اندازه گیری فشار تفاضلی چیست؟

اندازه گیری فشار دیفرانسیل در فرآیندهای کنترل صنعتی ضروری است. هسته آن اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه مختلف در یک خط لوله، مخزن، تجهیزات یا فرآیند یکسان است، به عنوان مثال، اختلاف فشار بین سمت فشار بالا و سمت فشار پایین{4}. در مقایسه با اندازه‌گیری فشار یک نقطه‌ای، اندازه‌گیری فشار دیفرانسیل نه تنها تغییرات فشار را منعکس می‌کند، بلکه می‌تواند برای اندازه‌گیری غیرمستقیم پارامترهایی مانند نرخ جریان، سطح مایع، فشار دیفرانسیل فیلتر و وضعیت عملکرد تجهیزات نیز مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین در صنایعی مانند نفت، گاز طبیعی، شیمیایی، نیروگاهی، دارویی، غذایی، متالورژی و تصفیه آب کاربرد فراوانی دارد.

در سایت های صنعتی واقعی، فشار دیفرانسیل معمولاً با استفاده از یک فرستنده فشار تفاضلی تشخیص داده می شود. فرستنده دو فشار اندازه گیری شده را به ترتیب ازطرف-طرف فشار بالا (H) و-طرف فشار پایین (L) وارد می کند. پس از اینکه سنسور عمل فشار را در دو طرف حس کرد، اختلاف فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. پس از پردازش سیگنال، جبران دما، و محاسبات خطی‌سازی، سیگنال‌های استانداردی مانند 4~20mA، HART، RS485/Modbus را خروجی می‌دهد و داده‌های اندازه‌گیری فرآیند پایدار را برای سیستم‌های کنترل، PLC، DCS یا سیستم‌های اکتساب داده ارائه می‌دهد.

کلید اندازه گیری فشار دیفرانسیل فقط "اندازه گیری دو فشار و سپس تفریق آنها" نیست، بلکه به طور جامع عواملی مانند محدوده اندازه گیری، فشار استاتیکی، دما، چگالی متوسط، روش نصب، سیستم لوله کشی ضربه ای و عملکرد سنسور را در نظر می گیرد. به ویژه در شرایط عملیاتی مانند فشار استاتیکی بالا، فشار دیفرانسیل پایین، دمای بالا و رسانه های خورنده، اندازه گیری فشار تفاضلی تقاضاهای زیادی را بر روی ساختار سنسور، الگوریتم های جبران دما و کیفیت کلی نصب دستگاه ایجاد می کند.
 

I. فشار دیفرانسیل چیست؟

1. مفاهیم اساسی فشار دیفرانسیل

فشار دیفرانسیل (DP) اختلاف فشار بین دو نقطه اندازه گیری فشار است و رابطه اصلی آن عبارت است از:
ΔP = P₁ − P₂

کجا:
• ΔP: فشار دیفرانسیل.
• P1: فشار جانبی-بالا.
• P2: فشار جانبی پایین-.

به عنوان مثال، اگر فشار ورودی یک تجهیزات خاص در یک خط لوله 0.80MPa و فشار خروجی 0.65MPa باشد، فشار دیفرانسیل بین دو نقطه است:
ΔP=0.80 - 0.65=0.15MPa

علامت فشار دیفرانسیل بستگی به تعریف طرف فشار بالا و پایین{0}} دارد. وقتی فشار سمت بالا-از فشار جانبی پایین-بیشتر باشد، خروجی فشار دیفرانسیل مثبت است. برعکس، ممکن است به صورت فشار دیفرانسیل منفی ظاهر شود. بنابراین، در هنگام انتخاب و نصب ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل، لازم است مطابقت بین رابط H و L و لوله‌کشی فرآیند به درستی تأیید شود.

2. اصل کاری اندازه گیری فشار دیفرانسیل

معمولیترانسمیتر فشار تفاضلیعمدتاً از رابط های فشار، دیافراگم های جداسازی، هسته حسگر، مدارهای پردازش سیگنال، ماژول های جبران دما و مدارهای خروجی تشکیل شده است.
رسانه‌های پردازشی به ترتیب وارد{0}}سمت فشار بالا و فشار پایین- فرستنده می‌شوند. فشارهای هر دو طرف از طریق سیستم جداسازی بر روی عنصر حساس اثر می‌گذارد و باعث می‌شود حسگر تغییرات فیزیکی مرتبط با اختلاف فشار ایجاد کند. با در نظر گرفتن فناوری‌های سنجش فشار سیلیکون خازنی، پیزورمقاومتی یا تک کریستالی، حسگر این تغییر مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

