Máy đo chênh lệch áp suất (Δp) là gì?

Đồng hồ đo chênh áp (máy đo áp suất chênh lệch) hoạt động trên nguyên tắc cản trở một phần dòng chảy trong đường ống. Điều này tạo ra sự khác biệt về áp suất tĩnh giữa phía thượng lưu và hạ lưu của thiết bị. Sự chênh lệch áp suất tĩnh này (gọi là chênh lệch áp suất) được đo và sử dụng để xác định tốc độ dòng chảy.

Đồng hồ đo chênh lệch áp suất (Δp) là gì?

Đồng hồ đo chênh lệch áp suất được sử dụng để đo chênh lệch áp suất trong hệ thống khí nén, máy nén và máy bơm, van, bồn chứa và hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC). PCE Instruments (PCE) cung cấp các thiết bị đo chênh áp kỹ thuật số cầm tay cầm tay được thiết kế để đo chênh lệch áp suất của chất lỏng, chất lỏng và khí không gây nổ, không ăn mòn bao gồm cả không khí.

Hầu hết các thiết bị đo chênh áp hiện đại đều cung cấp các tính năng như chức năng giữ dữ liệu, màn hình LCD hoặc LED, bộ nhớ trong và khả năng truyền dữ liệu đến máy tính để đánh giá và ghi lại các giá trị đo.

Tùy thuộc vào kiểu máy, đồng hồ đo chênh lệch áp suất có thể đi kèm với đầu ra tương tự. Nếu vậy, các số đọc từ đồng hồ có thể được sử dụng để điều chỉnh hoặc kiểm tra các hệ thống khác nhau. Vui lòng xem xét các phạm vi đo khác nhau của các sản phẩm đồng hồ đo chênh lệch áp suất của PCE và liệu các thiết bị có phù hợp với khí hoặc chất lỏng hay cả hai.

Nếu đồng hồ đo chênh lệch áp suất được chấp thuận để sử dụng với chất lỏng, thì đồng hồ chỉ được sử dụng với chất lỏng như nước hoặc dầu. Không thể sử dụng đồng hồ đo chênh lệch áp suất với axit mạnh hoặc các chất ăn mòn như chất tẩy trắng hoặc axit clohydric.

Điều quan trọng cần lưu ý là các thiết bị đo chênh lệch áp suất của PCE không đi kèm với bảo vệ ATEX. Hơn nữa, các sản phẩm đồng hồ đo chênh lệch áp suất của PCE không được sử dụng với khí dễ cháy hoặc khí có nồng độ hạt lơ lửng cao .

Đồng hồ đo chênh áp rất phổ biến và người ta ước tính rằng ít nhất 40% đồng hồ đo lưu lượng công nghiệp đang được sử dụng hiện nay là thiết bị chênh áp, trong đó tấm lỗ là phổ biến nhất. Các thiết bị chênh áp đã được sử dụng để đo nhiều loại chất lỏng khác nhau từ khí đến chất lỏng có độ nhớt cao.

Sự phổ biến của đồng hồ đo lưu lượng chênh lệch áp suất một phần là do thiết kế đơn giản và giá thành rẻ. Bằng cách đọc hướng dẫn này, bạn sẽ có một ý tưởng rõ ràng hơn nhiều về lợi ích, các tùy chọn đo sáng khả thi và các ứng dụng để sử dụng đồng hồ đo chênh lệch áp suất.

Đồng hồ đo lưu lượng chênh lệch áp suất

Khái niệm sử dụng sự sụt giảm áp suất gây ra bởi chất lỏng chảy qua một giới hạn trong đường ống như một phép đo tốc độ dòng chảy có từ thế kỷ 18, khi nó được Bernoulli phát hiện ra.

Nguyên tắc cơ bản về cách hoạt động của đồng hồ đo lưu lượng Δp được mô tả trong hình bên dưới.

Nguyên lý chênh lệch áp suất. Ống áp kế đo sự khác biệt về áp suất tĩnh ở thượng lưu và hạ lưu của giới hạn

Khi một chất lỏng chảy qua một giới hạn, nó tăng tốc đến một vận tốc cao hơn (tức là V2> V1) để bảo toàn dòng khối lượng và do đó, áp suất tĩnh của nó giảm xuống. Sự chênh lệch áp suất (Δp) này sau đó là thước đo tốc độ dòng chảy qua thiết bị.

Nói một cách dễ hiểu đối với một kích thước giới hạn nhất định, Δp càng cao thì tốc độ dòng chảy càng cao.

Mối quan hệ giữa chênh lệch áp suất và tốc độ dòng chảy được suy ra từ phương trình Bernoulli .

