W jaki sposób przetwornik DP mierzy przepływ? Zasada, formuła i przewodnik praktyczny

Najważniejsza relacja to:

ΔP ∝ Q², więc Q ∝ √ΔP

Innymi słowy, różnica ciśnień zmienia się w przybliżeniu wraz z kwadratem przepływu. Dlatego przetwornik DP najpierw mierzy ciśnienie; przepływ wynika z tej różnicy ciśnień. Jeśli chcesz uzyskać szersze wprowadzenie do samego instrumentu, zobacz ten przeglądprzetworniki ciśnieniai toprzetwornik różnicy ciśnieństrona.

Co właściwie mierzy przetwornik DP?

Przetwornik DP ma stronę-wysokiego i niskiego-ciśnienia. Mierzy różnicę między tymi dwoma ciśnieniami:

ΔP = P1 − P2

Jeśli przetwornik jest podłączony do prawidłowo zaprojektowanego głównego elementu przepływu, zmierzona różnica ciśnień ma znaną zależność od przepływu.

To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ sam przetwornik nie dokonuje pomiaru przepływu. Kompletny system przepływu DP zwykle obejmuje:

• podstawowy element wytwarzający różnicę ciśnień;
• krany ciśnieniowe mierzące ciśnienie przed i za zaworem;
• linie impulsowe lub układ bezpośredniego-montażu, który przenosi te ciśnienia do przetwornika;
• przetwornik DP mierzący różnicę ciśnień; I
• przetwornik, sterownik PLC, DCS lub komputer przepływu, który przekształca DP na wymaganą zmienną przepływu.

Szerszy związek pomiędzy ciśnieniem i przepływem omówiono w tym przewodnikuzależność przepływu-i ciśnienia.

Jak działa pomiar przepływu DP krok po kroku

1. Element podstawowy zmienia obszar przepływu

Rozważmy konwencjonalną kryzę. Jego średnica jest mniejsza niż średnica rury, więc dostępny obszar przepływu zmniejsza się w miarę przechodzenia płynu przez zwężkę.

Tę samą ogólną zasadę pomiaru można zastosować w przypadku innych elementów pierwotnych. Geometria jest różna, ale każde urządzenie jest zaprojektowane tak, aby wytwarzać różnicę ciśnień, która może być powiązana z przepływem w określonych warunkach.

2. Zwiększa się prędkość płynu i spada ciśnienie statyczne

Gdy płyn przyspiesza w ograniczonym obszarze, jego prędkość wzrasta, a ciśnienie statyczne maleje. Ciśnienie przed ograniczeniem jest zatem wyższe niż ciśnienie w odpowiednim punkcie poboru za nim.

Jest to różnica ciśnień mierzona przez przetwornik.

3. Przetwornik mierzy wysokie-boczne i niskie-ciśnienie boczne

Króciec po stronie dopływu jest zwykle podłączony do portu wysokiego-ciśnienia, a pobór za nim do portu niskiego-ciśnienia. Przetwornik wykrywa różnicę, zamiast traktować dwa ciśnienia jako niezależne pomiary przepływu.

Wraz ze wzrostem przepływu ograniczenie wytwarza większą różnicę ciśnień. Zależność jest jednak nieliniowa.

4. Różnica ciśnień jest konwertowana na przepływ

W przypadku konwencjonalnego pomiaru przepływu-ciśnieniowego:

ΔP ∝ Q²

Dlatego:

Q ∝ √ΔP

Obliczenie pierwiastka kwadratowego-można wykonać wewnątrz przetwornika, w DCS, PLC lub komputerze przepływu. Wskazówki techniczne firmy Yokogawa dotekstrakcja pierwiastkowa-kwadratowa w zastosowaniach przepływu DPzauważa, że ​​można zastosować dowolną lokalizację, ale punkt obliczeniowy powinien być jasno określony.

Dlaczego pierwiastek-jest ważny

Łatwo założyć, że 50% różnicy ciśnień oznacza 50% przepływu. Jest to nieprawidłowe w przypadku konwencjonalnej relacji przepływu DP.

