كيف يقوم جهاز إرسال DP بقياس التدفق؟ المبدأ والصيغة والدليل العملي

العلاقة الأهم هي:

ΔP ∝ Q²، إذن Q ∝ √ΔP

بمعنى آخر، يتغير الضغط التفاضلي تقريبًا مع مربع التدفق. وبالتالي فإن جهاز إرسال DP يقيس الضغط أولاً؛ يتم استنتاج التدفق من اختلاف الضغط. إذا كنت تريد مقدمة أوسع للأداة نفسها، راجع هذه النظرة العامة حولمرسلات الضغطوهذاالارسال الضغط التفاضليصفحة.

ما الذي يقيسه جهاز إرسال DP فعليًا؟

يحتوي جهاز إرسال DP على جانب ضغط -عالي وجانب ضغط منخفض-. ويقيس الفرق بين هذين الضغطين:

ΔP = P1 − P2

إذا كان جهاز الإرسال متصلاً عبر عنصر تدفق أولي مصمم بشكل صحيح، فإن الضغط التفاضلي المقاس له علاقة معروفة بالتدفق.

هذا التمييز مهم لأن جهاز الإرسال وحده لا يقوم بإنشاء قياس التدفق. يتضمن نظام تدفق DP الكامل عادةً ما يلي:

• العنصر الأساسي الذي يخلق الضغط التفاضلي.
• صنابير الضغط التي تستشعر الضغط عند المنبع والمصب؛
• خطوط النبض أو ترتيب التثبيت المباشر- الذي ينقل تلك الضغوط إلى جهاز الإرسال؛
• جهاز إرسال DP يقيس فرق الضغط؛ و
• جهاز إرسال أو PLC أو DCS أو كمبيوتر تدفق يحول DP إلى متغير التدفق المطلوب.

تمت مناقشة العلاقة الأوسع بين الضغط والتدفق في هذا الدليلعلاقة التدفق-بالمعدل والضغط.

كيف يعمل قياس التدفق DP خطوة بخطوة

1. العنصر الأساسي يغير منطقة التدفق

خذ بعين الاعتبار لوحة الفتحة التقليدية. تجويفه أصغر من قطر الأنبوب، وبالتالي تقل مساحة التدفق المتاحة مع مرور السائل عبر القيد.

يمكن تنفيذ نفس مبدأ القياس العام مع العناصر الأساسية الأخرى. تختلف الأشكال الهندسية، لكن كل جهاز مصمم لإنتاج فرق ضغط يمكن أن يكون مرتبطًا بالتدفق في ظل ظروف محددة.

2. تزداد سرعة السوائل وينخفض ​​الضغط الثابت

عندما يتسارع السائل عبر المنطقة المقيدة، تزداد سرعته وينخفض ​​ضغطه الساكن. وبالتالي فإن الضغط عند المنبع للقيود يكون أعلى من الضغط عند نقطة النقر المناسبة عند المصب.

هذا هو الضغط التفاضلي الذي يقاسه جهاز الإرسال.

3. يقيس جهاز الإرسال الضغط الجانبي العالي- والضغط الجانبي المنخفض-.

عادةً ما يتم توصيل النقر من أعلى إلى منفذ -الضغط العالي والنقر من أسفل إلى منفذ الضغط-المنخفض. يستشعر المرسل الفرق بدلاً من التعامل مع الضغطين كقياسات تدفق مستقلة.

مع زيادة التدفق، ينتج عن التقييد ضغط تفاضلي أكبر. لكن العلاقة غير خطية.

4. يتم تحويل الضغط التفاضلي إلى التدفق

بالنسبة لقياس تدفق الضغط التفاضلي-التقليدي:

ΔP ∝ Q²

لذلك:

Q ∝ √ΔP

يمكن إجراء حساب الجذر التربيعي- داخل جهاز الإرسال أو في DCS أو PLC أو كمبيوتر التدفق. التوجيه الفني لـ Yokogawa بشأناستخراج الجذر التربيعي-في تطبيقات تدفق DPيلاحظ أنه يمكن استخدام أي من الموقعين، ولكن يجب تحديد نقطة الحساب بوضوح.

سبب أهمية العلاقة الجذرية-المربعة

من السهل الافتراض أن الضغط التفاضلي بنسبة 50% يعني التدفق بنسبة 50%. وهذا غير صحيح بالنسبة لعلاقة تدفق DP التقليدية.

