Differenstrycksmätning är oumbärlig i industriella styrprocesser. Dess kärna är att mäta tryckskillnaden mellan två olika punkter i samma rörledning, tank, utrustning eller process, dvs. tryckskillnaden mellan hög-sidan och låg-sidan. Jämfört med en enda -trycksmätning, reflekterar differenstrycksmätning inte bara förändringar i själva trycket utan kan också användas ytterligare för indirekt mätning av parametrar som flödeshastighet, vätskenivå, filterdifferentialtryck och utrustningens driftstatus. Därför används det ofta i industrier som petroleum, naturgas, kemi, kraft, läkemedel, livsmedel, metallurgi och vattenrening.
I verkliga industrianläggningar detekteras differenstryck vanligtvis med hjälp av en differenstrycksgivare. Sändaren introducerar två uppmätta tryck genom hög-tryckssidan (H) respektive låg-tryckssidan (L). När sensorn känner av tryckpåverkan på båda sidor omvandlar den tryckskillnaden till en elektrisk signal. Efter signalbehandling, temperaturkompensation och linjäriseringsberäkningar matar den ut standardsignaler som 4~20mA, HART, RS485/Modbus, vilket ger stabila processmätdata för styrsystem, PLC:er, DCS eller datainsamlingssystem.
Nyckeln till differentialtrycksmätning är inte bara att "mäta två tryck och sedan subtrahera dem", utan snarare att överväga faktorer som mätområde, statiskt tryck, temperatur, medeldensitet, installationsmetod, impulsrörsystem och sensorprestanda. Speciellt under driftsförhållanden som högt statiskt tryck, lågt differenstryck, hög temperatur och korrosiva media, ställer differenstrycksmätning höga krav på sensorstrukturen, temperaturkompensationsalgoritmer och övergripande installationskvalitet för instrumentet.
I. Vad är differentialtryck?
1. Grundläggande koncept för differenstryck
Differentialtryck (DP) är tryckskillnaden mellan två tryckmätningspunkter, och dess grundläggande förhållande är:
ΔP = P₁ − P₂
Där:
• ΔP: Differenstryck;
• P₁: Högt-sidotryck;
• P₂: Lågt-sidotryck.
Till exempel, om inloppstrycket för en viss utrustning i en rörledning är 0,80 MPa och utloppstrycket är 0,65 MPa, är differenstrycket mellan de två punkterna:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Tecknet för differenstrycket beror på definitionen av hög- och lågtryckssidorna. När trycket på hög-sidan är högre än trycket på låga-sidan, är utgången positivt differenstryck; omvänt kan det visa sig som negativt differenstryck. Under valet och installationen av differenstrycktransmittrar är det därför nödvändigt att korrekt bekräfta överensstämmelsen mellan H- och L-gränssnitten och processrören.
2. Arbetsprincip för differentialtrycksmätning
En typiskdifferenstrycksgivarebestår huvudsakligen av tryckgränssnitt, isoleringsmembran, sensorkärna, signalbehandlingskretsar, temperaturkompensationsmoduler och utgångskretsar.
Processmedia går in på hög-sidan av högtryckssidan och låg-sidan av sändaren. Trycken på båda sidor verkar på det känsliga elementet genom isoleringssystemet, vilket gör att sensorn producerar fysiska förändringar relaterade till tryckskillnaden. Med hjälp av kapacitiv, piezoresistiv eller monokristallin kiseltryckavkänningsteknik som exempel, omvandlar sensorn denna mekaniska förändring till en elektrisk signal.
Efter analog-till-digitalkonvertering, digital filtrering, temperaturkompensation, linjärisering och kalibrering omvandlar instrumentet det uppmätta differenstrycket till en standardutgångssignal.
För en 4~20mA utgångsdifferenstrycksändare kan dess teoretiska utgång uttryckas som:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Till exempel, om differenstrycksmätområdet är 0~100kPa, när det faktiska differenstrycket är 50kPa, är den teoretiska uteffekten:
I=4 + 16 × 50/100=12mA
Därför kan styrsystemet härleda det faktiska differenstrycket baserat på sändarens utsignal.
3. Skillnaden mellan differenstryck och statiskt tryck
Ett mycket viktigt koncept vid differenstrycksmätning är "statiskt tryck".
Antag att det höga-sidotrycket är 10 MPa och det låga-sidotrycket är 9,9 MPa, då:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Vid denna tidpunkt, även om det uppmätta differenstrycket endast är 0,1 MPa, kan det faktiska statiska trycket som bärs av sändaren vara nära 10 MPa.
Därför måste differenstrycksgivaren inte bara uppfylla kravet på differenstryckintervallet utan också uppfylla kravet på maximalt statiskt arbetstryck.
Detta är också en av de viktiga skillnaderna mellan differenstrycksmätning och vanlig tryckmätning när det gäller val. För applikationer med högt statiskt tryck, lågt differenstryck, om endast differenstrycksområdet beaktas samtidigt som man ignorerar det statiska tryckets förmåga, kan det orsaka en betydande statisk tryckpåverkan på sensorn, och därigenom minska mätnoggrannheten.
II. Hur man verifierar tekniska parametrar för differenstryck
Mått
Valet av en differenstrycksgivare bör inte bara titta på "räckvidden" och "noggrannheten". I praktiska tillämpningar rekommenderas att systematiskt verifiera enligt följande parametrar.
1. Mätområde
Bestäm först det lägsta differenstrycket, det normala differenstrycket och det maximala differenstrycket som faktiskt kan förekomma i processsystemet.
Till exempel är det normala tryckfallet för ett visst filter under drift cirka 20 kPa, och det kan nå 80 kPa under igensatta förhållanden. Ett lämpligt differenstryckintervall kan väljas enligt processkrav.
Om intervallet är för stort kommer den faktiska arbetspunkten att ligga i det lägre intervallet under lång tid, vilket påverkar den effektiva mätupplösningen; om intervallet är för litet kan det överskrida intervallet under onormala driftsförhållanden.
2. Statiskt tryck
Statiskt tryck är en parameter som måste ägnas särskild uppmärksamhet vid val av differenstrycksgivare.
Till exempel:
• Differenstryckintervall: 0~10kPa
• Rörledningstryck: 4MPa
• Faktiskt differenstryck: 5kPa
Vid denna tidpunkt kan man inte helt enkelt överväga att instrumentet bara behöver uppfylla tryckkapaciteten på 10kPa; det är också nödvändigt att bekräfta att sändaren kan motstå ett statiskt arbetstryck på cirka 4MPa och kontrollera inverkan av statiskt tryck på nollpunkt och område.
3. Noggrannhet
Noggrannheten hos differenstrycksgivare uttrycks vanligtvis som en procentandel av full skala, såsom ±0,1%FS, ±0,075%FS, etc.
För en sändare med ett intervall på 0~100kPa och en noggrannhet på ±0,1%FS är det teoretiska grundfelets storlek:
100kPa × 0,1 %=±0,1kPa
Det bör noteras att det faktiska mätfelet också kan påverkas av faktorer som temperatur, statiskt tryck, installationsläge, impulsrör och långsiktig-stabilitet. Därför kan ingenjörsvalet bara jämföra ett "noggrannhetstal".
4. Överbelastningskapacitet och statiskt tryckpåverkan
Industriella anläggningar kan uppleva ventilfel, tryckfluktuationer, startchocker, etc., så det är nödvändigt att bekräfta transmitterns ensidiga-överbelastningskapacitet och maximala statiska tryck.
Speciellt vid hög statisk tryckdifferenstrycksmätning måste man också vara uppmärksam på nolldriften som orsakas av statiska tryckförändringar. Hög-sändare för differentialtryck minskar vanligtvis dessa effekter genom design av sensorstruktur och algoritmer för statisk tryckkompensation.
5. Temperatur och medelhöga förhållanden
Det är nödvändigt att kontrollera processtemperaturen, omgivningstemperaturen och om mediet är frätande, trögflytande, kristalliserande eller innehåller fasta partiklar.
För media med hög- temperatur kan inverkan av processtemperatur på sändaren minskas genom kondensatkärl, kylflänsar eller fjärrtätningar; för frätande media är det nödvändigt att välja lämpligt membran och fuktade material baserat på mediets natur, såsom 316L, Hastelloy, Tantal, etc.
