Rõhu erinevuse mõõtmine on tööstuslikes juhtimisprotsessides hädavajalik. Selle tuum on mõõta rõhkude erinevust sama torujuhtme, paagi, seadme või protsessi kahe erineva punkti vahel, st rõhuerinevust kõrge -rõhu ja madala rõhu poole vahel. Võrreldes ühe-punkti rõhu mõõtmisega, ei kajasta diferentsiaalrõhu mõõtmine mitte ainult muutusi rõhus endas, vaid seda saab kasutada ka selliste parameetrite kaudseks mõõtmiseks, nagu voolukiirus, vedeliku tase, filtri diferentsiaalrõhk ja seadme tööolek. Seetõttu kasutatakse seda laialdaselt sellistes tööstusharudes nagu nafta, maagaas, keemia-, energia-, farmaatsia-, toiduaine-, metallurgia- ja veetöötlus.
Tegelikes tööstusobjektides tuvastatakse diferentsiaalrõhk tavaliselt diferentsiaalrõhuanduri abil. Saatja sisestab kaks mõõdetud rõhku vastavalt kõrge -rõhu poole (H) ja madala -rõhu poole (L). Pärast seda, kui andur tunneb mõlemal küljel survet, muudab see rõhuerinevuse elektriliseks signaaliks. Pärast signaali töötlemist, temperatuuri kompenseerimist ja lineariseerimise arvutusi väljastab see standardseid signaale, nagu 4–20 mA, HART, RS485/Modbus, pakkudes stabiilseid protsessimõõtmisandmeid juhtimissüsteemide, PLC-de, DCS-i või andmehõivesüsteemide jaoks.
Diferentsiaalrõhu mõõtmise võti ei seisne lihtsalt "kahe rõhu mõõtmises ja seejärel nende lahutamises", vaid selliste tegurite põhjalikus arvestamises nagu mõõtmisvahemik, staatiline rõhk, temperatuur, keskmine tihedus, paigaldusmeetod, impulsstorusüsteem ja anduri jõudlus. Eriti sellistes töötingimustes nagu kõrge staatiline rõhk, madal diferentsiaalrõhk, kõrge temperatuur ja söövitav keskkond seab diferentsiaalrõhu mõõtmine kõrgeid nõudmisi anduri struktuurile, temperatuuri kompenseerimise algoritmidele ja instrumendi üldisele paigalduskvaliteedile.
I. Mis on diferentsiaalrõhk?
1. Diferentsiaalrõhu põhimõisted
Diferentsiaalrõhk (DP) on rõhu erinevus kahe rõhu mõõtmispunkti vahel ja selle põhisuhe on järgmine:
ΔP = P₁ − P₂
Kus:
• ΔP: diferentsiaalrõhk;
• P₁: kõrge{0}}külgrõhk;
• P₂: madal{0}}külgrõhk.
Näiteks kui torujuhtme teatud seadme sisselaskerõhk on 0,80 MPa ja väljundrõhk 0,65 MPa, on kahe punkti vaheline rõhkude erinevus:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Rõhu erinevuse märk sõltub kõrge ja madala rõhu{0}}poolsete määratlustest. Kui kõrge-külgrõhk on kõrgem kui madal-külgrõhk, on väljundiks positiivne diferentsiaalrõhk; vastupidi, see võib avalduda negatiivse diferentsiaalrõhuna. Seetõttu tuleb diferentsiaalrõhuandurite valimisel ja paigaldamisel õigesti kinnitada H- ja L-liideste ning protsessitorustiku vastavus.
2. Rõhu erinevuse mõõtmise tööpõhimõte
Tüüpilinediferentsiaalrõhu saatjakoosneb peamiselt rõhuliidestest, isolatsioonimembraanidest, anduri südamikust, signaalitöötlusahelatest, temperatuurikompensatsioonimoodulitest ja väljundahelatest.
