Датчики перепада давления: применение для измерения расхода, уровня и фильтрации | YUNRUI

Датчики перепада давления: это больше, чем просто разница давлений.

Датчики перепада давления широко распространены в полевых условиях. Однако их часто недооценивают. Некоторые считают их “двухпортовой версией” стандартного датчика давления. Другие помнят только H-образную и L-образную стороны.

Другие сразу же связывают перепад давления с измерением расхода с помощью диафрагмы. В этом нет ничего неправильного. Но это неполное понимание. Настоящая сила датчика перепада давления заключается в том, что он измеряет одну простую физическую величину: разницу давлений между двумя точками. С помощью технологических соотношений эта разница давлений преобразуется в расход, уровень, сопротивление, перепад давления в чистом помещении, засорение фильтра, тягу в печи или рабочее состояние оборудования.

Поэтому, когда вы осматриваете датчик перепада давления в полевых условиях, не стоит просто спрашивать: “Каков его диапазон?”. Сначала спросите себя: что на самом деле представляет собой эта разница давлений?

1. Что именно измеряет датчик перепада давления?

Датчик перепада давления имеет два порта для измерения давления. Один — это сторона высокого давления, обычно обозначаемая буквой H. Другой — это сторона низкого давления, обычно обозначаемая буквой L. Основной выходной сигнал датчика:

Если давление на стороне H выше, чем на стороне L, то перепад давления положительный. Если давление на стороне H ниже, чем на стороне L, то перепад давления может быть отрицательным, или выходное давление может упасть в обратный диапазон. Это утверждение кажется простым. Многие проблемы в полевых условиях начинаются именно здесь.

Сам датчик перепада давления не знает, подключен ли он к диафрагме, фильтру, резервуару или воздуховоду. Он знает только разницу давлений между стороной H и стороной L. Будет ли эта разница давлений интерпретироваться как расход, уровень, сопротивление или разница давлений в помещении, определяется последующей моделью процесса, конфигурацией датчика, программой ПЛК и дисплеем HMI.

Таким образом, для определения точки перепада давления необходимо подтвердить как минимум четыре момента. Во-первых, где подключена сторона H. Во-вторых, где подключена сторона L. В-третьих, что означает положительное направление перепада давления. В-четвертых, как диапазон перепада давления переводится в инженерные единицы. Если эти четыре момента не ясны, независимо от вашего уровня квалификации в области электромонтажа и ввода в эксплуатацию, вы легко можете перепутать точки.

2. Почему дифференциальное давление позволяет получить так много измерений?

Значение перепада давления в реальных условиях заключается в том, что он часто отражает “сопротивление процесса” или “высоту столба жидкости”. При наличии сужения в трубе жидкость, проходящая через это сужение, создает потери давления. Эти потери давления связаны со скоростью потока. При наличии перепада давления на фильтре, чем сильнее засорен фильтрующий элемент, тем больше сопротивление и, как правило, тем выше перепад давления. При наличии перепада давления между дном и верхом резервуара, перепад давления связан с высотой столба жидкости. В системах низкого давления, таких как воздуховоды, чистые помещения и камеры печей, перепад давления в несколько десятков или сотен Паскалей может отражать состояние подачи и отвода или соотношение давлений внутри и снаружи помещения.

Иными словами, датчик перепада давления не ограничивается одним типом применения. Он является базовым датчиком для множества схем измерения. Один и тот же датчик перепада давления, с различными первичными элементами, конструкциями отводов давления, изолирующими диафрагмами, выносными фланцами и методами расчета, может принимать различные формы, используемые в полевых условиях.

3. Расход при перепаде давления: наиболее типичное производное применение.

Наиболее типичным применением датчиков дифференциального давления является измерение расхода при перепаде давления. Основные элементы, такие как диафрагмы, сопла, трубки Вентури, усредняющие трубки Пито и трубки Пито, по сути, создают поддающуюся расчету разницу давлений в определенной точке по мере прохождения жидкости. Датчик дифференциального давления измеряет эту разницу давлений. Затем система управления преобразует перепад давления в расход с помощью формулы или модуля расчета расхода.

Важный момент, который следует отметить в полевых условиях: расход и перепад давления обычно не имеют линейной зависимости. Во многих измерениях расхода с ограничением потока расход приблизительно пропорционален квадратному корню из перепада давления. Поэтому измерение расхода по перепаду давления часто включает в себя “извлечение квадратного корня”. Извлечение квадратного корня может быть выполнено в преобразователе, ПЛК, АСУ ТП или сумматоре расхода. Но это нельзя сделать с обеих сторон. Если преобразователь уже настроен на вывод квадратного корня, и ПЛК делает это снова, расход будет значительно ниже. Если преобразователь выдает линейное значение перепада давления, но ПЛК обрабатывает его как линейный расход и отображает напрямую, это также неправильно. Поэтому при вводе в эксплуатацию точки измерения расхода по перепаду давления всегда уточняйте: выдает ли преобразователь линейное значение перепада давления или процент расхода после извлечения квадратного корня?