دستگاه پس از تبدیل آنالوگ به دیجیتال به
برای یک فرستنده فشار دیفرانسیل خروجی 4 ~ 20 میلی آمپر، خروجی نظری آن را می توان به صورت زیر بیان کرد:
I=4mA + 16mA × (ΔP - ΔPmin) / (ΔPmax - ΔPmin)
به عنوان مثال، اگر محدوده اندازه گیری فشار دیفرانسیل 0 تا 100 کیلو پاسکال باشد، زمانی که فشار دیفرانسیل واقعی 50 کیلو پاسکال باشد، خروجی نظری به صورت زیر است:
من=4 + 16 × 50/100=12 میلی آمپر
بنابراین، سیستم کنترل می تواند فشار دیفرانسیل واقعی را بر اساس سیگنال خروجی فرستنده استنتاج کند.

3. تفاوت بین فشار دیفرانسیل و فشار استاتیک

یک مفهوم بسیار مهم در اندازه گیری فشار دیفرانسیل «فشار استاتیک» است.
فرض کنید فشار جانبی بالا 10 مگاپاسکال و فشار جانبی پایین 9.9 مگاپاسکال باشد، سپس:
ΔP=10 - 9.9=0.1MPa

در این مرحله، اگرچه فشار دیفرانسیل اندازه‌گیری شده تنها 0.1 مگاپاسکال است، فشار استاتیکی واقعی که توسط فرستنده تحمل می‌شود ممکن است نزدیک به 10 مگاپاسکال باشد.
بنابراین، فرستنده فشار دیفرانسیل نه تنها باید نیاز محدوده فشار دیفرانسیل را برآورده کند، بلکه باید حداکثر نیاز فشار استاتیکی کاری را نیز برآورده کند.

این نیز یکی از تفاوت های مهم بین اندازه گیری فشار دیفرانسیل و اندازه گیری فشار معمولی از نظر انتخاب است. برای کاربردهای فشار استاتیکی بالا، فشار دیفرانسیل پایین، اگر تنها محدوده فشار دیفرانسیل در نظر گرفته شود و در عین حال قابلیت فشار استاتیکی نادیده گرفته شود، ممکن است فشار استاتیکی قابل توجهی روی سنسور ایجاد کند و در نتیجه دقت اندازه گیری را کاهش دهد.

II. نحوه بررسی پارامترهای فنی برای فشار دیفرانسیل

اندازه گیری

انتخاب یک فرستنده فشار دیفرانسیل نباید فقط به "محدوده" و "دقت" توجه شود. در کاربردهای عملی، توصیه می شود به طور سیستماتیک با توجه به پارامترهای زیر تأیید شود.

1. محدوده اندازه گیری

ابتدا حداقل فشار دیفرانسیل، فشار دیفرانسیل معمولی و حداکثر فشار دیفرانسیل را که ممکن است در سیستم فرآیند رخ دهد، تعیین کنید.
به عنوان مثال، افت فشار طبیعی یک فیلتر خاص در حین کار حدود 20 کیلو پاسکال است و ممکن است در شرایط گرفتگی به 80 کیلو پاسکال برسد. محدوده فشار دیفرانسیل مناسب را می توان با توجه به الزامات فرآیند انتخاب کرد.
اگر دامنه بیش از حد بزرگ باشد، نقطه عملیاتی واقعی برای مدت طولانی در بازه بازه پایین تر خواهد بود و بر وضوح اندازه گیری موثر تأثیر می گذارد. اگر برد خیلی کوچک باشد، ممکن است در شرایط عملیاتی غیرعادی از محدوده تجاوز کند.

2. فشار استاتیک

فشار استاتیک پارامتری است که هنگام انتخاب ترانسمیتر فشار دیفرانسیل باید به آن توجه ویژه ای شود.
به عنوان مثال:
• محدوده فشار دیفرانسیل: 0~10kPa
• فشار خط لوله: 4MPa
• فشار دیفرانسیل واقعی: 5 کیلو پاسکال
در این مرحله، نمی توان به سادگی در نظر گرفت که ابزار فقط باید ظرفیت فشار 10 کیلو پاسکال را برآورده کند. همچنین لازم است تأیید شود که فرستنده می تواند فشار استاتیکی کاری حدود 4 مگا پاسکال را تحمل کند و تأثیر فشار استاتیک بر روی نقطه و محدوده صفر را بررسی کند.

