מהו מד זרימת פתח? עקרון עבודה, דיוק, יישומים ובחירה

העיקרון נשמע פשוט, אך מדידת זרימת פתחים אמינה תלויה ביותר מאשר בצלחת עצמה. קוטר הקדח, יחס בטא, מצב הקצוות, מיקום ברז הלחץ, צפיפות הנוזל, מספר ריינולדס, פרופיל הזרימה במעלה הזרם, טווח משדרי ה-DP וההתקנה כולם משפיעים על התוצאה.

מדריך זה מסביר את עקרון הפעולה של מד זרימת הפתחים מההגבלה ההידראולית ועד לאות הזרימה הסופי, ולאחר מכן מראה מה משפיע על אי ודאות המדידה, היכן הטכנולוגיה עובדת היטב ומה המהנדסים צריכים לבדוק לפני שמציינים מערכת.

מה מרכיב מד זרימת פתח?

יש להתייחס למד פתחים כמערכת מדידת לחץ-שלמה ולא כאל לוחית מתכת המותקנת בין שני אוגנים.

צלחת פתח

הצלחת יוצרת את ההגבלה. לצלחת קונצנטרית חדה- קונבנציונלית יש קדח עגול במרכז הצינור. גודל הקדח שלו, עוביו, הקצה במעלה הזרם וכיוון ההתקנה שלו חייבים להתאים לבסיס התכנון המשמש לחישוב הזרימה.

גיאומטריות לוחות שונות זמינות עבור שירותים מסוימים. המדריך לבחירת סוג לוחית פתחיםמספק הקשר נוסף כאשר צלחת קונצנטרית סטנדרטית עשויה שלא להתאים לנוזל.

ברזי לחץ וחיבורי אימפולס

ברזי לחץ חשים לחץ סטטי בצדי ההגבלה במעלה הזרם ומורד הזרם. צינורות או מעברים משולבים נושאים אותות לחץ אלה למכשיר הלחץ ההפרש.

סידור ההקשה הוא חלק מתכנון המדידה. לא ניתן להזיז אותו באופן שרירותי לאחר גודל הצלחת מכיוון שהלחץ משתנה בהתאם למיקום סביב ההגבלה.

משדר לחץ דיפרנציאלי

אלמנט המדידה המשני מזהה את ההבדל בין צד-הלחץ הגבוה ו-הלחץ הנמוך. מתאיםמשדר לחץ דיפרנציאליממירה את הפרש הלחץ המכני הזה לאות אלקטרוני שמיש.

באופן רחב יותר,תצורות משדרי לחץיש לבחור בהתאם ללחץ התהליך, הטמפרטורה, הטווח הנדרש, תנאי הסביבה ודרישות המערכת-בקרה.

כיצד פועל מד זרימת פתח?

1. נוזל מתקרב להגבלה

במעלה הזרם של הצלחת, הנוזל תופס את כל חתך הצינור-. עבור מדידה סטנדרטית, הזרימה המתקרבת צריכה לעמוד בתנאי ההתקנה הנדרשים בשיטת החישוב שנבחרה. מרפקים קרובים, שסתומים והפרעות אחרות יכולים לשנות את פרופיל המהירות לפני שהנוזל מגיע לפתח.

2. המהירות עולה דרך הפתח

הקדח מספק פחות שטח זרימה מאשר הצינור. כדי לשמור על המשכיות, הנוזל מאיץ כשהוא עובר דרך הפתח.

האצה זו היא מרכזית למדידת זרימת לחץ דיפרנציאלית-. המונה אינו מודד ישירות מהירות בצלחת; במקום זאת, הוא מודד את שינוי הלחץ הקשור לתאוצה.

3. נפילות לחץ סטטי

ככל שהמהירות עולה, הלחץ הסטטי יורד. העיקרון של ברנולי מספק את הקשר הפיזי הבסיסי בין לחץ, מהירות וגובה עבור זרימה אידיאלית, בעוד שחישובי פתחים מעשיים מוסיפים מקדמים המסבירים את התנהגות הנוזל האמיתית.

לכן הלחץ במעלה הזרם גבוה מהלחץ הנמדד בצד המורד של ההגבלה.

4. צורות וונה חוזה במורד הזרם

זרם הנוזל אינו מתרחב מיד לקוטר הצינור המלא לאחר חציית הצלחת. הוא ממשיך להתכווץ למרחק קצר במורד הזרם. המיקום שבו הסילון מגיע לשטח החתך המינימלי שלו- נקראvena contracta.

לאחר נקודה זו, הזרם מתרחב ולחץ סטטי מתאושש. ההתאוששות אינה מלאה מכיוון שהפרדה וערבולות מפזרות אנרגיה מכנית. חלק זה לא משוחזר מופיע כאובדן לחץ קבוע.

5. המערכת מודדת לחץ דיפרנציאלי

המשדר רואה שני אותות לחץ:

ΔP = P1 − P2

כאשר P1 הוא לחץ ההקשה במעלה הזרם ו-P2 הוא לחץ ההקשה במורד הזרם.

ככל שהזרימה עולה, הלחץ ההפרש עולה. הקשר, לעומת זאת, אינו ליניארי.

6. הפרש לחץ מומר לזרימה

עבור גיאומטריה קבועה ותנאי תהליך יציבים אחרת, הקשר הפשוט הוא:

Q ∝ √ΔP

יש לכך השלכה מעשית חשובה. אם הלחץ ההפרש יורד ל-25% מערך הסולם המלא שלו, הזרימה התיאורטית המתאימה היא בערך 50% מהקנה המידה המלא, לא 25%.

ניתן לבצע את פונקציית השורש הריבועי- בתוך משדר חכם או במחשב PLC, DCS או זרימה. בדרך כלל אין ליישם אותו פעמיים. של אמרסוןמדריך הנדסת זרימת DPמציין במפורש שניתן לבצע חילוץ שורש-מרובע במשדר או במקום אחר במערכת הבקרה ומזהיר מפני ביצועה בשני המיקומים.

האות המתקבל עשוי להצטבר גם על ידי aמצטבר זרימהכאשר היישום דורש נפח כולל או מסה לאורך זמן.

מה נכנס למשוואת זרימת הפתח בפועל?

הקשר השורשי-מרובע מסביר את העיקרון אך אינו משוואת גודל הנדסית מלאה. חישובים בפועל מסבירים את הגיאומטריה וההתנהגות של היסוד הראשוני ואת תכונות הנוזל.

משתנים חשובים כוללים:

• קוטר קדח פתח;
• קוטר פנימי של צינור;
• לחץ דיפרנציאלי;
• צפיפות נוזלים;
• מקדם פריקה;
• יחס בטא;
• מספר ריינולדס;
• מקדם הרחבה לנוזלים דחיסה.

מקדם פריקה

מקדם הפריקה, המיוצג בדרך כלל על ידי C, אחראי על ההבדל בין חישוב זרימה אידאלי לזרימה בפועל דרך ההגבלה. היא מושפעת מהגיאומטריה ומשטר הזרימה, וזו הסיבה שלא ניתן להחליף לוח פתח סטנדרטי בחור דומה בקירוב ולצפות לייצר את אותו בסיס חישוב.

גם מצב קצה הצלחת משנה. עיגול, משקעים, שחיקה או נזק מכני יכולים לשנות את התנהגות הזרימה המקומית ולכן להשפיע על ביצועי המדידה.

גורם הרחבה

עבור נוזלים, שינויים בצפיפות דרך אלמנט הלחץ ההפרש הם לעתים קרובות קטנים מספיק כדי להתייחס לנוזל כבלתי דחיס למעשה עבור החישוב הרלוונטי. גז וקיטור מתנהגים אחרת.

כאשר נוזל דחוס עובר דרך ההגבלה, שינויים בלחץ מלווים בשינויי צפיפות. גורם ההרחבה אחראי להשפעה זו בחישוב הפתח הרלוונטי. זו אחת הסיבות לגודל גז וקיטור דורש יותר מידע תהליך מאשר רק קוטר צינור וזרימה מקסימלית.

מהו יחס בטא ולמה זה משנה?

יחס בטא, שנכתב כ, הוא היחס בין קוטר פתח הפתח לקוטר הפנימי של הצינור:

= d / D

כאשר d הוא קוטר פתח הפתח ו-D הוא הקוטר הפנימי של הצינור במעלה הזרם.

קדח קטן יותר ביחס לצינור יוצר הגבלה חזקה יותר ובדרך כלל מייצר יותר לחץ דיפרנציאלי בזרימה נתונה. קדח גדול יותר מייצר פחות לחץ דיפרנציאלי ובדרך כלל פחות אובדן לחץ קבוע.

זה לא אומר שיחס בטא קטן מאוד או גדול מאוד הוא באופן אוטומטי טוב יותר. יחס בטא מקיים אינטראקציה עם מספר ריינולדס, מקדם פריקה, DP זמין, אי ודאות ורגישות להתקנה. יש לחשב אותו מתנאי התהליך בפועל ולא לבחור רק כדי ליצור טווח משדר נוח.

באיזה סידור ברז לחץ משתמשים?

ISO 5167-2:2022 מכסה לוחות פתח סטנדרטיים המשמשים עם ברזי אוגן, ברזים פינתיים וברזי D ו-D/2. המפרט ISO 5167-2 הרשמימגדיר גם גיאומטריה, התקנה ותנאי הפעלה עבור לוחות סטנדרטיים המשמשים בצינורות מעגליים מלאים.

ברזי אוגן

חיבורי לחץ ממוקמים באוגנים במרחקים סטנדרטיים ליד הצלחת. זהו הסדר תעשייתי נפוץ.

ברזי פינה

הלחץ מורגש מיד בסמוך לפנים במעלה הזרם ומורד הזרם של הצלחת.

D ו-D/2 ברזים

הברז במעלה הזרם ממוקם בקוטר צינור אחד במעלה הזרם, בעוד שהברז במורד הזרם ממוקם בקוטר חצי צינור במורד הזרם.

הסדרים אלה אינם מספקים רק שלוש דרכים שונות לחיבור צינורות. מיקום הברז משנה את הלחץ ההפרש הנמדד, ולכן תצורת ההקשה חייבת להתאים לשיטת החישוב המשמשת לקביעת הזרימה.

מה משפיע על דיוק מד הזרימה של מד הזרימה ועל אי ודאות המדידה?

כדאי יותר לחשוב על אי הוודאות של מערכת המדידה השלמה מאשר להקצות מספר דיוק גנרי אחד לכל מד פתחים.

גיאומטריה של אלמנט ראשוני

קוטר הקדח, שטוחות הצלחת, עובי, מצב-קצה חד וקוטר הצינור משפיעים כולם על המדידה הראשית. צלחת המיוצרת בצורה נכונה אך מותקנת לאחור יכולה גם להפיק תוצאה מחוץ לבסיס התכנון המיועד.

פרופיל זרימה

מרפקים, שסתומים פתוחים חלקית, מפחיתים ואביזרים אחרים יכולים ליצור פרופילי מהירות או אסימטריים. ההשפעה תלויה בהפרעה, במרחק שלה מהלוח ובגיאומטריית המטר.

זו הסיבה שאין הצהרה אוניברסלית שימושית לפיה כל מד פתח צריך בדיוק את אותו מספר קוטרי צינור במעלה הזרם. יש לבדוק את דרישות ההתקנה הסטנדרטיות עבור תצורת הצנרת בפועל.

מספר ריינולדס

מספר ריינולדס מתאר את הקשר בין השפעות אינרציאליות וצמיגות בנוזל הזורם. מכיוון שמקדם הפריקה קשור למשטר הזרימה, מספר ריינולדס מהווה חלק ממגבלות החישוב והישימות הסטנדרטיות.

ISO 5167-2 מפרט תנאי הפעלה מוגדרים ומגבלות יישום במקום להתייחס למקדם הלוח כבלתי תלוי במשטר הזרימה.

טווח משדר DP

משדר שמתפקד היטב בקרבת טווח הפעולה המתוכנן שלו עשוי לתרום באופן יחסי יותר אי ודאות כאשר הלחץ ההפרש הופך קטן מאוד.

זה משנה כי DP יורד במהירות ככל שהזרימה פוחתת. אם הזרימה היא 30% מהזרימה המתוכננת, הלחץ ההפרש הוא רק כ-9% מה-DP התכנון המקביל תחת היחס הריבועי הפשוט.

לפיכך, ביצועי זרימה נמוכים-תלויים ביותר מהדיוק הנומינלי של המשדר המודפס על גיליון נתונים.

ברזי לחץ וקווי אימפולס

ברזים חסומים, דליפות, ראשי נוזל לא שווים, גז כלוא או קונדנסט עלולים לייצר לחץ דיפרנציאלי שגוי לפני שהמשדר אפילו מעבד את האות.

זו הסיבה שבדיקת נתיב הלחץ המלא היא לרוב שימושית יותר מאשר כיול מחדש של המשדר באופן מיידי כאשר הקריאה הופכת לא יציבה.

צפיפות נוזלים ופיצוי

עבור תנאי גז או קיטור משתנים, הצפיפות עשויה להשתנות מספיק כדי להשפיע על הזרימה המחושבת. מערכת רב-משתנית יכולה לשלב לחץ וטמפרטורה סטטיים כך שהחישוב משקף את תנאי התהליך המשתנים.

כיול נשאר חלק מתהליך ניהול המדידה הכולל-. מדריך האתר עלכיצד לכייל מד זרימהמספק רקע נוסף, בעוד שמכשור לחץ עשוי להזדקק לתיעוד משלומרווח כיול של משדר לחץ.

היכן משתמשים במדדי זרימת פתח?

זרימת נוזלים

לוחות פתח יכולים למדוד נוזלים נקיים-חד פאזיים רבים כאשר אובדן לחץ ותנאי התקנה מקובלים. מים, נוזלי תהליך ופחמימנים הם דוגמאות נפוצות.

נוזלים מלוכלכים דורשים זהירות רבה יותר. משקעים עשויים לשנות את גיאומטריית הקדח, בעוד שמוצקים יכולים לשחוק את הקצה או לחסום ברזי לחץ.

זרימת גז

מדידת לחץ דיפרנציאלית-נמצאת גם בשימוש נרחב עבור גז. עם זאת, יש לקחת בחשבון את יכולת הדחיסה והצפיפות. מערכת המיועדת לדווח על נפח סטנדרטי או זרימת מסה עשויה להזדקק לפיצוי לחץ וטמפרטורה בנוסף ל-DP.

קוראים המעריכים יישומי גז יכולים להמשיך עם זה של האתרמדידת זרימת גז תעשייתיתאֶמְצָעִי.

זרימת קיטור

Steam הוא יישום זרימת DP- חשוב מכיוון שלאלמנט הראשי אין מנגנון מדידה מסתובב החשוף לתהליך הטמפרטורה הגבוהה-.

החלק הקשה הוא לרוב לא הצלחת אלא מערכת מדידת הלחץ. בסידורי רגליים רטובים- קונבנציונליים, יש לנהל עיבוי בקווי הדחף כך ששני הצדדים יציגו ראש לחץ יציב ודומה למשדר. שיפוע קו לקוי, רגלי עיבוי לא שוות או אדים הנכנסים למשדר עלולים ליצור בעיות מדידה ואמינות.

צפיפות הקיטור משתנה גם עם מצב ההפעלה, כך שמערכת המשמשת בטווח לחץ או טמפרטורה רחב עשויה לדרוש פיצוי. טכנולוגיות קיטור חלופיות נדונות באתרמד זרימת קיטורסָעִיף.