Protsessi kandja siseneb vastavalt saatja kõrge{0}}rõhu ja -madala rõhu poolele. Mõlemal küljel olevad rõhud mõjuvad tundlikule elemendile läbi isolatsioonisüsteemi, põhjustades anduril rõhu erinevusega seotud füüsilisi muutusi. Võttes näiteks mahtuvusliku, piezoresistiivse või monokristallilise räni rõhutundliku tehnoloogia, muundab andur selle mehaanilise muutuse elektriliseks signaaliks.
Pärast analoog-digitaalmuundamist-, digitaalset filtreerimist, temperatuuri kompenseerimist, lineariseerimist ja kalibreerimist teisendab seade mõõdetud diferentsiaalrõhu standardseks väljundsignaaliks.
4 ~ 20 mA väljundi diferentsiaalrõhu saatja puhul võib selle teoreetilist väljundit väljendada järgmiselt:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Näiteks kui diferentsiaalrõhu mõõtmisvahemik on 0–100 kPa ja tegelik diferentsiaalrõhk on 50 kPa, on teoreetiline väljund:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Seetõttu saab juhtsüsteem tuletada tegeliku diferentsiaalrõhu saatja väljundsignaali põhjal.
3. Erinevus rõhuerinevuse ja staatilise rõhu vahel
Väga oluline mõiste diferentsiaalrõhu mõõtmisel on "staatiline rõhk".
Oletame, et kõrge{0}}külgrõhk on 10 MPa ja madal{2}}külgrõhk on 9,9 MPa, siis:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Kuigi praegusel hetkel on mõõdetud diferentsiaalrõhk ainult 0,1 MPa, võib saatja tegelik staatiline rõhk olla 10 MPa lähedal.
Seetõttu peab diferentsiaalrõhuandur vastama mitte ainult diferentsiaalrõhuvahemiku nõuetele, vaid ka maksimaalsele staatilise töörõhu nõudele.
See on ka valiku seisukohalt üks olulisi erinevusi diferentsiaalrõhu mõõtmise ja tavalise rõhu mõõtmise vahel. Kõrge staatilise rõhu ja madala diferentsiaalrõhu rakenduste puhul võib staatilise rõhu võimet ignoreerides arvestada ainult diferentsiaalrõhu vahemikku, mis võib andurile avaldada märkimisväärset staatilise rõhu mõju, vähendades sellega mõõtmise täpsust.
II. Kuidas kontrollida diferentsiaalrõhu tehnilisi parameetreid
Mõõtmine
Diferentsiaalrõhuanduri valikul ei tohiks vaadata ainult "vahemikku" ja "täpsust". Praktilistes rakendustes on soovitatav süstemaatiliselt kontrollida järgmiste parameetrite järgi.
1. Mõõtmisulatus
Esiteks määrake minimaalne diferentsiaalrõhk, normaalne diferentsiaalrõhk ja maksimaalne diferentsiaalrõhk, mis protsessisüsteemis tegelikult esineda võivad.
Näiteks teatud filtri normaalne rõhulang töötamise ajal on umbes 20 kPa ja ummistunud tingimustes võib see ulatuda 80 kPa-ni. Sobiva diferentsiaalrõhuvahemiku saab valida vastavalt protsessi nõuetele.
Kui vahemik on liiga suur, jääb tegelik tööpunkt pikka aega madalamasse vahemikku, mõjutades efektiivset mõõtmiseraldusvõimet; kui vahemik on liiga väike, võib see ebanormaalsetes töötingimustes ületada vahemikku.
2. Staatiline rõhk
Staatiline rõhk on parameeter, millele tuleb diferentsiaalrõhuandurite valikul erilist tähelepanu pöörata.
Näiteks:
• Rõhuvahe: 0~10kPa
• Torujuhtme rõhk: 4MPa
• Tegelik diferentsiaalrõhk: 5kPa
Siinkohal ei saa lihtsalt arvata, et seade peab vastama ainult 10 kPa rõhuvõimsusele; Samuti on vaja kinnitada, et saatja talub umbes 4 MPa staatilise töörõhu ja kontrollida staatilise rõhu mõju nullpunktile ja vahemikule.
3. Täpsus
Diferentsiaalrõhuandurite täpsust väljendatakse tavaliselt protsendina täisskaala ulatusest, näiteks ±0,1%FS, ±0,075%FS jne.
Saatja puhul, mille vahemik on 0–100 kPa ja täpsus ±0,1% FS, on teoreetiline põhivea suurus:
100 kPa × 0,1%=±0,1 kPa
Tuleb märkida, et tegelikku mõõtmisviga võivad mõjutada ka sellised tegurid nagu temperatuur, staatiline rõhk, paigaldusasend, impulsstorustik ja pikaajaline{0}}stabiilsus. Seetõttu ei saa tehniline valik pelgalt "täpsusnumbrit" võrrelda.
4. Ülekoormusvõime ja staatilise rõhu mõju
Tööstuskohtades võib esineda ventiilide väärkasutust, rõhukõikumisi, käivituslööke jne, mistõttu on vaja kontrollida saatja ühepoolset ülekoormust{1}}ja maksimaalset staatilist rõhku.
Eriti kõrge staatilise rõhu diferentsiaalrõhu mõõtmisel tuleb tähelepanu pöörata ka staatilise rõhu muutustest põhjustatud nulli triivile. Suure jõudlusega-diferentsiaalrõhu saatjad vähendavad tavaliselt neid mõjusid anduri struktuuri disaini ja staatilise rõhu kompenseerimise algoritmide kaudu.
5. Temperatuur ja keskmised tingimused
On vaja kontrollida protsessi temperatuuri, ümbritseva õhu temperatuuri ja seda, kas keskkond on söövitav, viskoosne, kristalliseeruv või sisaldab tahkeid osakesi.
Kõrge -temperatuuri kandjate puhul saab protsessi temperatuuri mõju saatjale vähendada kondensaadipottide, jahutusribide või kaugtihendite abil; söövitavate ainete jaoks on vaja valida sobiv diafragma ja niisutatud materjalid, lähtudes kandja omadustest, näiteks 316L, Hastelloy, Tantalum jne.
6. Väljund- ja kommunikatsioonimeetodid
Levinud väljundid hõlmavad järgmist:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Muud digitaalsed suhtlusviisid.
Traditsiooniliste DCS- ja PLC-süsteemide puhul on 4 ~ 20 mA endiselt kõrge välirakendus; süsteemide puhul, mis nõuavad parameetrite kaugseadistamist, diagnostikat ja hooldust, võib kaaluda HART-sidefunktsiooniga tooteid.
III. Millised on diferentsiaalrõhu mõõtmise rakendused?
Rõhu erinevuse mõõtmise suurim omadus on see, et see suudab rõhu erinevuse kaudu saada muid protsessi parameetreid, nii et selle rakendusvahemik ületab palju lihtsat "rõhuerinevuse tuvastamist".
1. Torujuhtme vooluhulga mõõtmine
Diferentsiaalrõhu voolu mõõtmine on üks klassikalisi rakendusi tööstuslike protsesside mõõtmisel.
Kui vedelik läbib drosselseadmeid, nagu düüsiplaadid, düüsid või Venturi torud, muutub vedeliku kiirus, tekitades rõhuerinevuse enne ja pärast drosselseadet. Vedeliku mehaanika seoste kohaselt on voolukiiruse ja diferentsiaalrõhu ruutjuure vahel teatud seos:
Q ∝ √ΔP
Ideaalsetes tingimustes võib seda väljendada järgmiselt:
Q = C√ΔP
Kus Q on voolukiirus ja C on kõikehõlmav koefitsient, mis on seotud keskkonna, torujuhtme struktuuri ja drosselseadme olemusega.
Seetõttu saab gaasijuhtme voolukiirust kaudselt arvutada, mõõtes rõhkude erinevust enne ja pärast drosselseadet.
Tegelikus inseneritöös tuleb arvesse võtta ka selliseid tegureid nagu keskmine tihedus, temperatuur, rõhk, Reynoldsi arv, drosselseadme struktuur ja paigaldustingimused. Seetõttu nõuab suure täpsusega-voolu mõõtmine tavaliselt seotud parameetrite kompenseerimist.
2. Vedeliku taseme mõõtmine
Diferentsiaalrõhuandureid saab kasutada ka paagi vedeliku taseme mõõtmiseks, kasutades vedelikusamba tekitatud rõhku.
