K čemu slouží snímač hladiny diferenčního tlaku?

Tlak je síla působící na určitou oblast. Tlak může být vyvíjen všemi formami hmoty; pevné, kapalné a dokonce i plynné. Měření tlaku kapaliny je zvláště užitečné pro monitorování a řízení procesů v průmyslových automatizačních systémech. Tento článek je zaměřen na diskusi vysílače diferenčního tlaku . Jsou jedním z nejpoužívanějších tlakových senzorů pro získávání informací o tlaku, jako je průtok v kapalných systémech.

Co je to snímač diferenčního tlaku?

Pokud jde o monitorování tlaku v kapalinách, existují tři způsoby měření:

Přetlak je rozdíl mezi tlakem měřené kapaliny a atmosférickým tlakem.

Kombinovaný atmosférický a kapalinový tlak je známý jako absolutní tlak.

• Diferenciální tlak

Diferenční tlak je rozdíl tlaků ve dvou různých bodech stejné kapaliny/plynu.

Ačkoli všechny tyto metody mohou znít odlišně, všechny tři spolu souvisí.

Převodník diferenčního tlaku (také známý jako převodník diferenčního tlaku) je speciální typ snímače tlaku. Může měřit dva různé tlaky a odečítat jeden od druhého; odtud název rozdíl. Snímače rozdílu tlaku se běžně používají v kapalinových aplikacích ke stanovení průtoků.

Termín bezstupňový tlakoměr и Tlakoměr často chodí spolu. Liší se však od sebe funkčností. Tlakové senzory jsou jednodušší než tlakové senzory a obsahují minimální elektronické obvody. Oba typy snímačů mají piezorezistivní nebo tenkovrstvé snímače namontované na procesní přípojce.

Snímače tlaku přímo vydávají analogové signály z piezoelektrického prvku. Signál je typicky v rozsahu milivoltů. Potřebují externí obvody pro zpracování, aby převedly tento nezpracovaný signál a přivedly jej do řídicí jednotky, jako je PLC.

Senzory tlaku však mají vestavěny další obvody zpracování. To zahrnuje linearizaci, zesílení a další úpravu signálu, který má být vysílán do vzdáleného přijímače. Skládají se z vestavěného převodníku a obvodů vysílače, které tvoří jeden celek schopný produkovat signál, který lze přímo přivádět do PLC.

Princip činnosti snímače diferenčního tlaku

Jak bylo uvedeno výše, snímače diferenčního tlaku mají několik sekcí, které shromažďují, zpracovávají a přenášejí tlakové signály. Mechanická konstrukce má tři hlavní části:

1. Primární prvek
2. Sekundární prvek
3. Elektronika

Primárním prvkem je speciální mechanická konstrukce, která zavádí tlakový rozdíl do proudu tekutiny. Může to být Venturiho trubice, tryska, Pitotova trubice, tryska nebo prvek laminárního proudění.

Primární prvek vytváří tlakový rozdíl v toku tekutiny přidáním umělé bariéry pomocí jedné z výše uvedených mechanických bariér. Sekundární prvek vnímá tlak ve dvou bodech, před a za bariérou.

Primární prvek je často označován jako „vysoká strana“ a sekundární prvek jako „nízká strana“. To by nemělo být špatně pochopeno, protože vysokotlaká strana by měla mít vyšší tlak a nízkotlaká strana nižší tlak.

Primární sekce má spojení se sekundárním prvkem prostřednictvím nějaké formy izolační kapalinové spojky nebo mechanické spojky. Kapalina je často vyrobena ze silikonu, protože silikon je dobrý tepelný izolátor a je chemicky stabilní. Ve snímačích diferenčního tlaku je jako sekundární prvek k dispozici několik typů snímačů:

1. Diferenční kapacitní tlakové převodníky
2. Vibrační drátové snímače tlaku
3. Tenzometrické snímače tlaku

Sekundární prvek převádí naměřený diferenční tlak na signál malého napětí. Elektronika tento napěťový signál zachytí a dále zpracuje. To zahrnuje filtrování, normalizaci, zesílení, vzorkování a převod na proudový/napěťový signál.