إذا كان DP المقاس هو 25% من DP التصميم، فإن التدفق المقابل يكون حوالي 50% من تدفق التصميم، على افتراض أن المتغيرات الأخرى في الحساب تظل دون تغيير.

تشرح هذه العلاقة أيضًا سبب استحقاق النهاية المنخفضة لنطاق تدفق DP للاهتمام. عند تدفق بنسبة 25%، يقوم جهاز الإرسال بالفعل بقياس 6.25% فقط من مقياس DP الكامل-. مع اقتراب التدفق من الصفر، تصبح ضوضاء الضغط والإزاحة الصفرية وتقلبات العمليات الصغيرة وتأثيرات الخط النبضي - ذات أهمية متزايدة بالنسبة للإشارة المقاسة.

انخفاض-قطع التدفق ليس مجرد إعداد للعرض

يتمتع استخراج الجذر التربيعي-بكسب مرتفع يقترب من صفر ضغط تفاضلي. وبالتالي يمكن أن تؤدي تقلبات DP الصغيرة إلى إنشاء تدفق محسوب غير مستقر بشكل واضح. تصف يوكوجاوا هذا السلوك في توجيهاتها بشأنمخرجات منخفضة-لتدفق DP، بينما توصي Emerson أيضًا بخفض التدفق-بشكل منخفض في تكوينات جهاز الإرسال ذات الصلة لتحقيق استقرار الإخراج في ظل ظروف التدفق المنخفضة جدًا أو المعدومة-.

لا ينبغي اختيار القطع بشكل تعسفي. ويجب أن يعكس جهاز الإرسال والعنصر الأساسي وضوضاء العملية ونطاق التشغيل المطلوب وحاجة التطبيق إلى التمييز بين التدفق المنخفض الحقيقي وضوضاء التدفق الصفرية-.

ما هي صيغة التدفق DP؟

التعبير المفاهيمي المفيد هو:

Q = K × √(ΔP / ρ)

أين:

• Qهو معدل التدفق الحجمي.
• ΔPهو الضغط التفاضلي.
• ρهي كثافة السوائل. و
• Kيمثل الخصائص ذات الصلة للعنصر الأساسي والحساب.

هذه علاقة مفاهيمية، وليست معادلة تحجيم عالمية.

قد تتضمن حسابات تدفق الضغط التفاضلي الحقيقي- أيضًا هندسة العنصر الأساسي-، وقطر التجويف، وقطر الأنبوب، ونسبة القطر، ومعامل التفريغ، ورقم رينولدز، وترتيب الضغط، وعامل التمدد بالنسبة للسوائل القابلة للضغط.

المسؤولأيزو 5167-1:2022يحدد المعيار المبادئ العامة لقياس التدفق باستخدام أجهزة تفاضلية الضغط-بما في ذلك لوحات الفتحات، والفوهات، وأنابيب الفنتوري، وأجهزة القياس المخروطية، وأجهزة القياس الإسفينية. كما أنه يحدد متطلبات التثبيت وعدم اليقين. وينطبق نطاقه المعلن على القناة الكاملة، والتدفق دون سرعة الصوت عبر قسم القياس، والسوائل التي يمكن معاملتها على أنها مرحلة واحدة، والتدفق غير-النابض.

بالنسبة للوحات الفتحة على وجه التحديد،آيزو 5167-2:2022يتناول الشكل الهندسي والتركيب وظروف التشغيل وترتيبات الضغط المحددة-.

مثال بسيط لتدفق البيانات-إلى-التدفق

لنفترض أن النظام مصمم بحيث يتوافق الحد الأقصى للتدفق المطلوب مع ضغط تفاضلي قدره 100 وحدة ضغط. يقوم جهاز الإرسال حاليًا بقياس 36 وحدة ضغط.

DP الطبيعي هو:

36 / 100 = 0.36

التدفق الطبيعي هو:

√0.36 = 0.60

وبالتالي فإن التدفق المشار إليه يبلغ حوالي 60% من الحد الأقصى للتدفق المحدد، بشرط أن تظل ظروف السائل والتشغيل المفترضة صالحة.

يوضح هذا المثال تحويل الجذر التربيعي-فقط. وهو ليس بديلاً عن تحديد حجم العنصر الأساسي- أو حساب التدفق القياسي المتوافق مع-.