Vedeliku kolonni rõhu põhisuhe on järgmine:
ΔP=ρgh
Kus:
• ρ on vedeliku tihedus;
• g on raskuskiirendus;
• h on vedeliku taseme kõrgus.
Seega, kui tihedus on suhteliselt stabiilne, saab vedeliku taseme arvutada vedelikusamba tekitatud rõhuerinevuse mõõtmise teel.
Avatud paakide puhul saab vedeliku taset tavaliselt mõõta, kasutades paagi põhjas oleva rõhu ja atmosfäärirõhu vahelist suhet; suletud paakide puhul tuleb arvestada ka gaasifaasi rõhku paagi ülaosas, seega adiferentsiaalrõhu saatjakasutatakse tavaliselt ühendamiseks vastavalt paagi põhja ja ülaosaga.
Kõrge temperatuuri, suure vaakumiga või lenduva keskkonnaga paakides tuleb täiendavalt arvesse võtta selliseid tegureid nagu kondensaat, tiheduse muutused ja kaugtihendid.
3. Filtri rõhuerinevuse jälgimine
Filtri normaalse töötamise ajal tekitab filtrikeskkond teatud rõhukadu. Kui filterelement järk-järgult ummistub, suureneb esi- ja tagaosa rõhuerinevus pidevalt.
Seetõttu saab filtri sisse- ja väljalaskeavadesse paigaldada rõhukraanid, et jälgida reaalajas-diferentsiaalrõhuanduri kaudu:
ΔP=P_sisend – P_väljund
Kui diferentsiaalrõhk jõuab seatud väärtuseni, võib juhtimissüsteem anda häire, et tuletada hoolduspersonalile meelde filtrielemendi kontrollimist või vahetamist.
Seda meetodit kasutatakse laialdaselt õhu filtreerimisel, vedelike filtreerimisel, õli ja gaasi töötlemisel ning tööstuslikes tolmueemaldussüsteemides.
4. Pumba, ventilaatori ja kompressori töö jälgimine
Seadmetes, nagu pumbad, ventilaatorid ja kompressorid, võib sisselaske{0}}väljundi rõhuerinevus olla üks olulisi parameetreid seadmete tööoleku hindamisel.
Näiteks võib pumba sisse- ja väljalaskeava rõhuerinevuse jälgimine aidata hinnata pumba tööseisundit; gaasiedastussüsteemides saab tööoleku jälgimiseks kasutada ka rõhkude vahe muutusi enne ja pärast ventilaatoreid või kompressoreid.
Tuleb märkida, et seadmete diferentsiaalrõhk ei saa kajastada ainult seadme tervislikku seisundit. Insenerirakendustes on igakülgse hinnangu saamiseks tavaliselt vaja kombineerida selliseid parameetreid nagu voolukiirus, temperatuur, vibratsioon ja vool.
5. Puhtad süsteemid ja ventilatsioonisüsteemid
Puhasruumides, laborites, farmaatsiatöökodades ja õhukäitlussüsteemides tuleb erinevate alade vahel säilitada teatud rõhugradient.
Kasutades kahe ala vahelise rõhuerinevuse mõõtmiseks diferentsiaalrõhuandureid, saab kindlaks teha, kas puhas ala säilib määratud rõhuseisundis.
Näiteks puhastes piirkondades, mis peavad hoidma positiivset rõhku, saab jälgida rõhuerinevust ruumi ja külgnevate alade vahel; mõnes kohas, kus on vaja alarõhku reguleerida, saab alarõhu oleku hindamiseks kasutada diferentsiaalrõhu signaali.
6. Õhutihedus ja lekke tuvastamine
Sellistes valdkondades nagu täppistootmine, autoosad, klapiliitmikud ja meditsiiniseadmed, saab õhutiheduse testimiseks kasutada ka diferentsiaalrõhu mõõtmist.
Testimisprotsessi käigus laaditakse katseobjekti teatud rõhk katsegaasi ning rõhumuutust enne ja pärast katset jälgides saab kindlaks teha, kas katseobjektil on lekkeid.
