đây cho thấy một vòi phun dòng hàn, được đặt giữa các đường ống và được hàn cố định tại chỗ.
Dưới đây là một số ưu điểm của đầu phun dòng chảy so với các phần tử tấm lỗ:
- Vòi phun không chứa bất kỳ cạnh sắc nào như tấm lỗ. Điều này giúp cho vòi phun ít bị hao mòn theo thời gian.
- Vòi phun dòng chảy được ưu tiên trong việc đo chất lỏng vận tốc cao.
Được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng áp suất cao và nhiệt độ cao như dòng hơi tốc độ cao trong tuabin.
- Phần tử dòng chảy Laminar
Một phần tử chính thú vị khác là phần tử dòng chảy tầng. Điều này bao gồm nhiều ống dài hơn nhiều so với đường kính của ống chính để làm chậm dòng chảy và làm cho nó thành lớp.
Các ống thành lớp này tạo ra sự sụt áp vĩnh viễn không thể phục hồi ở hạ lưu do ma sát gây ra bởi các ống. Sự sụt giảm áp suất có thể định lượng được bằng cách sử dụng Phương trình Hagen-Poiseuille.
Các phần tử dòng chảy nhiều lớp được sử dụng để có được mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ dòng chảy và độ giảm áp suất, điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của đặc tính căn bậc hai để tuyến tính hóa số đọc.
Tuy nhiên, các thiết bị dựa trên phần tử lớp cần bù nhiệt độ vì nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng, do đó, kết quả đọc cuối cùng.
Yếu tố phụ
Phần tử thứ cấp của máy phát chênh áp bao gồm các thiết bị chuyển đổi thuộc tính vật lý (áp suất) thành tín hiệu điện. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng 'đầu dò' có thể có bất kỳ dạng nào sau đây:
- Bộ chuyển đổi áp suất đo độ căng
Các đầu dò kiểu đo sức căng được sử dụng để đo áp suất và chênh lệch áp suất trong khoảng hẹp. Họ có một máy đo biến dạng, một điện trở thay đổi điện trở của nó theo biến dạng tác dụng lên nó. Máy đo biến dạng được gắn vào một màng ngăn để cho phép áp suất chuyển thành sức căng.
Chúng có thể được sử dụng trong tất cả các loại bộ truyền áp suất như một phần tử của bộ chuyển đổi để đo áp suất đồng hồ đo, áp suất tuyệt đối và chênh lệch.
- Bộ chuyển đổi áp suất điện dung
Các đầu dò loại điện dung sử dụng màng ngăn di chuyển theo áp suất đặt để xác định chênh lệch áp suất. Màng chắn được kết nối với phần tử chính bằng cách sử dụng chất lỏng điền đầy như silicone lỏng.
Điều này liên quan đến một mạch phức tạp dao động. Tần số dao động bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện dung, cuối cùng chuyển thành tín hiệu DC làm đầu ra từ cảm biến.
- Bộ chuyển đổi áp suất dây cộng hưởng
Bộ biến đổi áp suất dây cộng hưởng gồm một dây cộng hưởng theo mạch dao động tích hợp. Bất kỳ sự thay đổi nào của áp suất đều làm cho sức căng của dây thay đổi. Sự thay đổi lực căng làm thay đổi tần số dao động. Vì điều này có thể được đo rất chính xác, đầu dò dây cộng hưởng thường được tìm thấy trong các ứng dụng chênh lệch áp suất thấp.
Bộ chuyển đổi áp suất dây cộng hưởng rất ổn định trong điều kiện nhiệt độ ổn định, nhưng không tuyến tính. Do đó, chúng yêu cầu sự hỗ trợ từ bộ vi xử lý để bù đắp cho sự không tuyến tính.
Thiết bị điện tử
Các thiết bị điện tử của máy phát áp suất còn khuếch đại, điều chỉnh và chuyển đổi tín hiệu thô để truyền đến PLC hoặc bộ điều khiển khác. Đầu ra có thể là,
- Điện áp đầu ra
Một đầu ra 0-10V hoặc 0-5V tùy thuộc vào cấu hình.