Sử dụng phương trình Bernoulli và bảo toàn khối lượng, có thể chỉ ra rằng áp suất chênh lệch được tạo ra tỷ lệ với bình phương của tốc độ dòng khối, Qm (kg / s)

Nhiều đồng hồ đo Δp hiện có hoạt động dựa trên nguyên tắc đo chênh lệch áp suất giữa thượng nguồn và hạ lưu nhưng có một số đồng hồ sử dụng chênh lệch áp suất theo cách khác, ví dụ, đồng hồ đo diện tích thay đổi.

Các loại đồng hồ đo lưu lượng chênh lệch áp suất

Các loại đồng hồ đo chênh lệch áp suất phổ biến nhất là:

• Tấm Orifice
• Ống Venturi
• Máy đo hình nón (ví dụ như hình nón chữ V)
• Vòi phun
• Máy đo tổn thất thấp (ví dụ: ống Dall)
• Đồng hồ đo diện tích có thể thay đổi
• Đồng hồ đo lưu lượng đầu vào
• Nón Venturi
• Vòi phun Venturi
• Kéo tấm

Ưu nhược điểm của máy đo DP

Có một số ưu điểm chung đối với hầu hết các máy đo DP.

Bao gồm các:

• Chúng rất dễ chế tạo, không có bộ phận chuyển động
• Hiệu suất của họ được hiểu rõ
• Chúng rẻ – đặc biệt là trong các đường ống lớn hơn khi so sánh với các máy đo khác
• Chúng có thể được sử dụng theo bất kỳ hướng nào
• Chúng có thể được sử dụng cho hầu hết các chất khí và chất lỏng
• Một số loại không yêu cầu hiệu chuẩn cho các ứng dụng nhất định

Những nhược điểm chính của máy đo DP là:

• Khả năng thay đổi (tắt máy) thấp hơn hầu hết các loại đồng hồ đo lưu lượng khác
• Tổn thất áp suất đáng kể có thể xảy ra
• Tín hiệu đầu ra không tuyến tính với dòng chảy
• Hệ số xả và độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi cách bố trí đường ống hoặc bản chất của dòng chảy
• Chúng có thể bị ảnh hưởng bởi sự lão hóa, ví dụ như sự tích tụ của cặn hoặc xói mòn các cạnh sắc

Thuật ngữ chung

Beta (β)

Tỷ lệ đường kính hoặc beta (đôi khi được gọi là tỷ lệ beta) là tỷ số giữa đường kính của lỗ hoặc họng của thiết bị với đường kính của đường ống.

Thường Δp mét được mô tả theo giá trị beta và đường kính của chúng để phù hợp với một kích thước đường ống nhất định, ví dụ, ống Venturi 4 inch β = 0,6.

Để nói rằng đồng hồ đo Δp có tỷ lệ beta thấp, ví dụ β = 0,2, có nghĩa là tấm có một lỗ nhỏ hoặc kích thước hạn chế.

Điều này làm cho tổn thất áp suất trên đồng hồ đo Δp cao hơn, có thể có nghĩa là máy bơm có áp suất xả cao hơn (do đó đắt hơn) hoặc máy nén sẽ cần thiết để khắc phục tổn thất áp suất tăng lên và duy trì tốc độ dòng chảy có thể đạt được với beta lớn hơn Δp mét.

Mặt khác, áp suất chênh lệch cao hơn thường có thể được đo chính xác hơn áp suất thấp hơn.

Hiệu quả của việc sử dụng các giá trị beta khác nhau

Hiệu quả của việc sử dụng các giá trị lớn hơn của beta bao gồm:

• sự gia tăng độ không đảm bảo của hệ số phóng điện
• áp suất chênh lệch thấp hơn được đo trên tấm lỗ (và điều này có thể khó đo hơn)
• Cần có độ dài dài hơn của ống thẳng ngược dòng để đảm bảo cấu hình vận tốc của dòng chảy qua tấm lỗ là ổn định và đối xứng
• tiết diện dòng chảy của dòng chảy qua lỗ bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi độ nhám của thành ống

Có một số gói định cỡ cho tấm lỗ có sẵn, sẽ tính toán kích thước của tấm cần thiết. Phần mềm sử dụng công thức thực nghiệm dựa trên thử nghiệm thực tế. Hầu hết các kết quả đều có sẵn cho các giá trị beta từ 0,3 đến 0,7.