ما هو العنصر الأساسي الذي يجب استخدامه؟

يقيس جهاز الإرسال DP، لكن العنصر الأساسي يحدد كيفية إنشاء DP هذا. وبالتالي فإن اختيار العنصر الأساسي هو جزء من تصميم مقياس التدفق، وليس فكرة لاحقة منفصلة.

يمكن أن يكون فنتوري جذابًا عندما يكون فقدان الضغط الدائم مهمًا. لمزيد من التفاصيل حول هذا الخيار، راجع الدليلمزايا وعيوب مقياس التدفق الفنتوري. يمكن أيضًا أن تؤدي عمليات تثبيت Venturi الحالية إلى ظهور مشكلات خاصة بالتطبيقات-، والتي يتم تناولها في هذه النظرة العامة حولمشاكل وحلول جهاز قياس الفنتوري.

يعتمد العنصر الأساسي الأفضل على خصائص السائل، وحجم الأنبوب، ونطاق التدفق، والضغط، ودرجة الحرارة، وفقدان الضغط الدائم المسموح به، ومساحة التركيب، وظروف الصيانة، ومعيار القياس المطبق.

كيف تغير السوائل والغازات والبخار القياس

السوائل

بالنسبة للسوائل ذات الكثافة-المستقرة نسبيًا، يمكن أن تكون علاقة التدفق DP-إلى-التدفق واضحة نسبيًا. ومع ذلك، يظل التثبيت مهمًا. الغاز المحصور في خط النبض، أو صنابير الضغط المسدودة جزئيًا، أو التسرب، أو عدم توازن الارتفاع يمكن أن يؤدي إلى ضغط تفاضلي زائف.

يجب أن يتطابق السائل أيضًا مع الافتراضات المستخدمة عندما تم تحديد حجم العنصر الأساسي. يؤدي تغيير الكثافة إلى تغيير العلاقة بين DP المقاسة والتدفق المحسوب.

الغازات

يمكن أن تتغير كثافة الغاز بشكل كبير مع ضغط التشغيل ودرجة الحرارة. وبالتالي فإن DP المعطى لا يمثل دائمًا نفس تدفق الكتلة عندما تتغير ظروف الغاز.

قد تستخدم التطبيقات التي تتطلب تدفقًا معوضًا الضغط التفاضلي مع معلومات الضغط الثابت ودرجة الحرارة ومعلومات خصائص السائل. تمت مناقشة التمييز بين القياس الحجمي والكتلي بشكل أكبر في هذادليل التدفق الشامل مقابل تدفق الحجم.

إذا كان قياس كتلة الغاز المباشر أكثر ملاءمة من نظام DP، أمقياس تدفق كتلة الغازقد يكون من المفيد المقارنة مع التطبيقات المناسبة.

بخار

تتطلب تركيبات Steam DP اهتمامًا خاصًا بظروف الأنابيب والمكثفات. يمكن أن تؤدي رؤوس السائل غير المتساوية على الجانبين العلوي والسفلي إلى خلق ضغط تفاضلي اصطناعي لا يمكن لجهاز الإرسال تمييزه عن عملية DP.

تتغير الكثافة أيضًا مع ظروف البخار، لذلك قد يتطلب تدفق الكتلة المعوض معلومات عن الضغط ودرجة الحرارة. عندما يكون هناك مبدأ قياس مختلف قيد النظر، أمقياس تدفق البخارعلى أساس قياس دوامة يوفر نقطة واحدة مفيدة للمقارنة.

أين يجب حساب الجذر التربيعي؟

يمكن إجراء تحويل الجذر التربيعي-في عدة أماكن:

• داخل جهاز إرسال DP؛
• في PLC أو DCS؛ أو
• داخل جهاز كمبيوتر التدفق المخصص.

ليس هناك فائدة من تطبيقه مرتين. إذا أرسل جهاز الإرسال بالفعل مخرجات متناسبة مع التدفق وقام نظام التحكم بتطبيق دالة جذر تربيعي - أخرى، فستكون القيمة النهائية غير صحيحة.

يحدث الخطأ المعاكس أيضًا: يرسل جهاز الإرسال DP خطيًا بينما يعامل نظام الاستقبال تلك الإشارة على أنها تدفق خطي.

