Differensialtrykkmåling er uunnværlig i industrielle kontrollprosesser. Dens kjerne er å måle trykkforskjellen mellom to forskjellige punkter i samme rørledning, tank, utstyr eller prosess, dvs. trykkforskjellen mellom høy-siden og lav-siden. Sammenlignet med enkelt-trykkmåling, reflekterer differensialtrykkmåling ikke bare endringer i selve trykket, men kan også brukes videre til indirekte måling av parametere som strømningshastighet, væskenivå, filterdifferansetrykk og utstyrets driftsstatus. Derfor er det mye brukt i bransjer som petroleum, naturgass, kjemikalier, kraft, farmasøytisk, mat, metallurgi og vannbehandling.
På faktiske industriområder blir differensialtrykk vanligvis oppdaget ved hjelp av en differensialtrykktransmitter. Senderen introduserer to målte trykk gjennom henholdsvis høy-siden (H) og lav-siden (L). Etter at sensoren registrerer trykkvirkningen på begge sider, konverterer den trykkforskjellen til et elektrisk signal. Etter signalbehandling, temperaturkompensasjon og lineariseringsberegninger sender den ut standardsignaler som 4~20mA, HART, RS485/Modbus, og gir stabile prosessmåledata for kontrollsystemer, PLS-er, DCS eller datainnsamlingssystemer.
Nøkkelen til differensialtrykkmåling er ikke bare å «måle to trykk og deretter trekke dem fra», men heller å vurdere faktorer som måleområde, statisk trykk, temperatur, middels tetthet, installasjonsmetode, impulsrørsystem og sensorytelse. Spesielt under driftsforhold som høyt statisk trykk, lavt differensialtrykk, høy temperatur og korrosive medier, stiller differensialtrykkmåling høye krav til sensorstrukturen, temperaturkompensasjonsalgoritmer og den generelle installasjonskvaliteten til instrumentet.
I. Hva er differensialtrykk?
1. Grunnleggende konsepter for differensialtrykk
Differensialtrykk (DP) er trykkforskjellen mellom to trykkmålepunkter, og dets grunnleggende forhold er:
ΔP = P₁ − P₂
Hvor:
• ΔP: Differensialtrykk;
• P₁: Høyt-sidetrykk;
• P₂: Lavt-sidetrykk.
For eksempel, hvis innløpstrykket til et bestemt utstyr i en rørledning er 0,80 MPa og utløpstrykket er 0,65 MPa, er differensialtrykket mellom de to punktene:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Tegnet på differensialtrykket avhenger av definisjonen av høy- og lavtrykkssiden. Når det høye-sidetrykket er høyere enn det lave-sidetrykket, er utgangen positivt differensialtrykk; omvendt kan det manifestere seg som negativt differensialtrykk. Derfor, under valg og installasjon av differensialtrykktransmittere, er det nødvendig å korrekt bekrefte samsvaret mellom H- og L-grensesnittene og prosessrørene.
2. Arbeidsprinsipp for differensialtrykkmåling
En typiskdifferensialtrykktransmitterbestår hovedsakelig av trykkgrensesnitt, isolasjonsmembraner, sensorkjerne, signalbehandlingskretser, temperaturkompensasjonsmoduler og utgangskretser.
Prosessmedier går inn på henholdsvis høy- og lavtrykkssiden av senderen. Trykkene på begge sider virker på det følsomme elementet gjennom isolasjonssystemet, og får sensoren til å produsere fysiske endringer relatert til trykkforskjellen. Ved å ta kapasitive, piezoresistive eller monokrystallinske silisiumtrykksensorteknologier som eksempler, konverterer sensoren denne mekaniske endringen til et elektrisk signal.
Etter analog-til-digital konvertering, digital filtrering, temperaturkompensasjon, linearisering og kalibrering, konverterer instrumentet det målte differensialtrykket til et standard utgangssignal.
For en 4~20mA utgangsdifferansetrykktransmitter kan dens teoretiske utgang uttrykkes som:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
For eksempel, hvis måleområdet for differensialtrykk er 0~100kPa, når det faktiske differensialtrykket er 50kPa, er den teoretiske utgangen:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Derfor kan styresystemet utlede det faktiske differansetrykket basert på senderens utgangssignal.
3. Forskjellen mellom differensialtrykk og statisk trykk
Et veldig viktig konsept i differensialtrykkmåling er "statisk trykk."