Jeżeli zmierzony DP wynosi 25% projektowego DP, odpowiedni przepływ wynosi około 50% projektowego przepływu, zakładając, że inne zmienne w obliczeniach pozostają niezmienione.

Zależność ta wyjaśnia również, dlaczego dolna granica zakresu przepływu DP zasługuje na uwagę. Przy przepływie 25% przetwornik mierzy już tylko 6,25% pełnej-skali DP. Gdy przepływ zbliża się do zera, szum ciśnienia, przesunięcie zera, małe wahania procesu i efekty linii impulsowej stają się coraz bardziej znaczące w stosunku do mierzonego sygnału.

Niskie-odcięcie przepływu to nie tylko ustawienie wyświetlania

Ekstrakcja-kwadratowa zapewnia duży zysk bliski zerowej różnicy ciśnień. Małe wahania DP mogą zatem powodować widocznie niestabilny obliczony przepływ. Firma Yokogawa opisuje to zachowanie w swoich wytycznych dotwyjście o niskim-odcięciu dla przepływu DP, natomiast firma Emerson zaleca również odcięcie-przy niskim przepływie w odpowiednich konfiguracjach przetwornika, aby ustabilizować sygnał wyjściowy w warunkach bardzo niskiego-przepływu lub jego braku.

Punktu odcięcia nie należy wybierać arbitralnie. Powinien odzwierciedlać przetwornik, element główny, szum procesowy, wymagany zakres roboczy i potrzebę rozróżnienia rzeczywistego niskiego przepływu od szumu przepływu-ze względu na aplikację.

Co to jest wzór przepływu DP?

Przydatnym wyrażeniem pojęciowym jest:

Q = K × √(ΔP / ρ)

Gdzie:

• Qjest objętościowym natężeniem przepływu;
• ΔPjest różnicą ciśnień;
• ρjest gęstością płynu; I
• Kreprezentuje odpowiednie właściwości elementu pierwotnego i obliczenia.

Jest to związek pojęciowy, a nie uniwersalne równanie rozmiaru.

Obliczenia rzeczywistego-ciśnienia różnicowego mogą również obejmować geometrię-elementu pierwotnego, średnicę otworu, średnicę rury, stosunek średnic, współczynnik tłoczenia, liczbę Reynoldsa, układ poboru ciśnienia oraz, w przypadku płynów ściśliwych, współczynnik rozszerzalności.

UrzędnikISO 5167-1:2022norma określa ogólne zasady pomiaru przepływu za pomocą-urządzeń różnicujących ciśnienie, w tym kryz, dysz, rurek Venturiego, mierników stożkowych i mierników klinowych. Definiuje również wymagania dotyczące instalacji i niepewności. Jego podany zakres dotyczy pełnego przewodu, przepływu poddźwiękowego przez sekcję pomiarową, płynu, który można traktować jako jednofazowy, oraz przepływu nie-pulsującego.

Specjalnie dla płytek kryzowych,ISO 5167-2:2022omawia geometrię, instalację, warunki pracy i określone sposoby-poboru ciśnienia.

Prosty przykład przepływu-do-DP

Załóżmy, że system jest zaprojektowany w taki sposób, że maksymalny wymagany przepływ odpowiada różnicy ciśnień wynoszącej 100 jednostek ciśnienia. Przetwornik mierzy obecnie 36 jednostek ciśnienia.

Znormalizowany DP wynosi:

36 / 100 = 0.36

Znormalizowany przepływ to:

√0.36 = 0.60

Wskazany przepływ wynosi zatem około 60% skonfigurowanego przepływu maksymalnego, pod warunkiem, że przyjęte warunki przepływu i pracy pozostają aktualne.

Ten przykład ilustruje wyłącznie konwersję pierwiastka-kwadratowego. Nie zastępuje podstawowego-wymiarowania elementu ani-zgodnych ze standardem obliczeń przepływu.