Ưu điểm:

• Giá thấp
• Dễ cài đặt
• Có sẵn tiêu chuẩn toàn diện (ISO 5167-2)
• Không yêu cầu hiệu chuẩn – giá trị của C từ tiêu chuẩn
• Có sẵn các thiết kế khác nhau, ví dụ như cho chất lỏng nhớt, dòng chảy hai chiều, chất rắn lơ lửng

Nhược điểm:

• Thời gian quay vòng thấp (có thể được cải thiện với các ô Δp phạm vi kép)
• Tổn thất áp suất cao (35 đến gần 100% Δp đo được tùy thuộc vào hệ số beta)
• Lỗi do xói mòn / hư hỏng các mép thượng nguồn
• Lỗi do độ nhạy cao đối với cài đặt ngược dòng (đặc biệt là các thiết bị beta lớn)

Hệ số xả (C)

Hệ số phóng điện, C, là một tham số có tính đến các hiệu ứng không lý tưởng, ví dụ tổn thất năng lượng do ma sát, khi sử dụng Δp mét.

Hệ số phóng điện về cơ bản là tỷ số giữa tốc độ thực tế với tốc độ dòng chảy khối lượng đo được .

Hệ số phóng điện có thể là:

 1 được xác định từ một tiêu chuẩn

•   cung cấp phép đo lưu lượng tốt với mức giá hợp lý
•    đặc biệt phù hợp khi độ lặp lại quan trọng hơn độ chính xác

hoặc là

2 xác định bằng hiệu chuẩn

cung cấp độ không đảm bảo đo thấp hơn trong phép đo lưu lượng.

Trong vòi phun và ống Venturi, dòng chảy theo sát ranh giới của ống và giá trị của C thường gần bằng một.

Tuy nhiên, đối với các tấm lỗ, C có giá trị xấp xỉ 0,6. Giá trị của C có thể nhận được từ tiêu chuẩn (ISO 5167) đối với vòi phun, ống Venturi và tấm lỗ được sản xuất theo dung sai quy định của tiêu chuẩn.

Thời gian quay của đồng hồ đo DP

Tốc độ quay của máy đo áp suất vi sai là tỷ số giữa lưu lượng dòng chảy lớn nhất và tối thiểu có thể được đo chính xác. Lý tưởng nhất là một tỷ lệ đảo chiều lớn được mong muốn để đo một loạt các lưu lượng

Mối quan hệ bình phương giữa lưu lượng và Δp:

• Nếu tốc độ dòng chảy là 50% của thang đo đầy đủ, thì Δp là 25% của thang đo Δp đầy đủ
• Nếu tốc độ dòng chảy là 25% của thang đo đầy đủ, thì Δp là 6,25% của thang đo Δp đầy đủ

Đồ thị sau minh họa mối quan hệ bình phương giữa chênh lệch áp suất và lưu lượng.

Điều này cho thấy rằng tốc độ quay của 10: 1 trên lưu lượng sẽ yêu cầu quay ngược 100: 1 khi đo áp suất (điều này được cung cấp với điều kiện là mật độ xấp xỉ không đổi, ví dụ như đối với chất lỏng).

Vì rất khó để có được các phép đo chính xác trên một phạm vi lớn các giá trị Δp từ một máy phát đơn giản, điều này có nghĩa là thời gian quay vòng điển hình của đồng hồ đo Δp thực sự được giới hạn ở mức xấp xỉ 4: 1 để có được phép đo chính xác về lưu lượng.

Ở các giá trị thấp của lưu lượng, độ không đảm bảo đo của máy phát Δp tăng lên đáng kể. Ví dụ, một ô Δp thường có thể cung cấp độ không đảm bảo đo là 0,2% của Toàn thang đo (FS). Điều này có nghĩa là, ở FS 1%, độ không đảm bảo của chênh lệch áp suất sẽ là 20%. Do đó ở lưu lượng thấp, việc đo Δp trở nên khó khăn hơn nhiều.

Thời gian quay của đồng hồ có thể được mở rộng đến khoảng 10: 1 nếu sử dụng nhiều bộ chuyển đổi phạm vi. Ví dụ, một đầu dò Δp có thể được thay đổi cho 1 – 10% FS và một đầu dò khác trong phạm vi 10 – 100% FS.

Tính toán tốc độ dòng chảy khối lượng bằng thiết bị DP

Khi đã thu được giá trị của Δp, lưu lượng khối có thể được tính theo công thức sau.

Đối với chất lỏng, lưu lượng khối lượng được cho bởi:

Ở đây:

C là hệ số phóng điện

Tại là vùng cổ họng (hạn chế)

Δp là chênh lệch áp suất

p là khối lượng riêng của chất lỏng

d là đường kính của họng

D là đường kính ống

Do khả năng nén của khí, một tham số bổ sung được gọi là hệ số giãn nở, ε, được sử dụng trong phương trình lưu lượng khối lượng để giải thích mật độ khí thay đổi khi áp suất giảm ở mức giới hạn.

Đối với chất khí, lưu lượng khối lượng được cho bởi: