Как датчик DP измеряет расход? Принцип, формула и практическое руководство

Наиболее важными отношениями являются:

ΔP ∝ Q², поэтому Q ∝ √ΔP

Другими словами, перепад давления изменяется примерно пропорционально квадрату расхода. Поэтому датчик DP сначала измеряет давление; поток выводится из этой разницы давлений. Если вы хотите получить более широкое представление о самом инструменте, ознакомьтесь с этим обзоромдатчики давленияи этодатчик перепада давлениястраница.

Что на самом деле измеряет передатчик DP?

Датчик DP имеет сторону высокого-давления и сторону низкого-давления. Он измеряет разницу между этими двумя давлениями:

ΔP = P1 − P2

Если преобразователь подключен к правильно спроектированному первичному элементу измерения расхода, измеренный перепад давления имеет известную связь с расходом.

Это различие имеет значение, поскольку преобразователь сам по себе не обеспечивает измерение расхода. Полная система потока DP обычно включает в себя:

• первичный элемент, создающий перепад давления;
• краны давления, которые измеряют давление вверх и вниз по потоку;
• импульсные линии или устройство прямого-монтажа, передающее это давление на преобразователь;
• датчик DP, измеряющий разницу давлений; и
• преобразователь, ПЛК, РСУ или компьютер расхода, который преобразует перепад давления в требуемую переменную расхода.

Более широкая взаимосвязь между давлением и расходом обсуждается в этом руководстве посоотношение расхода-скорости и давления.

Как работает измерение расхода по перепаду давления, шаг за шагом

1. Первичный элемент меняет проходное сечение.

Рассмотрим обычную диафрагму. Его внутренний диаметр меньше диаметра трубы, поэтому доступная площадь потока уменьшается по мере прохождения жидкости через ограничение.

Тот же общий принцип измерения можно реализовать и с другими первичными элементами. Геометрия различается, но каждое устройство предназначено для создания разницы давлений, которая может быть связана с расходом при определенных условиях.

2. Увеличение скорости жидкости и падение статического давления.

Когда жидкость ускоряется через ограниченную область, ее скорость увеличивается, а статическое давление уменьшается. Таким образом, давление перед ограничителем выше, чем давление в соответствующей точке отбора ниже по потоку.

Это перепад давления, измеряемый преобразователем.

3. Датчик измеряет давление на стороне высокого-и низкого-стороны.

Отвод вверх по потоку обычно подсоединяется к порту высокого-давления, а отвод ниже по потоку — к порту низкого-давления. Преобразователь воспринимает разницу, а не рассматривает два давления как независимые измерения расхода.

По мере увеличения расхода ограничение создает больший перепад давления. Однако связь нелинейная.

4. Дифференциальное давление преобразуется в расход.

Для традиционного измерения расхода-давления:

ΔP ∝ Q²

Поэтому:

Q ∝ √ΔP

Вычисление квадратного-корня можно выполнить внутри преобразователя или в РСУ, ПЛК или компьютере расхода. Техническое руководство Yokogawa поизвлечение квадратного-корня в приложениях потока DPотмечает, что можно использовать любое местоположение, но точка расчета должна быть четко определена.

Почему квадратная-корневая связь имеет значение

Легко предположить, что 50% дифференциального давления означает 50% расхода. Это неверно для обычного соотношения потоков DP.

Если измеренное перепад давления составляет 25 % от расчетного перепада давления, соответствующий расход составляет примерно 50 % от расчетного расхода, при условии, что другие переменные в расчете остаются неизменными.

Эта взаимосвязь также объясняет, почему нижний предел диапазона расхода DP заслуживает внимания. При расходе 25 % преобразователь уже измеряет только 6,25 % от полного-перепада давления. Когда поток приближается к нулю, шум давления, смещение нуля, небольшие колебания процесса и эффекты импульсной линии становятся все более значимыми по сравнению с измеряемым сигналом.

Отсечка при низком-расходе – это не просто настройка дисплея

Извлечение квадратного-корня обеспечивает высокий коэффициент усиления, близкий к нулевому перепаду давления. Поэтому небольшие колебания перепада давления могут создать заметно нестабильный расчетный расход. Yokogawa описывает такое поведение в своем руководстве понизкий-выходной сигнал для потока DP, а компания Emerson также рекомендует отсечку при низком-расходе в соответствующих конфигурациях преобразователя для стабилизации выходного сигнала в условиях очень низкого-расхода или его отсутствия.

Отрезок не следует выбирать произвольно. Он должен отражать преобразователь, первичный элемент, технологический шум, требуемый рабочий диапазон и потребность приложения отличать действительно низкий расход от шума нулевого-расхода.

Что такое формула потока DP?

Полезное концептуальное выражение:

Q = K × √(ΔP / ρ)

где:

• Q– объемный расход;
• ΔP– перепад давления;
• ρ– плотность жидкости; и
• Kпредставляет соответствующие характеристики первичного элемента и расчета.

Это концептуальная взаимосвязь, а не универсальное уравнение определения размера.

Расчеты расхода при реальном перепаде-давления также могут включать геометрию первичного-элемента, диаметр отверстия, диаметр трубы, соотношение диаметров, коэффициент расхода, число Рейнольдса, расположение отводов давления и, для сжимаемых жидкостей, коэффициент расширения.

ОфициальныйИСО 5167-1:2022Стандарт определяет общие принципы измерения расхода с помощью устройств-перепада давления, включая диафрагмы, сопла, трубки Вентури, конусные расходомеры и клиновые расходомеры. Он также определяет требования к установке и неопределенности. Заявленный объем применим к полному трубопроводу, дозвуковому потоку через измерительную секцию, жидкости, которую можно рассматривать как однофазную, и не-пульсирующему потоку.

В частности, для диафрагм.ИСО 5167-2:2022учитывает геометрию, установку, условия эксплуатации и указанное расположение-отводов давления.

Простой пример потока данных от-к-потоку

Предположим, что система спроектирована так, что максимально необходимый расход соответствует перепаду давления в 100 единиц давления. Датчик в настоящее время измеряет 36 единиц давления.

Нормализованный DP равен:

36 / 100 = 0.36

Нормализованный поток:

√0.36 = 0.60

Таким образом, указанный расход составляет примерно 60 % от настроенного максимального расхода при условии, что предполагаемая жидкость и условия эксплуатации остаются действительными.

В этом примере показано только преобразование квадратного-корня. Он не заменяет определение размеров основного-элемента или стандартный-расчет расхода.

Какой первичный элемент следует использовать?

Передатчик измеряет перепад давления, но первичный элемент определяет, как генерируется перепад давления. Таким образом, выбор первичного элемента является частью конструкции расходомера, а не отдельной второстепенной задачей.

Вентури может быть привлекательным, когда важна постоянная потеря давления. Более подробную информацию об этой опции см. в руководстве поПреимущества и недостатки расходомера Вентури. Существующие установки Вентури также могут вызывать проблемы,-специфичные для приложений, описанные в этом обзореПроблемы и решения расходомера Вентури.

Выбор лучшего первичного элемента зависит от свойств жидкости, размера трубы, диапазона расхода, давления, температуры, допустимой постоянной потери давления, места для установки, условий технического обслуживания и применимого стандарта измерений.

Как жидкости, газы и пар меняют результаты измерений

Жидкости

Для жидкостей с относительно стабильной-плотностью взаимосвязь между перепадом давления-и-расходом может быть сравнительно простой. Однако установка по-прежнему важна. Газ, попавший в импульсную линию, частично заблокированные краны давления, утечки или перепад высот могут привести к ложному перепаду давления.

Жидкость также должна соответствовать предположениям, использованным при определении размеров первичного элемента. Значимое изменение плотности меняет взаимосвязь между измеренным перепадом давления и расчетным расходом.

Газы

Плотность газа может существенно меняться в зависимости от рабочего давления и температуры. Таким образом, данный DP не всегда представляет один и тот же массовый расход при изменении условий газа.

Приложения, требующие компенсированного расхода, могут использовать дифференциальное давление вместе со статическим давлением, температурой и информацией о-свойствах жидкости. Различие между измерением объема и массы обсуждается далее в этой статье.направляющая для массового расхода и объемного расхода.

Если прямое измерение массы газа более целесообразно, чем система DP,массовый расходомер газавозможно стоит сравнить для подходящих приложений.

Пар

Установки Steam DP требуют особого внимания к импульсному трубопроводу и состоянию конденсата. Неравный напор жидкости на стороне высокого и низкого давления может создать искусственный перепад давления, который преобразователь не сможет отличить от перепада давления технологического процесса.

Плотность также меняется в зависимости от условий пара, поэтому для компенсированного массового расхода может потребоваться информация о давлении и температуре. Если рассматривается другой принцип измерения,расходомер параоснованное на измерении вихрей, дает одну полезную точку сравнения.

Где следует вычислять квадратный корень?

Преобразование квадратного-корня можно выполнить в нескольких местах:

• внутри передатчика DP;
• в ПЛК или РСУ; или
• внутри специального компьютера расхода.

Нет смысла применять его дважды. Если датчик уже отправляет выходной сигнал, пропорциональный расходу, а система управления применяет другую функцию квадратного-корня, окончательное значение будет неправильным.

Возникает и противоположная ошибка: передатчик отправляет линейный DP, в то время как принимающая система обрабатывает этот сигнал как линейный поток.

Во время ввода в эксплуатацию задокументируйте, представляет ли каждая передаваемая переменная исходный перепад давления или расчетный расход. ЭмерсонаДокументация по конфигурации расхода 4051Sприведен пример преобразования-квадратного-корня преобразователя и конфигурации отсечки низкого-расхода.

Калибровка — это не то же самое, что проверка точности расхода

Это различие является одним из наиболее важных в контуре потока DP.

Техник может применить известные дифференциальные давления и убедиться, что преобразователь измеряет их правильно. Это подтверждает измерение давления. Это не доказывает, что вся установленная система рассчитывает правильный расход.

Полная проверка должна учитывать:

• основные-типы и размеры элементов;
• правильные размеры отверстия и трубы;
• расположение крана давления-;
• состояние импульсной-линии;
• ноль преобразователя и диапазон DP;
• конфигурация квадратного-корня;
• масштабирование РСУ или ПЛК;
• плотность жидкости и компенсационные входы;
• инженерные подразделения; и
• состояние установленного трубопровода вокруг первичного элемента.

Общие методы калибровки описаны в этихлучшие практики калибровки расходомера. Для регулярного ухода за инструментами см. рекомендации сайта пообслуживание преобразователя давленияобеспечивает дополнительный контекст обслуживания.

Почему точный датчик перепада давления все еще может давать неправильный расход

Точность преобразователя — это лишь часть производительности-системы измерения расхода. Окончательный расчетный поток также зависит от качества данных первичного-элемента, предположений о свойствах-процесса, установки и конфигурации сигнала.

Например, точно откалиброванный датчик все равно будет сообщать ошибочные данные о расходе, если одна импульсная линия частично заблокирована. Аналогично, точное измерение перепада давления не может исправить неправильно введенный размер отверстия первичного-элемента или плотность жидкости.

Вот почему характеристики преобразователя не следует рассматривать как характеристики точности всей системы измерения расхода DP. ISO 5167 прямо включает определение неопределенности измерения как часть более широкого метода измерения, а не рассматривает датчик давления как единственный источник неопределенности.

Распространенные проблемы с потоком DP и что проверить в первую очередь

Неисправности импульсной-линии заслуживают особого внимания, поскольку датчик знает только давление, подаваемое на его порты. Он не может автоматически определить, что линия давления протекает или засорена, если только конкретный преобразователь не оснащен подходящей диагностической системой.

Когда измерение расхода по перепаду давления является хорошим выбором?

Измерение перепада давления остается практичным для многих промышленных систем с жидкостями, газами и паром, особенно там, где в процессе уже используются стандартизированные первичные элементы, а персонал завода знаком с приборами для измерения давления.

Это не является автоматически лучшей технологией для каждой услуги. Сравнивайте альтернативы, когда приложение уделяет первостепенное внимание очень низким постоянным потерям давления, прямому измерению массы, трудно проводящим жидкостям, не-интрузивным измерениям или более широкому полезному диапазону измерения, чем может обеспечить предлагаемая система DP.

Полезные точки сравнения включают в себявихревые расходомерыдля подходящего пара и технологических-жидкостей,тепловые массовые расходомерыдля соответствующих газов иэлектромагнитные расходомерыдля проводящих жидкостей.

Выбор следует начинать с условий процесса и цели измерения, а не с предпочтительной технологии преобразователя.

Часто задаваемые вопросы

Измеряет ли преобразователь DP напрямую поток?

Нет. Он напрямую измеряет перепад давления. Скорость потока определяется на основе перепада давления, создаваемого первичным элементом, и параметров расчета, используемых измерительной системой.

Почему для определения расхода используется квадратный корень из DP?

Потому что перепад давления на обычном первичном элементе изменяется примерно пропорционально квадрату расхода. Если ΔP пропорционально Q², то Q пропорционально √ΔP.

Соответствует ли 50% DP 50% расходу?

Нет. Согласно базовому квадратичному-корневому соотношению 25 % расчетного перепада давления соответствует примерно 50 % расчетного расхода. И наоборот, 50% DP соответствует примерно 70,7% потока.

Может ли преобразователь DP измерять как жидкости, так и газы?

Да, при условии, что весь первичный-элемент и система передатчика подходят для данного применения. Измерение газа часто требует дополнительного внимания к давлению, температуре, плотности и сжимаемости.

Можно ли использовать преобразователь DP без диафрагмы?

Да. Диафрагмы представляют собой только один тип первичного элемента. В зависимости от конструкции также можно использовать трубки Вентури, сопла, конусные расходомеры, клиновые расходомеры, устройства усреднения давления и другие подходящие элементы, создающие перепад давления-.

Следует ли выполнять извлечение квадратного-корня в преобразователе или РСУ?

Любой из них может быть действительным. Важно то, чтобы место расчета было задокументировано и извлечение квадратного-корня выполнялось один раз, а не одновременно в передатчике и приемной системе.

Почему сигнал расхода DP становится нестабильным при низком расходе?

Поскольку создаваемый перепад давления становится очень малым, а извлечение квадратного-корня имеет высокий коэффициент усиления, близкий к нулю. Таким образом, технологический шум, небольшие колебания перепада давления и нулевые ошибки могут привести к относительно большим изменениям в расчетном расходе.

Соответствует ли точность преобразователя точности расхода?

Нет. Неопределенность измерения расхода может также включать первичный элемент, размеры, характеристики нагнетания, плотность технологического процесса, входы давления и температуры, установку, отводы для измерения давления, импульсные линии и конфигурацию расчета.

Заключение

Преобразователь DP измеряет расход, определяя разницу давлений, возникающую на первичном элементе измерения расхода, и преобразует это значение в расход посредством квадратичного-корневого соотношения.

Основная цепочка измерений такова:

Расход → первичный элемент → перепад давления → преобразователь перепада давления → расчет расхода

Передатчик — лишь одна часть этой цепочки. Надежное измерение расхода по перепаду давления зависит от правильного размера первичного-элемента, соответствующего отвода давления, звукового импульсного трубопровода, точных предположений о-свойствах процесса, правильной конфигурации квадратного-корня и правильного ввода в эксплуатацию.

Для инженерных работ используйте упрощенную формулу квадратного-корня, чтобы понять принцип, но при проектировании или проверке контура измерения используйте применимый стандарт, утвержденные данные о размерах, документацию преобразователя и фактические условия процесса. Именно это различие между пониманием принципа и проверкой всей системы предотвращает превращение очевидно правильного сигнала DP в неправильное значение расхода.