Madala diferentsiaalrõhu ja mikro{0}}lekke tuvastamiseks esitatakse tavaliselt kõrgemad nõuded diferentsiaalrõhuanduri eraldusvõimele, stabiilsusele, temperatuurikompensatsioonile ja reageerimiskiirusele.
IV. Peamised tehnilised probleemid diferentsiaalrõhu mõõtmisel
Diferentsiaalrõhu mõõtmine võib tunduda lihtne, kuid tegelikes insenerirakendustes on mitmeid mõjutegureid.
Esiteks on impulsstorusüsteem. Mõõtmistulemusi võivad mõjutada impulssliinide pikkus, siseläbimõõt, paigalduskõrgus ja see, kas liinide sees on õhumulle, vedeliku kogunemist või osakeste sadestumist. Vedela keskkonna puhul on vaja vältida gaasi sattumist impulssliinidesse; gaasikeskkonna puhul on vaja vältida kondensaadi kogunemist.
Teiseks on paigaldusviis. Diferentsiaalrõhuanduri kõrge ja madala rõhu pool peavad olema õigesti ühendatud protsessi torustikuga ning keskmise oleku alusel tuleks valida mõistlik rõhuvõtu asend. Sellise kandja puhul nagu kõrge -temperatuuriline aur, on vaja kasutada ka kondensaati, et moodustada vedeliku tihend, et vältida kõrge temperatuuriga aine otsest sisenemist saatjasse.
Kolmandaks on temperatuuri mõju. Anduril endal on temperatuuriomadused ja ka keskmise temperatuuri muutused võivad põhjustada tiheduse muutusi. Seetõttu nõuab suure täpsusega-diferentsiaalrõhu mõõtmine tavaliselt temperatuuri kompenseerimist ning mõned voolu- ja vedelikutaseme rakendused nõuavad lisaks tiheduse kompenseerimist.
Lisaks tuleb kõrge staatilise rõhu ja madala diferentsiaalrõhu rakenduste puhul erilist tähelepanu pöörata staatilise rõhu mõjule, ülekoormusvõimele ja null{0}}punkti stabiilsusele. Näiteks väikese, mõne kPa suuruse diferentsiaalrõhu mõõtmisel torujuhtme mitme MPa või isegi suurema rõhu all peab andur mitte ainult taluma kõrget staatilist rõhku, vaid lahendama täpselt ka väga väikesed diferentsiaalrõhu muutused, mis seab anduri struktuurile ja signaalitöötlustehnoloogiale kõrgemad nõudmised.
V. Kokkuvõte
Rõhu erinevuse mõõtmise olemus on kahe rõhupunkti vahelise rõhu erinevuse täpne saamine, kusjuures põhivalem on ΔP=P₁−P₂. Selle põhiparameetri abil saab edasi mõõta mitmesuguseid tööstuslikke parameetreid, nagu voolukiirus, vedeliku tase, filtri diferentsiaalrõhk, seadmete tööseisund ja õhutihedus.
Tegelikus inseneritöös on valikdiferentsiaalrõhu saatjadei peaks keskenduma ainult mõõtmisvahemikule ja täpsusele, vaid arvestama põhjalikult ka staatilist rõhku, ülekoormusvõimet, staatilise rõhu mõju, temperatuurivahemikku, keskkonna omadusi, niisutatud materjale, impulssliini meetodit, väljundsignaali ja paigaldustingimusi.
Tööstusliku automatiseerimise ja protsesside juhtimissüsteemide pideva arendamise käigus areneb diferentsiaalrõhu mõõtmine traditsiooniliselt ühe parameetriga{0}}tuvastusest suure täpsuse, digitaliseerimise ja intelligentse diagnostika suunas. Keeruliste tööstuslike töötingimuste korral mõjutavad andurite tehnoloogia, temperatuuri kompenseerimine, staatilise rõhu kompenseerimine ja digitaalse signaalitöötluse võimalused otseselt diferentsiaalrõhu mõõtmissüsteemi pikaajalist stabiilsust ja praktilise rakenduse tõhusust.