أثناء التشغيل، قم بتوثيق ما إذا كان كل متغير منقول يمثل الضغط التفاضلي الخام أو التدفق المحسوب. إيمرسون4051S وثائق تكوين التدفقيوفر مثالاً على -تحويل الجذر التربيعي-المعتمد على جهاز الإرسال وتكوين قطع التدفق المنخفض-.

المعايرة ليست مثل التحقق من دقة التدفق

يعد هذا التمييز أحد أهم الفروق في حلقة تدفق DP.

يمكن للفني تطبيق ضغوط تفاضلية معروفة والتأكد من أن جهاز الإرسال يقيسها بشكل صحيح. الذي يتحقق من قياس الضغط. ولا يثبت أن النظام المثبت بالكامل يقوم بحساب التدفق الصحيح.

يجب أن يأخذ التحقق الكامل في الاعتبار ما يلي:

• نوع العنصر الأساسي- وبيانات الحجم؛
• أبعاد التجويف والأنابيب الصحيحة؛
• ترتيب الضغط-النقر؛
• دفعة-حالة السطر؛
• جهاز الإرسال صفر ونطاق DP ؛
• تكوين الجذر التربيعي -؛
• تحجيم DCS أو PLC ؛
• كثافة السوائل ومدخلات التعويض؛
• الوحدات الهندسية و
• ظروف الأنابيب المثبتة حول العنصر الأساسي.

يتم تناول ممارسات المعايرة العامة في هذهأفضل الممارسات لمعايرة مقياس التدفق. للعناية الروتينية بالأدوات، إرشادات الموقع علىصيانة جهاز إرسال الضغطيوفر سياق صيانة إضافي.

لماذا لا يزال بإمكان جهاز إرسال DP الدقيق إعطاء التدفق الخاطئ

تعد دقة جهاز الإرسال جزءًا واحدًا فقط من أداء نظام التدفق-. ويعتمد التدفق المحسوب النهائي أيضًا على جودة بيانات العنصر-الأساسي، وافتراضات خاصية العملية-، والتثبيت، وتكوين الإشارة.

على سبيل المثال، سيستمر جهاز الإرسال الذي تمت معايرته بدقة في الإبلاغ عن تدفق مضلل إذا تم حظر أحد الخطوط النبضية جزئيًا. وبالمثل، لا يمكن لقياس DP المثالي تصحيح حجم تجويف العنصر الأساسي-أو كثافة السائل الذي تم إدخاله بشكل غير صحيح.

ولهذا السبب لا ينبغي التعامل مع مواصفات جهاز الإرسال على أنها مواصفات الدقة لنظام تدفق DP الكامل. يتضمن المعيار ISO 5167 بشكل واضح تحديد عدم اليقين في القياس كجزء من طريقة القياس الأوسع، بدلاً من التعامل مع مستشعر الضغط باعتباره مصدر عدم اليقين الوحيد.

مشاكل تدفق DP الشائعة وما يجب التحقق منه أولاً

تستحق أخطاء الخط النبضي- اهتمامًا خاصًا لأن جهاز الإرسال يعرف فقط الضغوط التي يتم توصيلها إلى منافذه. لا يمكن أن يعرف تلقائيًا أن خط الضغط يتسرب أو يتم إعاقته ما لم يتضمن جهاز الإرسال المحدد تشخيصات مناسبة.

متى يكون قياس التدفق DP خيارًا جيدًا؟

يظل قياس DP عمليًا للعديد من خدمات السوائل والغاز والبخار الصناعية، لا سيما حيث تستخدم العملية بالفعل عناصر أولية موحدة ويكون موظفو المصنع على دراية بأجهزة الضغط.

إنها ليست تلقائيًا أفضل التقنيات لكل خدمة. قارن البدائل عندما يعطي التطبيق أولوية عالية لفقد الضغط الدائم المنخفض جدًا، أو القياس المباشر للكتلة، أو السوائل الموصلة الصعبة، أو القياس غير التطفلي-، أو انخفاض قابل للاستخدام على نطاق أوسع مما يمكن أن يوفره نظام DP المقترح.

تشمل نقاط المقارنة المفيدةأجهزة قياس التدفق الدواميللحصول على خدمات البخار والسوائل المعالجة-المناسبة،أجهزة قياس تدفق الكتلة الحراريةللغازات المناسبة، وأجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسيللسوائل الموصلة.

وينبغي أن يبدأ الاختيار بشروط العملية وهدف القياس، وليس بتقنية الإرسال المفضلة.