Którego elementu podstawowego należy użyć?

Nadajnik mierzy DP, ale element główny określa sposób generowania tego DP. Wybór głównego elementu jest zatem częścią projektu przepływomierza, a nie odrębną refleksją.

Zwężka Venturiego może być atrakcyjna, gdy liczy się trwała utrata ciśnienia. Więcej szczegółów na temat tej opcji można znaleźć w przewodnikuZalety i wady przepływomierza Venturiego. W istniejących instalacjach Venturi mogą również wystąpić problemy-specyficzne dla aplikacji, omówione w tym przeglądzieProblemy i rozwiązania miernika Venturiego.

Najlepszy element podstawowy zależy od właściwości płynu, rozmiaru rury, zakresu przepływu, ciśnienia, temperatury, dopuszczalnej trwałej utraty ciśnienia, przestrzeni montażowej, warunków konserwacji i obowiązującej normy pomiarowej.

Jak ciecze, gazy i para zmieniają pomiar

Płyny

W przypadku cieczy o stosunkowo stałej-gęstości zależność DP-do-przepływu może być stosunkowo prosta. Instalacja pozostaje jednak ważna. Gaz uwięziony w przewodzie impulsowym, częściowo zablokowane krany ciśnieniowe, wyciek lub brak równowagi wzniesień mogą powodować fałszywe ciśnienie różnicowe.

Płyn powinien także odpowiadać założeniom przyjętym przy wymiarowaniu głównego elementu. Znacząca zmiana gęstości zmienia relację pomiędzy zmierzonym DP a obliczonym przepływem.

Gazy

Gęstość gazu może znacznie zmieniać się wraz z ciśnieniem roboczym i temperaturą. Dlatego dany DP nie zawsze reprezentuje ten sam przepływ masowy, gdy zmieniają się warunki gazu.

Zastosowania wymagające skompensowanego przepływu mogą wykorzystywać różnicę ciśnień wraz z ciśnieniem statycznym, temperaturą i informacjami o-właściwościach płynu. Rozróżnienie pomiędzy pomiarem objętościowym i masowym zostało omówione w dalszej części tego artykułuprzewodnik przepływu masowego i objętościowego.

Jeżeli bezpośredni pomiar masy gazu jest bardziej odpowiedni niż system DP, aprzepływomierz masowy gazumoże warto porównać pod kątem odpowiednich zastosowań.

Para

Instalacje parowe DP wymagają szczególnej uwagi na temat rurociągów impulsowych i warunków kondensacji. Nierówne wysokości ciśnienia cieczy po stronie górnej i dolnej mogą wytworzyć sztuczną różnicę ciśnień, której przetwornik nie będzie w stanie odróżnić od procesowego DP.

Gęstość zmienia się również w zależności od warunków pary, więc skompensowany przepływ masowy może wymagać informacji o ciśnieniu i temperaturze. Jeżeli rozważana jest inna zasada pomiaru, aprzepływomierz paryw oparciu o pomiar wirów stanowi użyteczny punkt porównania.

Gdzie należy obliczyć pierwiastek kwadratowy?

Konwersję- pierwiastka kwadratowego można wykonać w kilku miejscach:

• wewnątrz nadajnika DP;
• w sterowniku PLC lub DCS; Lub
• wewnątrz dedykowanego komputera przepływu.

Dwukrotne zastosowanie nie przynosi żadnych korzyści. Jeśli przetwornik już wysyła sygnał wyjściowy proporcjonalny do przepływu, a system sterowania zastosuje inną-funkcję pierwiastkową, ostateczna wartość będzie nieprawidłowa.

Występuje również błąd odwrotny: nadajnik wysyła liniowy DP, podczas gdy system odbiorczy traktuje ten sygnał jako przepływ liniowy.

Podczas uruchamiania należy udokumentować, czy każda przesyłana zmienna reprezentuje surową różnicę ciśnień lub obliczony przepływ. EmersonaDokumentacja konfiguracji przepływu 4051Sprzedstawia przykład konwersji pierwiastkowej-opartej na przetworniku-kwadratowym i konfiguracji odcięcia przy niskim-przepływie.