4. Уровень перепада давления: открытые резервуары, закрытые резервуары и выносные фланцы.

Измерение уровня по перепаду давления также очень распространено. Открытые резервуары относительно просты для понимания. Сторона H соединена с дном резервуара. Сторона L вентилируется в атмосферу или соединяется с открытым верхом резервуара. Чем выше уровень жидкости, тем выше давление столба жидкости у дна резервуара и тем больше перепад давления. Если плотность среды в основном стабильна, уровень жидкости можно рассчитать по перепаду давления.

Для закрытых резервуаров требуется еще один шаг. Давление пара внутри резервуара одновременно воздействует на поверхность жидкости и на верхний штуцер измерения давления. Если сторона H подключена ко дну резервуара, а сторона L — к верху, то теоретически давление пара компенсируется, оставляя в основном перепад давления в столбе жидкости. Но на практике необходимо также проверить, является ли сторона L «сухим» или «мокрым» участком. Если в импульсной линии стороны L имеется стабильный столб жидкости, произойдет фиксированный отрицательный сдвиг. В этом случае ноль уже не соответствует 4 мА.

Выносные фланцы — это еще одна категория. Высокие температуры, коррозия, вязкость, кристаллизация и санитарные условия часто делают обычные импульсные линии непригодными для использования. В таких случаях используются выносные датчики перепада давления с капиллярными трубками и разделительными диафрагмами. Выносные фланцы могут решить проблемы засорения, коррозии и изоляции среды. Но они также создают проблемы, связанные с влиянием капиллярной температуры, разницей высот установки, плотностью заполняющей жидкости и скоростью отклика. Поэтому уровень перепада давления — это не принцип “подключил и работает”. Необходимо учитывать высоту уровня жидкости, плотность среды, давление в резервуаре, метод импульсного воздействия и величину смещения одновременно.

5. Фильтры, насосы и теплообменники: использование перепада давления для контроля сопротивления оборудования.

Еще одно очень практичное применение датчиков перепада давления — это контроль сопротивления до и после оборудования. Повышенный перепад давления на фильтре часто указывает на засорение элемента, загрязнение среды или аномальный поток. Перепад давления на входе и выходе насоса может отражать изменения напора насоса. Аномальный перепад давления на теплообменнике может быть связан с засорением, образованием накипи, открытием клапана или изменением потока. Перепад давления между двумя точками в трубопроводной сети также может использоваться для оценки гидравлического баланса и допустимого давления на выходе из трубопровода.

Эти приложения не обязательно требуют сложных вычислений. Ключевым моментом является правильный выбор мест расположения точек измерения давления. Если точки измерения до и после оборудования расположены слишком близко друг к другу, они легко подвержены влиянию локальных помех. Если точки измерения склонны к засорению, перепад давления будет постепенно искажаться. Если состояние клапанов с обеих сторон нестабильно, показания также будут искусственно искажены. Поэтому эти точки измерения перепада давления имеют высокую ценность с точки зрения технического обслуживания. Они не просто отображают число на экране. Они скорее являются ранним сигналом состояния оборудования.

6. Низкий перепад давления: воздуховоды, чистые помещения, печи и давление в помещении.

Разница давлений не всегда измеряется в кПа или МПа. Многие системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), системы для чистых помещений, печи, воздуховоды и системы пылеудаления ориентированы на низкие значения разницы давлений, измеряемые в Па. Например, в чистых помещениях необходимо поддерживать градиенты разницы давлений между соседними помещениями. Печи могут нуждаться в контроле небольшого отрицательного давления. Фильтрующие секции должны отслеживать изменения сопротивления воздуха. Обе стороны воздуховода должны оценивать состояние воздушного потока или сопротивления.

Сложность при работе с низкими значениями перепада давления заключается не в сложности формул, а в слишком большом количестве внешних воздействий. Длина импульсной линии, влияние скорости ветра, направление установки, вибрация, конденсация, ориентация портов, открытие и закрытие дверей, а также запуск/остановка вентилятора — все это может вызывать колебания показаний. Датчики низкого перепада давления имеют очень малый диапазон измерений. Дрейф в несколько десятков Па может быть незаметен в точке нормального давления, но это существенная проблема в условиях перепада давления в чистых помещениях. Поэтому работа с низким перепадом давления требует особого внимания к деталям установки и проверке нуля.