Sekce elektroniky pak poskytuje lineární výstupní signál související s měřeným rozsahem tlaku. Pokud je například snímač schopen měřit diferenční tlak v rozsahu 0-100 psi a má proudový výstup, bude vydávat 4 mA při 0 psi a 20 mA při 100 psi. Jakýkoli tlak mezi nimi bude mít odpovídající aktuální hodnotu. (tj. 8 mA při 50 psi)

Prvky snímače diferenciálního tlaku

Jak bylo uvedeno výše, snímače diferenčního tlaku se skládají ze 3 hlavních prvků; primární, sekundární a elektronické montážní prvky.

Pojďme se v rychlosti podívat na běžné primární prvky a jejich design.

Primární prvky

• Membrány

Membrány jsou jednou z nejjednodušších forem primárních prvků. Zavádějí tlakový rozdíl v průtoku zavedením omezení. Otvor má vždy menší průměr než připojovaná trubka.

Membránový tlakový senzor má dva výstupy pro připojení zařízení k externímu zařízení pro monitorování tlaku. U převodníků diferenčního tlaku je připojen k sekundárnímu prvku zařízení.

U některých tlakových převodníků je primárním prvkem Venturiho trubice. Jedná se o speciální zařízení, které také omezuje průtok a vytváří tlakový rozdíl. Na rozdíl od otvoru má Venturiho trubice hladší tvar a tlak se měří na dvou různých místech.

Venturiho trubice má vstupní, zužující se část, hrdlo (menší než normální průměr trubky) a rozšiřující se část, která zvětšuje průměr na původní průměr trubky. Měření tlaku se provádí ze vstupní části a části hrdla, která má dva průměry.

Princip měření tlaku souvisí s rovnice kontinuity и Bernoulliho rovnice nalezený v teorii mechaniky tekutin. Primární prvky rizikového typu se nacházejí především v průtokoměrech pro stanovení průtoků.

Pitotovy trubice se primárně používají k měření rychlosti proudění. Skládají se ze zakřivené trubky se dvěma otvory.

Jeden konec trubky je otevřen ke statickému bodu v nízkotlaké kapalině a druhý je přímo v průtokovém potrubí, jak je znázorněno níže:

Se zvyšujícím se průtokem je kapalina zachycená v ohybu trubky vytlačována ven a vytváří tlakoměr kapaliny, který ukazuje průtok.

Instalace takových duálních pitotových trubic však může být obtížná. A má následující omezení:

• Pokud je rychlost příliš nízká, je obtížné měřit tlakový rozdíl.
• Pokud je rychlost příliš vysoká (tj. nadzvuková/nad rychlostí zvuku), neguje to také základní požadavky Bernoulliho rovnice, což ji činí neplatnou.
• Pokud dojde k ucpání trubky, výsledný tlak se liší od skutečných hodnot tlaku.

Proto existují speciální jednobodové pitotovy trubice nazývané “pitotovy trubice průměrného typu”, které mají několik snímacích trubic proti proudu, jak je znázorněno níže.

Toto nastavení řeší problémy uvedené v pitotově statické trubici.

Průtokové vstřikovače jsou dalším typem primárního prvku, který lze nalézt u snímačů diferenčního tlaku. Jsou podobné membránovým trubicím, ale mají oproti nim řadu výhod.

Existuje několik typů vlčích návnad: přírubové trysky, přírubové trysky se zabudovanými nízkotlakými kohouty и svařované trysky.

Speciální trysky wel-din jsou zvláště užitečné ve vysokotlakých systémech a potrubí s malým průměrem, kde nelze použít příruby. Obrázek níže ukazuje přivařovací trysku, která je umístěna mezi trubky a přivařena na místo.