Kalibracja to nie to samo, co weryfikacja dokładności przepływu

To rozróżnienie jest jednym z najważniejszych w pętli przepływu DP.

Technik może zastosować znane różnice ciśnień i potwierdzić, że przetwornik mierzy je prawidłowo. To weryfikuje pomiar ciśnienia. Nie dowodzi, że cały zainstalowany system oblicza prawidłowy przepływ.

Pełna weryfikacja powinna uwzględniać:

• podstawowe-dane dotyczące typu i rozmiaru elementu;
• prawidłowe wymiary otworów i rur;
• układ kranu ciśnieniowego-;
• stan linii impulsowej-;
• zero nadajnika i zakres DP;
• konfiguracja z pierwiastkiem kwadratowym-;
• Skalowanie DCS lub PLC;
• wejścia dotyczące gęstości płynu i kompensacji;
• jednostki inżynieryjne; I
• warunki instalacji rurowej wokół elementu głównego.

Omówiono w nich ogólne praktyki kalibracjinajlepsze praktyki kalibracji przepływomierzy. W przypadku rutynowej pielęgnacji instrumentów należy zapoznać się ze wskazówkami na stronie dotkonserwacja przetwornika ciśnieniazapewnia dodatkowy kontekst konserwacji.

Dlaczego dokładny przetwornik DP może nadal dawać nieprawidłowy przepływ

Dokładność przetwornika to tylko część wydajności-systemu przepływu. Ostateczny obliczony przepływ zależy także od jakości danych-elementu pierwotnego, założeń-właściwości procesu, instalacji i konfiguracji sygnału.

Na przykład dokładnie skalibrowany przetwornik nadal będzie zgłaszał wprowadzający w błąd przepływ, jeśli jedna linia impulsowa jest częściowo zablokowana. Podobnie doskonały pomiar DP nie może skorygować błędnie wprowadzonego rozmiaru otworu-pierwotnego elementu ani gęstości płynu.

Z tego powodu specyfikacji przetwornika nie należy traktować jako specyfikacji dokładności całego systemu przepływu DP. ISO 5167 wyraźnie uwzględnia określenie niepewności pomiaru jako część szerszej metody pomiaru, zamiast traktować czujnik ciśnienia jako jedyne źródło niepewności.

Typowe problemy z przepływem DP i co należy sprawdzić w pierwszej kolejności

Na szczególną uwagę zasługują-uszkodzenia linii impulsowej, ponieważ przetwornik zna jedynie ciśnienia dostarczane do jego portów. Nie może automatycznie wykryć, że przewód ciśnieniowy jest nieszczelny lub zatkany, chyba że konkretny przetwornik posiada odpowiednią diagnostykę.

Kiedy pomiar przepływu DP jest dobrym wyborem?

Pomiar DP pozostaje praktyczny w wielu przemysłowych usługach związanych z cieczą, gazem i parą, szczególnie tam, gdzie w procesie wykorzystuje się już znormalizowane elementy podstawowe, a personel zakładu jest zaznajomiony z oprzyrządowaniem ciśnieniowym.

Nie jest to automatycznie najlepsza technologia dla każdej usługi. Porównaj alternatywy, jeśli aplikacja kładzie duży nacisk na bardzo niską trwałą stratę ciśnienia, bezpośredni pomiar masy, ciecze trudno przewodzące,-pomiar nieinwazyjny lub szerszy zakres użyteczny, niż może zapewnić proponowany system DP.

Przydatne punkty porównawcze obejmująprzepływomierze wirowedla odpowiednich usług w zakresie pary i-płynów procesowych,termiczne przepływomierze masowedla odpowiednich gazów orazprzepływomierze elektromagnetycznedo cieczy przewodzących.

Wyboru należy rozpocząć od warunków procesu i celu pomiaru, a nie od preferowanej technologii przetwornika.