3. دقت

دقت ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل معمولاً به صورت درصدی از مقیاس کامل بیان می شود، مانند ± 0.1% FS، ± 0.075% FS و غیره.
برای فرستنده ای با برد 0 تا 100 کیلو پاسکال و دقت ± 0.1% FS، بزرگی خطای اساسی نظری عبارت است از:
100kPa × 0.1%=±0.1kPa
باید توجه داشت که خطای واقعی اندازه‌گیری ممکن است تحت تأثیر عواملی مانند دما، فشار استاتیک، موقعیت نصب، لوله‌کشی ضربه‌ای و پایداری طولانی مدت باشد. بنابراین، انتخاب مهندسی نمی تواند صرفاً یک "عدد دقت" را مقایسه کند.

4. ظرفیت اضافه بار و تأثیر فشار استاتیک

سایت‌های صنعتی ممکن است با عملکرد نادرست سوپاپ، نوسانات فشار، ضربه‌های راه‌اندازی و غیره مواجه شوند، بنابراین لازم است ظرفیت اضافه بار جانبی و حداکثر فشار ساکن فرستنده تأیید شود.
به خصوص در اندازه گیری فشار دیفرانسیل فشار استاتیکی بالا، باید به رانش صفر ناشی از تغییرات فشار استاتیکی نیز توجه شود. فرستنده‌های فشار دیفرانسیل با کارایی بالا معمولاً این اثرات را از طریق طراحی ساختار حسگر و الگوریتم‌های جبران فشار استاتیک کاهش می‌دهند.

5. دما و شرایط متوسط

لازم است دمای فرآیند، دمای محیط و اینکه آیا محیط خورنده، چسبناک، متبلور یا حاوی ذرات جامد است، بررسی شود.
برای رسانه‌های با دمای{0}بالا، تأثیر دمای فرآیند بر فرستنده را می‌توان از طریق دیگ‌های میعانات، باله‌های خنک‌کننده یا مهر و موم از راه دور کاهش داد. برای محیط های خورنده، لازم است مواد دیافراگمی و مرطوب شده مناسب بر اساس ماهیت محیط مانند 316L، Hastelloy، Tantalum و غیره انتخاب شود.

6. خروجی و روش های ارتباطی

خروجی های رایج عبارتند از:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• سایر روش های ارتباط دیجیتال.
برای سیستم های DCS و PLC سنتی، 4 ~ 20 میلی آمپر هنوز قابلیت کاربرد میدان بالایی دارد. برای سیستم هایی که نیاز به تنظیم پارامتر از راه دور، تشخیص و نگهداری دارند، می توان محصولاتی با قابلیت ارتباط HART در نظر گرفت.

III. کاربردهای اندازه گیری فشار دیفرانسیل چیست؟

بزرگترین مشخصه اندازه گیری فشار دیفرانسیل این است که می تواند سایر پارامترهای فرآیند را از طریق اختلاف فشار به دست آورد، بنابراین محدوده کاربرد آن بسیار فراتر از «تشخیص اختلاف فشار» ساده است.

1. اندازه گیری جریان خط لوله

اندازه گیری جریان فشار تفاضلی یکی از کاربردهای کلاسیک در اندازه گیری فرآیندهای صنعتی است.
هنگامی که سیال از دستگاه های دریچه گاز مانند صفحات روزنه، نازل ها یا لوله های ونتوری عبور می کند، سرعت سیال تغییر می کند و اختلاف فشار قبل و بعد از دستگاه دریچه گاز ایجاد می شود. با توجه به روابط مکانیک سیالات، یک رابطه مشخص بین دبی جریان و جذر فشار دیفرانسیل وجود دارد:
Q ∝ √ΔP

در شرایط ایده آل می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:
Q = C√ΔP

که در آن Q نرخ جریان است و C یک ضریب جامع مربوط به ماهیت محیط، ساختار خط لوله و دستگاه دریچه گاز است.
بنابراین با اندازه گیری فشار دیفرانسیل قبل و بعد از دستگاه دریچه گاز می توان دبی خط لوله را به طور غیر مستقیم محاسبه کرد.
در مهندسی واقعی، عواملی مانند چگالی متوسط، دما، فشار، عدد رینولدز، ساختار دستگاه دریچه گاز و شرایط نصب نیز باید در نظر گرفته شوند. بنابراین، اندازه‌گیری جریان با دقت بالا معمولاً به جبران پارامترهای مرتبط نیاز دارد.

2. اندازه گیری سطح مایع

ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل نیز می توانند برای اندازه گیری سطح مایع مخزن با استفاده از فشار ایجاد شده توسط ستون مایع استفاده شوند.
رابطه اصلی فشار ستون مایع به شرح زیر است:
ΔP=ρgh

کجا:
• ρ چگالی مایع است.
• g شتاب ناشی از گرانش است.
• h ارتفاع سطح مایع است.

بنابراین، هنگامی که چگالی نسبتاً پایدار است، سطح مایع را می توان با اندازه گیری فشار دیفرانسیل تولید شده توسط ستون مایع محاسبه کرد.
برای مخازن باز، سطح مایع را معمولاً می توان با استفاده از رابطه بین فشار در پایین مخزن و فشار اتمسفر اندازه گیری کرد. برای مخازن بسته، فشار فاز گاز در بالای مخزن نیز باید در نظر گرفته شود، بنابراین الفترانسمیتر فشار تفاضلیمعمولاً برای اتصال به قسمت پایین و بالای مخزن استفاده می شود.
در مخازن با دمای بالا، خلاء بالا یا محیط های فرار، عواملی مانند میعانات، تغییرات چگالی و آب بندی از راه دور نیاز به بررسی بیشتری دارند.

3. مانیتورینگ فشار دیفرانسیل فیلتر

در طول کارکرد نرمال فیلتر، محیط فیلتر افت فشار خاصی را تولید می کند. همانطور که عنصر فیلتر به تدریج مسدود می شود، اختلاف فشار بین جلو و عقب به طور مداوم افزایش می یابد.
بنابراین، شیرهای فشار را می توان به ترتیب در ورودی و خروجی فیلتر نصب کرد تا در زمان واقعی از طریق یک فرستنده فشار دیفرانسیل نظارت شود:
ΔP=P_inlet - P_outlet

هنگامی که فشار دیفرانسیل به مقدار تنظیم شده رسید، سیستم کنترل می تواند زنگ هشداری را برای یادآوری به پرسنل تعمیر و نگهداری برای بررسی یا تعویض عنصر فیلتر صادر کند.
این روش به طور گسترده در تصفیه هوا، فیلتراسیون مایع، پردازش نفت و گاز و سیستم های حذف گرد و غبار صنعتی استفاده می شود.

4. نظارت بر عملکرد پمپ، فن و کمپرسور

در تجهیزاتی مانند پمپ ها، فن ها و کمپرسورها، فشار دیفرانسیل ورودی{0}خروجی می تواند به عنوان یکی از پارامترهای مهم برای قضاوت در مورد وضعیت عملکرد تجهیزات باشد.

به عنوان مثال، نظارت بر اختلاف فشار بین ورودی و خروجی پمپ می تواند به قضاوت در مورد وضعیت عملکرد پمپ کمک کند. در سیستم های انتقال گاز، تغییرات فشار دیفرانسیل قبل و بعد از فن ها یا کمپرسورها نیز می تواند برای نظارت بر وضعیت عملکرد استفاده شود.
لازم به ذکر است که فشار تفاضلی تجهیزات به تنهایی نمی تواند وضعیت سلامت تجهیزات را نشان دهد. در کاربردهای مهندسی، معمولاً برای قضاوت جامع لازم است پارامترهایی مانند سرعت جریان، دما، ارتعاش و جریان ترکیب شوند.

5. سیستم های تمیز و سیستم های تهویه

در اتاق‌های تمیز، آزمایشگاه‌ها، کارگاه‌های داروسازی و سیستم‌های انتقال هوا، باید یک گرادیان فشار معین بین مناطق مختلف حفظ شود.
با استفاده از ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل برای اندازه گیری اختلاف فشار بین دو ناحیه، می توان تعیین کرد که آیا ناحیه تمیز در حالت فشار مشخص شده حفظ می شود یا خیر.
به عنوان مثال، در مناطق تمیز که نیاز به حفظ فشار مثبت دارند، می توان اختلاف فشار بین اتاق و مناطق مجاور را کنترل کرد. در برخی مکان‌ها که نیاز به کنترل فشار منفی دارند، می‌توان از سیگنال فشار دیفرانسیل برای قضاوت در مورد وضعیت فشار منفی استفاده کرد.

6. هوابندی و تشخیص نشت

در زمینه هایی مانند ساخت دقیق، قطعات خودرو، اتصالات سوپاپ و تجهیزات پزشکی، اندازه گیری فشار تفاضلی نیز می تواند برای تست هوابندی استفاده شود.
در طی فرآیند آزمایش، فشار معینی از گاز آزمایش به جسم آزمایشی وارد می شود و با نظارت بر تغییر فشار قبل و بعد از آزمایش، می توان تشخیص داد که جسم آزمایشی دارای نشتی است یا خیر.
برای تشخیص نشتی کوچک و فشار دیفرانسیل پایین، معمولاً نیازمندی‌های بالاتری روی وضوح، پایداری، جبران دما و سرعت پاسخ سنسور فشار دیفرانسیل است.

IV. مسائل کلیدی مهندسی در اندازه گیری فشار دیفرانسیل

اندازه گیری فشار دیفرانسیل ممکن است ساده به نظر برسد، اما عوامل مؤثر متعددی در کاربردهای مهندسی واقعی وجود دارد.
اول سیستم لوله کشی ضربه ای است. طول، قطر داخلی، ارتفاع نصب خطوط ضربه ای و وجود حباب های هوا، تجمع مایع یا رسوب ذرات در داخل خطوط ممکن است بر نتایج اندازه گیری تأثیر بگذارد. برای رسانه های مایع، لازم است از ورود گاز به خطوط ضربه جلوگیری شود. برای رسانه های گازی، لازم است از تجمع میعانات جلوگیری شود.

دوم روش نصب است. طرف فشار بالا و پایین فرستنده فشار دیفرانسیل باید به درستی به لوله کشی فرآیند متصل شود و یک موقعیت فشار معقول باید بر اساس حالت متوسط ​​انتخاب شود. برای رسانه هایی مانند بخار با دمای بالا، همچنین لازم است از میعانات برای تشکیل یک آب بندی مایع استفاده شود تا از ورود مستقیم محیط با دمای بالا به فرستنده جلوگیری شود.
سوم اثر دما است. سنسور خود دارای مشخصات دما است و تغییرات دمای متوسط ​​نیز ممکن است باعث تغییرات چگالی شود. بنابراین، اندازه‌گیری فشار تفاضلی با دقت بالا معمولاً به جبران دما نیاز دارد و برخی از کاربردهای جریان و سطح مایع بیشتر به جبران چگالی نیاز دارند.

علاوه بر این، برای کاربردهای فشار استاتیکی بالا، فشار دیفرانسیل پایین، توجه ویژه باید به تأثیر فشار استاتیک، ظرفیت اضافه بار و پایداری نقطه صفر شود. به عنوان مثال، هنگام اندازه‌گیری یک فشار دیفرانسیل کوچک چند کیلو پاسکال تحت فشارهای چند مگاپاسکال یا حتی بیشتر از خط لوله، سنسور نه تنها باید فشار استاتیکی بالا را تحمل کند، بلکه باید تغییرات فشار دیفرانسیل بسیار کوچک را نیز به‌طور دقیق حل کند، که باعث می‌شود ساختار سنسور و فناوری پردازش سیگنال بیشتر شود.

V. خلاصه

ماهیت اندازه گیری فشار دیفرانسیل بدست آوردن دقیق اختلاف فشار بین دو نقطه فشار است، با فرمول اصلی ΔP=P1-P2. از طریق این پارامتر اساسی، اندازه گیری پارامترهای مختلف صنعتی مانند نرخ جریان، سطح مایع، فشار دیفرانسیل فیلتر، وضعیت عملکرد تجهیزات، و هوابندی بیشتر قابل درک است.

در مهندسی واقعی، انتخابترانسمیترهای فشار تفاضلینه تنها باید روی محدوده اندازه گیری و دقت تمرکز کرد، بلکه باید به طور جامع فشار استاتیک، ظرفیت اضافه بار، تأثیر فشار استاتیک، محدوده دما، مشخصات متوسط، مواد خیس شده، روش خط ضربه، سیگنال خروجی و شرایط نصب را در نظر گرفت.

با توسعه مداوم اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های کنترل فرآیند، اندازه‌گیری فشار تفاضلی از تشخیص تک پارامتری سنتی به سمت دقت بالا، دیجیتالی‌سازی و تشخیص هوشمند تغییر می‌کند. برای شرایط پیچیده صنعتی، فناوری حسگر، جبران دما، جبران فشار استاتیک، و قابلیت‌های پردازش سیگنال دیجیتال مستقیماً بر پایداری بلند مدت و اثربخشی کاربرد عملی سیستم اندازه‌گیری فشار تفاضلی تأثیر می‌گذارد.