6. Output och kommunikationsmetoder
Vanliga utgångar inkluderar:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Andra digitala kommunikationsmetoder.
För traditionella DCS- och PLC-system har 4~20mA fortfarande hög fälttillämpbarhet; för system som kräver fjärrparameterinställning, diagnostik och underhåll kan produkter med HART-kommunikationsfunktioner övervägas.
III. Vilka är tillämpningarna av differentialtrycksmätning?
Det största kännetecknet för differenstrycksmätning är att den kan erhålla andra processparametrar genom tryckskillnaden, så dess tillämpningsområde överstiger vida den enkla "tryckskillnadsdetekteringen".
1. Rörledningsflödesmätning
Differentialtrycksflödesmätning är en av de klassiska tillämpningarna inom industriell processmätning.
När vätska passerar genom strypanordningar som öppningsplattor, munstycken eller venturirör, ändras vätskehastigheten, vilket skapar en tryckskillnad före och efter strypanordningen. Enligt vätskemekaniska relationer finns det ett visst samband mellan flödeshastigheten och kvadratroten av differentialtrycket:
Q ∝ √ΔP
Under idealiska förhållanden kan det uttryckas som:
Q = C√ΔP
Där Q är flödeshastigheten och C är en heltäckande koefficient relaterad till mediets natur, rörledningsstruktur och strypanordning.
Genom att mäta differentialtrycket före och efter strypanordningen kan därför rörledningens flödeshastighet beräknas indirekt.
I verklig konstruktion måste faktorer som medeldensitet, temperatur, tryck, Reynolds nummer, strypanordningens struktur och installationsförhållanden också beaktas. Därför kräver hög-exakt flödesmätning vanligtvis kompensation av relaterade parametrar.
2. Vätskenivåmätning
Differenstrycktransmittrar kan också användas för att mäta tankvätskenivåer med hjälp av trycket som genereras av vätskekolonnen.
Det grundläggande förhållandet för vätskekolonntrycket är:
ΔP=ρgh
Där:
• ρ är vätskedensiteten;
• g är accelerationen på grund av gravitationen;
• h är vätskenivåns höjd.
Därför, när densiteten är relativt stabil, kan vätskenivån beräknas genom att mäta differenstrycket som genereras av vätskekolonnen.
För öppna tankar kan vätskenivån vanligtvis mätas med hjälp av förhållandet mellan trycket i botten av tanken och atmosfärstrycket; för slutna tankar måste även gasfastrycket i toppen av tanken beaktas, så endifferenstrycksgivareanvänds vanligtvis för att ansluta till botten respektive toppen av tanken.
I tankar med hög temperatur, högt vakuum eller flyktiga medier måste faktorer som kondensat, densitetsförändringar och avlägsna tätningar övervägas ytterligare.
3. Filterdifferentialtryckövervakning
Under normal filterdrift ger filtermediet en viss tryckförlust. När filterelementet gradvis täpps till kommer tryckskillnaden mellan fram- och baksidan att öka kontinuerligt.
Därför kan tryckkranar installeras vid filterinloppet respektive -utloppet för att övervaka i realtid- genom en differenstrycksgivare:
ΔP=P_inlopp − P_outlet
När differenstrycket når det inställda värdet kan styrsystemet avge ett larm för att påminna underhållspersonal om att kontrollera eller byta filterelementet.
Denna metod används i stor utsträckning i luftfiltrering, vätskefiltrering, olje- och gasbearbetning och industriella dammborttagningssystem.
4. Driftövervakning av pump, fläkt och kompressor
I utrustning som pumpar, fläktar och kompressorer kan inlopps-utloppsdifferenstrycket fungera som en av de viktiga parametrarna för att bedöma utrustningens driftstatus.
Till exempel kan övervakning av tryckskillnaden mellan pumpens inlopp och utlopp hjälpa till att bedöma pumpens drifttillstånd; i gastransportsystem kan förändringar i differenstrycket före och efter fläktar eller kompressorer också användas för driftstatusövervakning.
Det bör noteras att utrustningens differenstryck inte enbart kan representera utrustningens hälsostatus. I tekniska applikationer är det vanligtvis nödvändigt att kombinera parametrar som flödeshastighet, temperatur, vibration och ström för en omfattande bedömning.