Zde jsou některé z výhod průtokových trysek oproti membránovým prvkům:

• Průtokové trysky neobsahují ostré hrany jako membrány. Díky tomu jsou trysky spotřebního materiálu méně náchylné k opotřebení v průběhu času.
• Při měření kapalin s vysokou rychlostí se upřednostňují průtokové trysky.

Široce se používá ve vysokotlakých a vysokoteplotních aplikacích, jako je vysokorychlostní proudění páry v turbínách.

• Prvek laminárního proudění

Dalším zajímavým primárním prvkem je prvek laminárního proudění. Skládá se z několika trubek, které jsou mnohem delší než průměr hlavního potrubí, aby se zpomalil průtok a stal se laminární.

Tyto trubky s laminárním prouděním vytvářejí konstantní tlakovou ztrátu, kterou nelze eliminovat ve směru proudění v důsledku tření vytvářeného trubkami. Pokles tlaku se měří pomocí Hagen-Poiseuilleova rovnice.

Prvky laminárního proudění se používají k získání lineárního vztahu mezi průtokem a tlakovou ztrátou, čímž se eliminuje potřeba odmocniny pro linearizaci naměřených hodnot.

Zařízení založená na laminárních prvcích však vyžadují teplotní kompenzaci, protože teplota ovlivňuje viskozitu kapaliny a tím i konečný údaj.

Sekundární prvky

Sekundární prvek diferenčního tlakového převodníku se skládá ze zařízení, která převádějí fyzikální atribut (tlak) na elektrický signál. To se provádí pomocí „převodníku“, který může mít některou z následujících podob:

• Tenzometrický snímač tlaku

Tenzometrické snímače se používají k měření tlaku v úzkém rozsahu a diferenčního tlaku. Mají tenzometr, odpor, který mění svůj odpor v závislosti na napětí, které na něj působí. K membráně je připojen tenzometr, který převádí tlak na deformaci.

Lze je použít ve všech typech převodníků tlaku jako převodník pro měření přetlaku, absolutního a diferenčního tlaku.

• Kapacitní snímač tlaku

Snímače kapacitního typu používají k určení rozdílu tlaků membránu, která se pohybuje v závislosti na použitém tlaku. Membrána je připojena k primárnímu prvku pomocí plnicí kapaliny, jako je tekutý silikon.

To zahrnuje složitý řetězec, který osciluje. Frekvence kmitání je ovlivněna změnou kapacity, která se nakonec na výstupu snímače převede na stejnosměrný signál.

• Snímač tlaku s rezonančním drátem

Snímač tlaku rezonančního drátu se skládá z rezonančního drátu využívajícího integrovaný obvod oscilátoru. Jakákoli změna tlaku způsobí změnu napětí drátu. Změna napětí mění frekvenci vibrací. Protože to lze měřit velmi přesně, rezonanční drátové měniče se obvykle používají v aplikacích s nízkou tlakovou ztrátou.

Rezonanční drátové tlakové senzory jsou velmi stabilní za stabilních teplotních podmínek, ale jsou nelineární. Vyžadují proto pomoc mikroprocesoru pro kompenzaci nelinearity.

Elektronika

Elektronika tlakového převodníku dále zesiluje, zpracovává a převádí surový signál pro přenos do PLC nebo jiného ovladače. Cesta ven může být

Výstup 0-10V nebo 0-5V v závislosti na konfiguraci.

Proudový výstup 4-20mA pro napájení vstupní karty PLC.

Prahový výstup nebo datový tok digitální komunikace, jako je výstup kompatibilní s RS232 nebo RS485, který poskytuje vysoce přesné digitálně vzorkované hodnoty tlaku.

Konstrukce snímače diferenčního tlaku

Snímače diferenčního tlaku se skládají ze tří hlavních částí: primárního prvku, sekundárních prvků a krytu elektroniky.

Primární prvek je namontován přímo do trubky a funguje jako prvek regulace tlaku. To zavádí tlakový rozdíl do proudu tekutiny a poskytuje dva výstupy ze dvou bodů se známými různými tlaky tekutiny.

Sekundární prvek se obvykle montuje přímo na horní část primárního prvku mimo potrubí. To převádí fyzický tlak na malý elektrický signál.

Posledním prvkem je elektronika s vestavěnou úpravou signálu a obvody vysílače. Tento stupeň čte měření ze sekundárního prvku, zesiluje, filtruje a provádí další podmínky pro přenos naměřených hodnot do PLC nebo jiného vhodného přijímače.

Kde se používá měření diferenčního tlaku (DP)?

Nejběžnější aplikací diferenčního tlaku je měření diferenčního průtoku. Tento typ aplikace lze nalézt v domácím i průmyslovém prostředí, jako je měření průtoku kapalin v rozvodech oleje/vody.

Mezi další aplikace pro DP patří monitorování filtru, měření hladiny kapaliny a v některých případech řízení točivého momentu vrtáku. Při monitorování filtrů se DP používá k nepřetržité kontrole filtrů z hlediska zanesení. Pokud je filtr ucpaný, diferenční tlak se zvýší a naměřená hodnota se pak použije k určení problému.

V některých aplikacích je monitorování tlaku plynu, tlaku kapalinového čerpadla a detekce netěsností vodního potrubí také prováděno měřením diferenčního tlaku.

K čemu slouží snímač diferenčního tlaku?

Převodník diferenčního tlaku je schopen vydávat data měření diferenčního tlaku podle přesné kalibrace. Výstupem může být napěťový, proudový nebo digitální výstup, kompatibilní se standardním průmyslovým zařízením.

Externí tlakové senzory se používají k odečítání hrubých hodnot ze senzorů diferenčního tlaku a jejich převodu na elektrické signály, které jsou lineární a kvantifikovatelné podle naměřených hodnot tlaku.

Závěr

Snímače diferenčního tlaku jsou vestavěná zařízení, která lze použít k měření diferenčního tlaku v kapalném systému. Měření pomocí senzoru rozdílu tlaku lze použít k měření průtoku, tlaku (přetlak, diferenciální a absolutní tlak) a v některých případech dokonce i přítomnosti kapaliny/plynu. Účelem tohoto článku je poskytnout pochopení průmyslových snímačů rozdílu tlaku, jejich konstrukci a stručný úvod k různým typům dostupných snímačů rozdílu tlaku.

Během provozu složitých a rozvětvených vzduchovodů a potrubí se v důsledku přítomnosti mnoha hydraulických odporů a armatur mění tlak v různých částech sítě. Nejčastěji padá, což může způsobit technické a ekologické problémy (například v rozvodných sítích plynu). Snímače rozdílu tlaku (nebo relé) jsou navrženy tak, aby rychle monitorovaly a předcházely takovým jevům.

Proč je nutné monitorování diferenčního tlaku?

Snímač diferenčního tlaku, nazývaný také snímač diferenčního tlaku, je nedílnou součástí různých zařízení, která měří průtok, rychlost a hladinu kapaliny nebo plynu v průmyslových nebo domácích procesech. Jsou větší a robustnější než polovodičové, ale koncept je stejný: měření tlakového rozdílu na membráně pomocí tenzometrické sítě s tenkovrstvými odpory nebo diferenciálními kapacitními senzory.

Měření průtoku a tlaku je jednou z nejběžnějších aplikací pro diferenciální senzory. Měřením rozdílu tlaku, když je kapalina nebo vzduch dopravován potrubím, lze vypočítat průtok pracovní tekutiny.

Informace o tlaku vzduchu také umožňují nepřímo měřit další proměnné, jako je rychlost proudění vzduchu. Je důležité si uvědomit, že pro každé zařízení, které používá stlačený vzduch, existuje maximální bezpečná úroveň, nad kterou se proudění stává nebezpečným. Při náhlém uvolnění může vzduch způsobit zničení zařízení, která jej používají. Proto jsou snímače tlaku vzduchu stejně důležité jako řídicí a spínací jednotky instalované v rozvodných sítích vzduchu. Zde jsou nějaké příklady:

1. Schopnost stlačeného vzduchu přenášet velké množství energie je rozhodující pro řízení vozidel. Klíčovou otázkou při použití tohoto typu energie je provozní bezpečnost. Například vlaky a těžká nákladní vozidla často používají vzduchové brzdy, které jsou vysoce účinné a spolehlivé. Aby byl zachován jejich bezporuchový provoz, musí být monitorovány úrovně tlaku.
2. Pro zařízení, jako jsou pneumatické nástroje používané v moderním průmyslu, jsou vyžadovány koncentrované, kontrolované a přesné úrovně výkonu.
3. V medicíně systémy, které poskytují pomoc při dýchání pacientům infikovaným koronavirem, vyžadují přesné a časově stabilní hodnoty průtoku vzduchu. Stejný požadavek platí pro pneumatická zařízení používaná ve stomatologii.
4. Doporučené rychlosti proudění vzduchu existují pro ventilační a klimatizační systémy, které jsou instalovány ve veřejných budovách a průmyslových závodech. Pokud tlak a tím i průtok klesne pod ideální hodnotu, senzory tlaku vzduchu tuto změnu zaznamenají a lze provést úpravy, aby se příčina problému odstranila.

Schémata pro změnu rozdílu tlaku vzduchu

Hlavním způsobem měření tohoto parametru je posouzení rozdílu tlaků mezi dvěma body (například před a za filtrem) v systému přívodu vzduchu nebo klimatizace. Za tímto účelem musí být účinek vzduchu pohybujícího se potrubím převeden na odpovídající elektrický signál. Používají se následující typy senzorů:

1. Tenzometr (nebo odporový).
2. Kapacitní.
3. Induktivní.

Zařízení typu tenzometr

Princip činnosti odporového snímače je založen na následujícím. Membrána, která je v kontaktu se vzduchem, jehož tlak je měřen, se při zvyšování tlaku deformuje. V tomto případě jsou také deformovány snímače připevněné k bezdotykové ploše membrány. Piezorezistivní efekt, při kterém se při deformaci mění odpor materiálu tenzometru, se převádí na elektrický signál.

Jedna strana membrány je připojena k nízkotlakému portu a druhá strana membrány je připojena k vysokotlakému portu. Membrána se ohne a je převodníkem vnímána jako elektrický signál, který je úměrný rozdílu odpovídajících průtoků.

Snímač diferenčního tlaku vzduchu je umístěn v pouzdře z nerezové oceli nebo jiných materiálů se zvýšenou odolností proti korozi. U ventilačních systémů je to dáno nutností pracovat se vzduchem, který má vysokou relativní vlhkost. Výsledný elektrický signál prochází vestavěným mikroprocesorem, který vytváří analogový signál s vysokým rozlišením (od 4 do 20 miliampérů) nebo digitální signál. Designovým prvkem tohoto typu zařízení je přítomnost dvou závitových portů určených pro „vysoké“ a „nízké“ technologické připojení. Horní závitový otvor pro elektrické připojení je však obvykle 24 V DC.

Analogové a digitální výstupní signály jsou přenášeny do ústředny, která je vybavena několika desítkami (nebo i stovkami) konektorů, umožňujících počítačově sledovat aktuální stav čerpání vzduchu na různých místech ventilačního systému.

Typ kapacitního zařízení

Takto funguje kapacitní senzor. Dvě kapacitní kontaktní desky jsou od sebe odděleny malou mezerou. Jeden z nich je stacionární a druhý ve styku se vzduchem působí jako pružná membrána. Zvyšující se tlak vzduchu deformuje membránu, což zužuje mezeru a snižuje kapacitu. Změna kapacity je převedena na elektrický signál.

Protože snímače kapacitního typu po určitou dobu porovnávají hodnoty aktuálního tlaku vzduchu vzhledem k jeho přednastaveným hodnotám, pracují pomaleji než odporové.

Indukční typ zařízení

U indukčních snímačů diferenčního tlaku se deformace membrány převádí na lineární pohyb feromagnetického jádra na principu indukčnosti. Pohyb jádra způsobuje změnu indukovaného proudu, který je generován cívkou napájenou střídavým proudem na jiné sekundární snímací cívce. Tato změna je zase převedena na elektrický signál. Činnost takového zařízení je zřejmá z obrázku.

Indukční snímače reagují rychleji než kapacitní snímače, ale jsou konstrukčně složitější a vyžadují externí přídavné napájení.

Konstrukční prvky zařízení

Bez ohledu na způsob převodu a přenosu řídicího signálu lze u diferenciálních snímačů rozlišit tyto části:

• Primární prvek, jehož prostřednictvím se vytváří tlakový rozdíl. V tomto případě se změní průtok vzduchu za jednotku času. Nejběžnějšími typy primárních prvků jsou diafragma, Venturiho trubice, tryska nebo Pitotova trubice;
• Sekundárním prvkem je samotné čidlo, pomocí kterého se co nejpřesněji zaznamenává tlakový rozdíl vytvořený primárním prvkem. Zejména je důležité, aby měření takového indikátoru nebylo ovlivněno změnami vlastností vzduchu, jeho teploty nebo jiných parametrů, například okolní teploty;
• Kryt, jehož hlavním účelem je poskytnout maximální ochranu zařízení před škodlivým vlivem vnějších faktorů, včetně dlouhodobých (například vlhkost vzduchu).

Často sem patří také sada přenosových a spínacích vodičů, kterými je signál přenášen do ústředny.

Vzhled zařízení určeného k instalaci do ventilačního systému je znázorněn na obrázku:

Jak vybrat velikost zařízení

Výchozími údaji pro výběr jsou následující faktory:

1. Požadovaná přesnost odečtů přístroje.
2. Minimální celkové rozměry prostoru, ve kterém je zamýšlena instalace.
3. Vnější provozní podmínky.
4. Požadovaná rychlost.
5. Požadavky na vybavení.
6. Složitost běžné údržby.

Obecný návrh ventilačního systému veřejné nebo průmyslové budovy je poměrně složitý a zahrnuje použití zařízení pro různé účely.

Vyžadují široký rozsah tlakových limitů, typicky od 2500 Pa do 250 Pa, s občasnými požadavky až 25 Pa. Tradiční senzorové produkty podporují pouze jeden kalibrovaný plný rozsah pro udržení požadovaného výkonu senzoru, což vyžaduje použití 3-5 nebo dokonce více samostatných systémů pro pokrytí požadovaného rozsahu monitorovaných veličin.

Proto jsou v praxi výhodné návrhy, které umožňují, aby jeden systém pokryl celý požadovaný rozsah při zachování optimalizovaných kalibrovaných variací vlastností vzduchu. Pomocí těchto zařízení lze optimalizovat různé senzory při zachování špičkové úrovně výkonu. Taková zařízení, i když jsou specifická pro určité účely, umožňují spotřebitelům snížit počet nezávislých součástí ve ventilačním systému 3. 5krát nebo více, což výrazně šetří náklady na materiály a energetické zdroje. Instalace a údržba jsou také zjednodušeny.

Pro vyřešení zadaných problémů tedy musí dotyčná zařízení zajistit provoz v rozsahu tlaku vzduchu od 25 do 2500 Pa, být napojena na minimálně 3. 5 kalibračních zařízení a poskytovat možnost dálkové údržby.

Je důležité mít na místě několik systémů vybavených příslušnými senzory, což uživateli umožňuje měnit rozsahy měření podle potřeby. To vyrovnává proudění vzduchu v interiéru a optimalizuje výkon pro každý jednotlivý potrubní systém budovy.