7. Типичные продукты, получаемые из датчиков перепада давления

С точки зрения конструкции, датчики перепада давления могут использоваться в различных полевых устройствах. В следующей таблице приведены основные типы продукции и их типичные области применения:

Тип продукта	Типичные области применения
Интеллектуальный датчик перепада давления	Стандартные измерения перепада давления, расхода, уровня и перепада давления на фильтре.
Датчик низкого перепада давления	Чистые помещения, воздуховоды, камеры печей — небольшие диапазоны уровней давления в Па.
Датчик перепада давления и расхода	Извлечение квадратного корня, компенсация температуры и давления, суммирование и отображение расхода.
Датчик уровня перепада давления	Открытые резервуары, закрытые резервуары, сухие резервуары, мокрые резервуары и смены.
Дистанционное перепадное давление фланца	Применение в условиях высоких температур, коррозии, повышенной вязкости, кристаллизации и санитарных условиях.
Многопараметрический передатчик	Для компенсированного измерения расхода используется комбинация перепада давления, статического давления и температуры.
Реле дифференциального давления	Выходной сигнал переключателя для сигнализации или блокировки при достижении заданного перепада давления.

Эти продукты могут иметь разные названия. Но основная логика часто сводится к “разнице давлений между двумя точками”.”

8. При выборе нельзя ориентироваться только на диапазон цен.

Выбор датчика перепада давления: диапазон, безусловно, важен. Но сосредотачиваться только на диапазоне опасно. Необходимо учитывать как минимум следующие условия.

8.1 Контрольный список выбора

Фактор отбора	Что проверить
Измеряемый объект	Расход, уровень, перепад давления в фильтре, низкий перепад давления или сопротивление оборудования.
Диапазон перепада давления	Нормальное перепад давления, максимальный перепад давления, допустимый обратный перепад давления и пусковой импульс.
Условия статического давления	Небольшой перепад давления не означает низкое статическое давление — трубопроводы высокого давления требуют особого внимания.
Среда и температура	Коррозия, кристаллизация, вязкость, твердые частицы, высокая температура, низкая температура и санитарные требования.
Структура установки	Трехклапанный коллектор, пятиклапанный коллектор, выносной фланец и длина капилляра
Результаты и коммуникация	Протоколы 4-20 мА, HART, RS-485 или полевой шины.
Экологические требования	Класс защиты, взрывозащита, защита от перенапряжения, вибрационная защита, использование вне помещений и заземление.

8.2. Объяснение ключевых моментов

Во-первых, объект измерения. Это расход, уровень, перепад давления в фильтре, перепад низкого давления или сопротивление оборудования до и после измерения?

Во-вторых, диапазон перепада давления. Необходимо учитывать нормальное перепад давления, максимальный перепад давления, допустимый обратный перепад давления и пусковой скачок.

В-третьих, условия статического давления. Небольшой перепад давления не означает низкого статического давления с обеих сторон. Например, на диафрагме трубопровода высокого давления перепад давления может составлять всего несколько десятков кПа, но статическое давление в трубопроводе может быть очень высоким.

В-четвертых, среда и температура. Коррозия, вязкость, кристаллизация, наличие частиц, высокая и низкая температура, а также санитарные требования — все это влияет на материал диафрагмы и метод отбора проб под давлением.

Пятое, конструкция установки. Необходимо заранее определить стандартные импульсные линии, трехклапанные коллекторы, пятиклапанные коллекторы, фланцевое прямое крепление, выносные фланцы и длину капилляра.

Шестое, вывод и связь. 4-20 мА, HART, RS-485, Profibus PA, Foundation Fieldbus или другие протоколы влияют на проводку и интеграцию системы.

В-седьмых, защита и взрывозащита. Защита от воздействия окружающей среды, водонепроницаемость, пылезащита, коррозионные среды, а также легковоспламеняющиеся или взрывоопасные зоны не могут рассматриваться как второстепенный вопрос.

9. Распространенные заблуждения в данной области.

10. Заключение: Рассматривайте точки измерения перепада давления как “решения для измерения”.”

Датчик перепада давления — это не изолированное устройство. Часто он соединен с диафрагмами, резервуарами, фильтрами, клапанными коллекторами, импульсными линиями, выносными фланцами, программами ПЛК и дисплеями HMI. Поэтому при оценке точки измерения перепада давления в полевых условиях не следует ограничиваться только показаниями манометра. Необходимо учитывать параметры по горизонтали, вертикали, объекту процесса, диапазону, сдвигу, квадратному корню, проводке и преобразованию программы одновременно.

Если вы четко понимаете эту цепочку, то датчики перепада давления не представляют сложности. Сложность заключается в том, чтобы не путать “измеряемую разницу давлений” с “техническим значением, которое мы хотим отобразить”.”

---

Рекомендуемая литература

• Манометрическое, абсолютное и дифференциальное давление: практическое руководство для инженера-практика.
• Принцип работы датчика давления: преобразование технологического усилия в сигнал 4-20 мА.
• Выбор исполнительных механизмов и расчет размеров клапанов: инженерные методы расчета.
• Сравнение цифровых позиционеров клапанов Fisher DVC6200 и Siemens PS2: руководство по сравнению с другими цифровыми позиционерами клапанов.
• Полное руководство по установке позиционера клапана: принципы работы и устранение неполадок в полевых условиях.

---