5. Rengör system och ventilationssystem
I renrum, laboratorier, läkemedelsverkstäder och luftbehandlingssystem behöver en viss tryckgradient upprätthållas mellan olika områden.
Genom att använda differentialtrycksgivare för att mäta tryckskillnaden mellan två områden kan det fastställas om det rena området hålls vid det specificerade trycktillståndet.
Till exempel, i rena områden som behöver upprätthålla positivt tryck, kan tryckskillnaden mellan rummet och angränsande områden övervakas; på vissa ställen som kräver undertryckskontroll kan differentialtryckssignalen användas för att bedöma undertryckstillståndet.
6. Lufttäthet och läckagedetektering
Inom områden som precisionstillverkning, bildelar, ventilkopplingar och medicinsk utrustning kan differentialtrycksmätning också användas för lufttäthetstestning.
Under testprocessen laddas ett visst tryck av testgas in i testobjektet och genom att övervaka tryckförändringen före och efter testet kan man avgöra om testobjektet har läckor.
För lågt differenstryck och mikro-läckagedetektering ställs vanligtvis högre krav på differenstrycksensorns upplösning, stabilitet, temperaturkompensation och svarshastighet.
IV. Nyckeltekniska frågor vid differentialtrycksmätning
Differentialtrycksmätning kan tyckas enkel, men det finns flera påverkande faktorer i verkliga tekniska tillämpningar.
Först är impulsrörsystemet. Längden, innerdiametern, installationshöjden på impulsledningarna och om det finns luftbubblor, vätskeansamling eller partikelavlagring inuti ledningarna kan påverka mätresultaten. För flytande media är det nödvändigt att undvika att gas kommer in i impulsledningarna; för gasmedier är det nödvändigt att undvika kondensatackumulering.
För det andra är installationsmetoden. Hög- och lågtryckssidorna på differenstryckstransmittern måste vara korrekt anslutna till processrören, och ett rimligt tryckuttagsläge bör väljas baserat på medeltillståndet. För media som hög-temperaturånga är det också nödvändigt att använda kondensat för att bilda en vätskeförsegling för att förhindra att hög-temperaturmediet kommer direkt in i sändaren.
För det tredje är temperatureffekten. Själva sensorn har temperaturegenskaper, och förändringar i medeltemperatur kan också orsaka densitetsförändringar. Därför kräver hög-precisionsdifferentialtrycksmätning vanligtvis temperaturkompensation, och vissa flödes- och vätskenivåapplikationer kräver ytterligare densitetskompensation.
Dessutom, för applikationer med högt statiskt tryck, lågt differenstryck, måste särskild uppmärksamhet ägnas åt statiskt tryckpåverkan, överbelastningskapacitet och nollpunktsstabilitet.- Till exempel, vid mätning av ett litet differenstryck på några kPa under rörledningstryck på flera MPa eller till och med högre, måste givaren inte bara klara högt statiskt tryck utan även noggrant lösa mycket små differenstrycksförändringar, vilket ställer högre krav på givarens struktur och signalbehandlingsteknik.
V. Sammanfattning
Kärnan i differentialtrycksmätning är att exakt erhålla tryckskillnaden mellan två tryckpunkter, med grundformeln ΔP=P₁−P₂. Genom denna grundläggande parameter kan mätningar av olika industriella parametrar såsom flödeshastighet, vätskenivå, filterdifferenstryck, utrustningens driftstatus och lufttäthet realiseras ytterligare.
I verklig teknik, valet avdifferenstrycksgivarebör inte bara fokusera på mätområdet och noggrannheten utan också överväga statiskt tryck, överbelastningskapacitet, statiskt tryckpåverkan, temperaturområde, mediumegenskaper, fuktade material, impulslinjemetod, utsignal och installationsförhållanden.
Med den kontinuerliga utvecklingen av industriell automation och processkontrollsystem utvecklas differentialtrycksmätning från traditionell enstaka-parameterdetektering till hög precision, digitalisering och intelligent diagnostik. För komplexa industriella driftsförhållanden kommer sensorteknik, temperaturkompensation, statisk tryckkompensation och digital signalbehandling direkt att påverka den långsiktiga stabiliteten och praktiska tillämpningseffektiviteten hos differentialtrycksmätningssystemet.