- Sản lượng hiện tại
Đầu ra dòng 4-20mA để cấp vào thẻ đầu vào PLC.
- Đầu ra kỹ thuật số
Đầu ra có ngưỡng hoặc luồng dữ liệu giao tiếp kỹ thuật số như đầu ra tương thích RS232 hoặc RS485 cung cấp kết quả đọc áp suất được lấy mẫu kỹ thuật số, chính xác cao.
Cấu tạo máy phát áp suất vi sai
Bộ truyền áp suất chênh lệch bao gồm ba phần chính, phần tử chính, phần tử thứ cấp và vỏ thiết bị điện tử.
Phần tử chính được gắn trực tiếp vào ống và hoạt động như phần tử quan sát áp suất. Điều này tạo ra sự chênh lệch áp suất vào dòng chất lỏng và cung cấp hai đầu ra từ hai điểm có áp suất chất lỏng khác nhau, đã biết.
Phần tử thứ cấp thường được lắp ngay trên phần tử sơ cấp, bên ngoài đường ống. Điều này chuyển đổi áp suất vật lý thành một tín hiệu điện nhỏ.
Phần tử cuối cùng là thiết bị điện tử, có tích hợp mạch điều hòa tín hiệu và mạch phát. Giai đoạn này đọc phép đo từ phần tử thứ cấp, khuếch đại, bộ lọc và các điều kiện khác để truyền kết quả đọc đến PLC hoặc máy thu thích hợp khác.
Phép đo Áp suất chênh lệch (DP) được sử dụng ở đâu?
Ứng dụng phổ biến nhất cho chênh lệch áp suất là phép đo tốc độ dòng chảy chênh lệch. Loại ứng dụng này có thể được tìm thấy trong cả môi trường gia đình và công nghiệp như đo tốc độ dòng chảy chất lỏng trong hệ thống phân phối dầu / nước.
Các ứng dụng khác cho DP bao gồm giám sát bộ lọc, đo mức chất lỏng và trong một số trường hợp, giám sát mô-men xoắn đầu khoan. Trong giám sát bộ lọc, DP được sử dụng để liên tục theo dõi các bộ lọc xem có bị tắc nghẽn hay không. Nếu một bộ lọc bị tắc, áp suất chênh lệch sẽ tăng lên, và số đọc sau đó được sử dụng để xác định vấn đề.
Trong một số ứng dụng, áp suất khí, giám sát áp suất bơm chất lỏng và phát hiện rò rỉ đường ống nước cũng được thực hiện bằng cách đo chênh lệch áp suất.
Máy phát áp suất vi sai được sử dụng để làm gì?
Một máy phát áp suất chênh lệch có khả năng xuất ra một phép đo chênh lệch áp suất, theo một hiệu chuẩn tốt. Đầu ra có thể là điện áp, dòng điện hoặc đầu ra kỹ thuật số tương thích với thiết bị tiêu chuẩn công nghiệp.
Bộ truyền áp suất bên ngoài được sử dụng để thu được các kết quả đọc thô từ bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện tuyến tính và có thể định lượng được theo các giá trị áp suất đo được.
Kết luận
Bộ truyền chênh lệch áp suất là thiết bị tích hợp có thể được sử dụng để đo sự chênh lệch áp suất trong hệ thống chất lỏng. Các phép đo từ máy phát DP có thể được sử dụng để đo tốc độ dòng chảy, áp suất (đồng hồ đo, chênh lệch và áp suất tuyệt đối) và thậm chí cả sự hiện diện của chất lỏng / khí trong một số trường hợp. Bài viết này được phát sóng để giới thiệu về bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch công nghiệp, cấu tạo của chúng và ý tưởng ngắn gọn về các loại bộ phát DP khác nhau hiện có.