Anta at det høye-sidetrykket er 10MPa og det lave-sidetrykket er 9,9MPa, så:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
På dette tidspunktet, selv om det målte differensialtrykket bare er 0,1 MPa, kan det faktiske statiske trykket som bæres av senderen være nær 10 MPa.
Derfor må differensialtrykktransmitteren ikke bare oppfylle kravet til differensialtrykkområdet, men også oppfylle kravet til maksimalt statisk arbeidstrykk.
Dette er også en av de viktige forskjellene mellom differensialtrykkmåling og ordinær trykkmåling med tanke på valg. For applikasjoner med høyt statisk trykk, lavt differensialtrykk, hvis bare differensialtrykkområdet vurderes mens man ignorerer evnen til statisk trykk, kan det forårsake en betydelig statisk trykkpåvirkning på sensoren, og dermed redusere målenøyaktigheten.
II. Hvordan verifisere tekniske parametere for differensialtrykk
Mål
Valget av en differensialtrykksender bør ikke bare se på "rekkevidden" og "nøyaktigheten." I praktiske applikasjoner anbefales det å systematisk verifisere i henhold til følgende parametere.
1. Måleområde
Bestem først minimum differensialtrykk, normalt differensialtrykk og maksimalt differensialtrykk som faktisk kan forekomme i prosesssystemet.
For eksempel er det normale trykkfallet for et bestemt filter under drift ca. 20kPa, og det kan nå 80kPa under tilstoppede forhold. Et passende differensialtrykkområde kan velges i henhold til prosesskrav.
Hvis rekkevidden er for stor, vil det faktiske driftspunktet være i det nedre områdeintervallet i lang tid, noe som påvirker den effektive måleoppløsningen; hvis området er for lite, kan det overskride området under unormale driftsforhold.
2. Statisk trykk
Statisk trykk er en parameter man må være spesielt oppmerksom på ved valg av differensialtrykktransmittere.
For eksempel:
• Differensialtrykkområde: 0~10kPa
• Rørledningstrykk: 4MPa
• Faktisk differansetrykk: 5kPa
På dette tidspunktet kan det ikke bare vurderes at instrumentet bare trenger å møte trykkkapasiteten på 10kPa; det er også nødvendig å bekrefte at senderen tåler et statisk arbeidstrykk på ca. 4MPa og kontrollere påvirkningen av statisk trykk på nullpunkt og område.
3. Nøyaktighet
Nøyaktigheten til differensialtrykktransmittere uttrykkes vanligvis som en prosentandel av full skala, for eksempel ±0,1%FS, ±0,075%FS, etc.
For en sender med et område på 0~100kPa og en nøyaktighet på ±0,1%FS, er den teoretiske grunnleggende feilstørrelsen:
100kPa × 0,1 %=±0,1kPa
Det bør bemerkes at den faktiske målefeilen også kan påvirkes av faktorer som temperatur, statisk trykk, installasjonsposisjon, impulsrør og lang-stabilitet. Derfor kan ingeniørutvalg ikke bare sammenligne et "nøyaktighetstall".
4. Overbelastningskapasitet og statisk trykkpåvirkning
Industrielle steder kan oppleve ventilfeil, trykksvingninger, oppstartsjokk osv., så det er nødvendig å bekrefte transmitterens enkelt-side overbelastningskapasitet og maksimale statiske trykk.
Spesielt ved høy statisk trykkdifferansetrykkmåling må man også være oppmerksom på nulldriften forårsaket av statiske trykkendringer. Høy-differansetrykktransmittere reduserer vanligvis disse effektene gjennom sensorstrukturdesign og statiske trykkkompensasjonsalgoritmer.
5. Temperatur og middels forhold
Det er nødvendig å sjekke prosesstemperaturen, omgivelsestemperaturen og om mediet er etsende, viskøst, krystalliserende eller inneholder faste partikler.
For medier med høy- temperatur kan virkningen av prosesstemperaturen på senderen reduseres gjennom kondensatbeholdere, kjøleribber eller fjernforseglinger. for etsende medier er det nødvendig å velge passende membran og fuktede materialer basert på mediets natur, slik som 316L, Hastelloy, Tantal, etc.
6. Output og kommunikasjonsmetoder
Vanlige utganger inkluderer:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Andre digitale kommunikasjonsmetoder.
For tradisjonelle DCS- og PLS-systemer har 4~20mA fortsatt høy feltanvendbarhet; for systemer som krever ekstern parameterinnstilling, diagnostikk og vedlikehold, kan produkter med HART-kommunikasjonsfunksjonalitet vurderes.
III. Hva er bruken av differensialtrykkmåling?
Den største egenskapen til differensialtrykkmåling er at den kan oppnå andre prosessparametere gjennom trykkforskjellen, så bruksområdet overskrider langt enkel "trykkdifferansedeteksjon."
1. Måling av rørledningsstrøm
Differensialtrykkstrømmåling er en av de klassiske bruksområdene innen industriell prosessmåling.
Når væske passerer gjennom strupeinnretninger som åpningsplater, dyser eller Venturi-rør, endres væskehastigheten, og skaper en trykkforskjell før og etter strupeinnretningen. I henhold til fluidmekaniske forhold er det et visst forhold mellom strømningshastighet og kvadratroten av differensialtrykket:
Q ∝ √ΔP
Under ideelle forhold kan det uttrykkes som:
Q = C√ΔP
Hvor Q er strømningshastigheten, og C er en omfattende koeffisient relatert til mediets natur, rørledningsstruktur og strupeanordning.
Derfor, ved å måle differensialtrykket før og etter strupeanordningen, kan rørledningens strømningshastighet beregnes indirekte.
I faktisk prosjektering må faktorer som middels tetthet, temperatur, trykk, Reynolds-tall, strupeanordningens struktur og installasjonsforhold også vurderes. Derfor krever høy-strømmåling vanligvis kompensasjon for relaterte parametere.
2. Måling av væskenivå
Differensialtrykktransmittere kan også brukes til å måle tankens væskenivå ved å bruke trykket som genereres av væskekolonnen.
Det grunnleggende forholdet for væskekolonnetrykk er:
ΔP=ρgh
Hvor:
• ρ er væsketettheten;
• g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften;
• h er væskenivåhøyden.
Derfor, når tettheten er relativt stabil, kan væskenivået beregnes ved å måle differensialtrykket som genereres av væskekolonnen.
For åpne tanker kan væskenivået vanligvis måles ved å bruke forholdet mellom trykket i bunnen av tanken og atmosfærisk trykk; for lukkede tanker må også gassfasetrykket på toppen av tanken vurderes, så adifferensialtrykktransmitterbrukes vanligvis til å koble til henholdsvis bunnen og toppen av tanken.
I tanker med høy temperatur, høyt vakuum eller flyktige medier, må faktorer som kondensat, tetthetsendringer og fjernforseglinger vurderes ytterligere.
3. Filterdifferensialtrykkovervåking
Ved normal filterdrift gir filtermediet et visst trykktap. Etter hvert som filterelementet tetter seg gradvis, vil trykkforskjellen mellom for- og baksiden øke kontinuerlig.
Derfor kan trykkkraner installeres ved henholdsvis filterinnløpet og -utløpet for å overvåke i sanntid- gjennom en differensialtrykktransmitter:
ΔP=P_innløp − P_uttak
Når differansetrykket når den innstilte verdien, kan kontrollsystemet gi en alarm for å minne vedlikeholdspersonell om å sjekke eller skifte filterelementet.
Denne metoden er mye brukt i luftfiltrering, væskefiltrering, olje- og gassbehandling og industrielle støvfjerningssystemer.
4. Driftsovervåking av pumpe, vifte og kompressor
I utstyr som pumper, vifter og kompressorer kan innløps-utløpsdifferensialtrykket tjene som en av de viktige parameterne for å vurdere utstyrets driftsstatus.
For eksempel kan overvåking av trykkforskjellen mellom pumpens innløp og utløp hjelpe til med å bedømme pumpens driftstilstand; i gasstransportsystemer kan endringer i differensialtrykket før og etter vifter eller kompressorer også brukes til driftsstatusovervåking.
Det skal bemerkes at utstyrsdifferansetrykk ikke kan representere utstyrets helsestatus alene. I ingeniørapplikasjoner er det vanligvis nødvendig å kombinere parametere som strømningshastighet, temperatur, vibrasjon og strøm for en omfattende vurdering.
5. Rene systemer og ventilasjonssystemer
I rene rom, laboratorier, farmasøytiske verksteder og luftbehandlingssystemer må en viss trykkgradient opprettholdes mellom ulike områder.
Ved å bruke differensialtrykktransmittere for å måle trykkforskjellen mellom to områder, kan det fastslås om det rene området opprettholdes ved spesifisert trykktilstand.
For eksempel, i rene områder som trenger å opprettholde positivt trykk, kan trykkforskjellen mellom rommet og tilstøtende områder overvåkes; noen steder som krever undertrykkskontroll, kan differensialtrykksignalet brukes til å bedømme undertrykkstilstanden.
6. Lufttetthet og lekkasjedeteksjon
I felt som presisjonsproduksjon, bildeler, ventilbeslag og medisinsk utstyr, kan differensialtrykkmåling også brukes til lufttetthetstesting.
Under testprosessen lades et visst trykk av testgass inn i testobjektet, og ved å overvåke trykkendringen før og etter testen kan det fastslås om testobjektet har lekkasjer.
For lavt differensialtrykk og mikro-lekkasjedeteksjon stilles det vanligvis høyere krav til differensialtrykksensorens oppløsning, stabilitet, temperaturkompensasjon og responshastighet.
IV. Viktige tekniske problemer i differensialtrykkmåling
Differensialtrykkmåling kan virke enkel, men det er flere påvirkningsfaktorer i faktiske ingeniørapplikasjoner.
Først er impulsrørsystemet. Lengden, indre diameter, installasjonshøyden til impulsledningene, og om det er luftbobler, væskeansamlinger eller partikkelavsetning inne i linjene kan påvirke måleresultatene. For flytende medier er det nødvendig å unngå at gass kommer inn i impulslinjene; for gassmedier er det nødvendig å unngå kondensatakkumulering.
For det andre er installasjonsmetoden. Høy- og lavtrykkssidene på differensialtrykktransmitteren må være korrekt koblet til prosessrøret, og en rimelig trykkuttaksposisjon bør velges basert på middels tilstand. For medier som høy-temperaturdamp er det også nødvendig å bruke kondensat for å danne en væskeforsegling for å forhindre at høy-temperaturmediet kommer direkte inn i senderen.
For det tredje er temperatureffekten. Selve sensoren har temperaturkarakteristikk, og endringer i middels temperatur kan også forårsake tetthetsendringer. Derfor krever høy-differansetrykkmåling vanligvis temperaturkompensasjon, og enkelte strømnings- og væskenivåapplikasjoner krever ytterligere tetthetskompensasjon.
I tillegg, for applikasjoner med høyt statisk trykk, lavt differensialtrykk, må spesiell oppmerksomhet rettes mot statisk trykkpåvirkning, overbelastningskapasitet og null-punktsstabilitet. For eksempel, ved måling av et lite differansetrykk på noen få kPa under rørledningstrykk på flere MPa eller enda høyere, må sensoren ikke bare tåle høyt statisk trykk, men også nøyaktig løse svært små differansetrykkendringer, noe som stiller høyere krav til sensorstrukturen og signalbehandlingsteknologien.
V. Sammendrag
Essensen av differensialtrykkmåling er å nøyaktig oppnå trykkforskjellen mellom to trykkpunkter, med den grunnleggende formelen ΔP=P₁−P₂. Gjennom denne grunnleggende parameteren kan målinger av ulike industrielle parametere som strømningshastighet, væskenivå, filterdifferensialtrykk, utstyrets driftsstatus og lufttetthet realiseres ytterligere.
I faktisk prosjektering, utvalget avdifferensialtrykktransmitterebør ikke bare fokusere på måleområdet og nøyaktigheten, men også vurdere statisk trykk, overbelastningskapasitet, statisk trykkpåvirkning, temperaturområde, mediumegenskaper, fuktede materialer, impulslinjemetode, utgangssignal og installasjonsforhold.
Med den kontinuerlige utviklingen av industriell automatisering og prosesskontrollsystemer, utvikler differensialtrykkmåling seg fra tradisjonell enkelt-parameterdeteksjon til høy presisjon, digitalisering og intelligent diagnostikk. For komplekse industrielle driftsforhold vil sensorteknologi, temperaturkompensasjon, statisk trykkkompensasjon og digital signalbehandlingsevne direkte påvirke den langsiktige-stabiliteten og praktiske anvendelseseffektiviteten til differensialtrykkmålingssystemet.