Często zadawane pytania

Czy przetwornik DP mierzy przepływ bezpośrednio?

Nie. Mierzy bezpośrednio różnicę ciśnień. Natężenie przepływu wnioskuje się z DP wytwarzanego przez element pierwotny oraz z parametrów obliczeniowych stosowanych przez system pomiarowy.

Dlaczego do pomiaru przepływu używany jest pierwiastek kwadratowy z DP?

Ponieważ różnica ciśnień na konwencjonalnym elemencie pierwotnym zmienia się w przybliżeniu wraz z kwadratem natężenia przepływu. Jeśli ΔP jest proporcjonalne do Q², wówczas Q jest proporcjonalne do √ΔP.

Czy 50% DP równa się 50% przepływu?

Nie. Zgodnie z podstawową zależnością-kwadratową 25% projektowego DP odpowiada około 50% projektowego przepływu. I odwrotnie, 50% DP odpowiada około 70,7% przepływu.

Czy przetwornik DP może mierzyć zarówno ciecze, jak i gazy?

Tak, pod warunkiem, że kompletny element główny-i system nadajnika są odpowiednie do danego zastosowania. Pomiar gazu często wymaga dodatkowej uwagi na temat ciśnienia, temperatury, gęstości i ściśliwości.

Czy przetwornik DP może być używany bez kryzy?

Tak. Kryzy są tylko jednym typem elementu pierwotnego. W zależności od projektu można również zastosować zwężki Venturiego, dysze, mierniki stożkowe, mierniki klinowe, urządzenia do uśredniania ciśnienia i inne odpowiednie elementy wytwarzające DP-.

Czy ekstrakcję pierwiastkową-należy wykonać w nadajniku czy DCS?

Jedno i drugie może być ważne. Ważne jest, aby miejsce obliczeń było udokumentowane i-wyprowadzenie pierwiastka kwadratowego przeprowadzono raz, a nie zarówno w systemie nadawczym, jak i odbiorczym.

Dlaczego sygnał przepływu DP staje się niestabilny przy niskim przepływie?

Ponieważ wytworzona różnica ciśnień staje się bardzo mała, a ekstrakcja-kwadratowa daje duży zysk bliski zeru. Szum procesowy, małe wahania DP i zerowe błędy mogą zatem powodować stosunkowo duże zmiany w obliczonym przepływie.

Czy dokładność przetwornika jest równa dokładności przepływu?

Nie. Niepewność pomiaru przepływu może również obejmować element główny, wymiary, charakterystykę tłoczenia, gęstość procesu, ciśnienie i temperaturę na wejściu, instalację, krany ciśnieniowe, linie impulsowe i konfigurację obliczeń.

Wniosek

Przetwornik DP mierzy przepływ, wykrywając różnicę ciśnień wytwarzaną w głównym elemencie przepływu i przekształcając ten pomiar w przepływ poprzez zależność pierwiastkową.

Podstawowy łańcuch pomiarowy to:

Przepływ → element pierwotny → różnica ciśnień → przetwornik DP → obliczenie przepływu

Nadajnik jest tylko jedną częścią tego łańcucha. Niezawodny pomiar przepływu DP zależy od prawidłowego doboru-elementu pierwotnego, odpowiedniego poboru ciśnienia, rurociągów z impulsem dźwiękowym, dokładnych założeń-właściwości procesu, prawidłowej-konfiguracji pierwiastka kwadratowego i prawidłowego uruchomienia.

W przypadku prac inżynierskich używaj uproszczonej-proporcji pierwiastkowej, aby zrozumieć zasadę, ale podczas projektowania lub weryfikacji pętli pomiarowej korzystaj z obowiązującej normy, zatwierdzonych danych dotyczących wymiarowania, dokumentacji przetwornika i rzeczywistych warunków procesu. To rozróżnienie między zrozumieniem zasady a walidacją całego systemu zapobiega sytuacji, w której pozornie prawidłowy sygnał DP staje się nieprawidłową wartością przepływu.