الأسئلة المتداولة

هل يقوم جهاز إرسال DP بقياس التدفق مباشرة؟

لا، إنه يقيس الضغط التفاضلي بشكل مباشر. يتم استنتاج معدل التدفق من DP الناتج عن عنصر أساسي ومن معلمات الحساب التي يستخدمها نظام القياس.

لماذا يتم استخدام الجذر التربيعي لـ DP للتدفق؟

لأن الضغط التفاضلي عبر عنصر أساسي تقليدي يتغير تقريبًا مع مربع معدل التدفق. إذا كانت ΔP متناسبة مع Q²، فإن Q متناسبة مع √ΔP.

هل 50% DP يساوي 50% تدفق؟

لا. ضمن علاقة الجذر التربيعي-الأساسية، فإن 25% من التصميم DP يقابل حوالي 50% من تدفق التصميم. على العكس من ذلك، 50% DP يتوافق مع حوالي 70.7% من التدفق.

هل يستطيع جهاز إرسال DP قياس كل من السوائل والغازات؟

نعم، بشرط أن يكون العنصر الأساسي-ونظام الإرسال الكامل مناسبًا للتطبيق. غالبًا ما يتطلب قياس الغاز اهتمامًا إضافيًا بالضغط ودرجة الحرارة والكثافة والانضغاط.

هل يمكن استخدام جهاز إرسال DP بدون لوحة فتحة؟

نعم. تعتبر صفائح الفوهة نوعًا واحدًا فقط من العناصر الأساسية. يمكن أيضًا استخدام أنابيب فنتوري، وفوهات، وأجهزة قياس مخروطية، وأجهزة قياس إسفينية، وأجهزة قياس الضغط المتوسط، وغيرها من عناصر إنتاج DP- المناسبة اعتمادًا على التصميم.

هل يجب إجراء استخراج الجذر التربيعي-في جهاز الإرسال أو DCS؟

إما أن تكون صالحة. ما يهم هو أن يتم توثيق موقع الحساب وأن يتم إجراء استخراج الجذر التربيعي-مرة واحدة، وليس في كل من جهاز الإرسال ونظام الاستقبال.

لماذا تصبح إشارة تدفق DP غير مستقرة عند التدفق المنخفض؟

نظرًا لأن الضغط التفاضلي الناتج يصبح صغيرًا جدًا، كما أن استخراج الجذر التربيعي-يحقق مكاسب عالية بالقرب من الصفر. وبالتالي يمكن لضوضاء العملية، وتقلبات DP الصغيرة، والأخطاء الصفرية أن تؤدي إلى تغييرات كبيرة نسبيًا في التدفق المحسوب.

هل دقة المرسل تساوي دقة التدفق؟

لا. يمكن أن يشمل عدم اليقين في قياس التدفق أيضًا العنصر الأساسي، والأبعاد، وخصائص التفريغ، وكثافة العملية، ومدخلات الضغط ودرجة الحرارة، والتركيب، وصنابير الضغط، وخطوط النبض، وتكوين الحساب.

خاتمة

يقيس جهاز إرسال DP التدفق عن طريق استشعار فرق الضغط الناتج عبر عنصر التدفق الأساسي وتحويل هذا القياس إلى تدفق من خلال علاقة الجذر التربيعي-.

سلسلة القياس الأساسية هي:

التدفق ← العنصر الأساسي ← الضغط التفاضلي ← جهاز إرسال DP ← حساب التدفق

جهاز الإرسال ليس سوى جزء واحد من تلك السلسلة. يعتمد قياس تدفق DP الموثوق به على حجم العنصر الأساسي - الصحيح، وضغط الضغط المناسب، وأنابيب النبضات الصوتية، وافتراضات خاصية -العملية الدقيقة، وتكوين الجذر التربيعي الصحيح-، والتشغيل المناسب.

بالنسبة للأعمال الهندسية، استخدم علاقة الجذر التربيعي المبسطة- لفهم المبدأ، ولكن استخدم المعيار المعمول به وبيانات الحجم المعتمدة ووثائق جهاز الإرسال وظروف العملية الفعلية عند تصميم حلقة قياس أو التحقق منها. هذا التمييز بين فهم المبدأ والتحقق من صحة النظام الكامل هو ما يمنع إشارة DP الصحيحة على ما يبدو من أن تصبح قيمة تدفق غير صحيحة.