מתי צלחת פתח היא בחירה גרועה?

מערכת פתחים היא אטרקטיבית מכיוון שהאלמנט העיקרי הוא פשוט וסטנדרטי, אבל היתרונות-שלה חשובים.

• לחץ קבוע גבוה-עלות אובדן:אם אנרגיית המשאבה או המדחס קריטית, אלמנט ראשוני אחר עשוי לספק התאוששות לחץ טובה יותר.
• נוזל שוחק או משקף-:שחיקת קצה וברזים חסומים יכולים לערער את המדידה.
• טווח פעולה רחב מאוד:זרימה נמוכה מייצרת DP קטן מאוד, מה שיכול להפוך את המערכת השלמה לפחות מתאימה מטכנולוגיה אחרת.
• פעימה חזקה:היקף תקן ISO 5167-2 אינו כולל זרימה פועמת.
• צנרת לקויה במעלה הזרם:סחרור או מהירות-עיוות פרופיל חמור עלול להפוך התקנה רגילה לבלתי מעשית ללא עיצוב מחדש.
• נדרשת זרימת מסה ישירה:מערכת פתחים דורשת בדרך כלל מידע נוסף על לחץ, טמפרטורה וצפיפות במקום מדידת מסה מטבעה.

פתח נגד ונטורי, וורטקס, טורבינה וקוריוליס

A מד זרימה ונטורישווה במיוחד להשוות כאשר אובדן לחץ קבוע חשוב. קטעי ההתכנסות וההתאוששות ההדרגתיים שומרים בדרך כלל על לחץ רב יותר מההתפשטות הפתאומית במורד הזרם של פתח.

עבור שירות קיטור או שירות, השווה את האפליקציה עם אמד זרימת מערבולת. עבור נוזלים נקיים שבהם רוטור מכני מקובל, הטווח מד זרימת טורבינהמספק גישת מדידה נוספת. כאשר זרימת המונים ישירה היא בראש סדר העדיפויות, המדריך של האתר לעקרון עבודה של מד זרימה של קוריוליסמסביר שיטה שונה מהותית.

שירותים נזילים מוליכים עשויים גם להצדיק השוואה עם אמד זרימה אלקטרומגנטי, במיוחד כאשר רצוי לבטל הגבלה חודרנית.

כיצד לבחור מד זרימת פתח

מפרט שימושי מתחיל בתהליך, לא בגודל האוגן.

1. זהה את הנוזל והשלב.ציינו האם התהליך הוא נוזל, גז או קיטור והאם הוא נשאר חד פאזי בתנאי הפעלה.
2. לספק מינימום, רגיל ומקסימום זרימה.זרימת עיצוב יחידה אינה מספיקה כדי להעריך- DP זרימה נמוכה או יכולת טווח נדרשת.
3. הגדר לחץ וטמפרטורה.כלול תנאים רגילים ועיצוביים. חישובי גז וקיטור עשויים להזדקק גם לערכים אלה עבור פיצוי צפיפות.
4. אשר את קוטר הצינור הפנימי.גודל צינור נומינלי לא תמיד מספיק לחישוב{0}}אלמנט ראשי מדויק.
5. קבע אובדן לחץ קבוע מותר.זה עשוי להפוך לאילוץ אנרגיה-במחזור החיים ולא רק לבעיית מכשור.
6. בחר גיאומטריה וחומר של לוחות.שקול את ניקיון הנוזל, קורוזיה, טמפרטורה ותקנים ישימים.
7. קבע יחס בטא ועיצוב DP.אלה צריכים להיות מחושבים יחד ולא לבחור באופן עצמאי.
8. בחר את סידור הברז הנדרש.על הברזים להתאים לבסיס החישוב.
9. גודל משדר DP.הערך את ה-DP הצפוי על פני טווח הפעולה האמיתי, לא רק בזרימה מקסימלית.
10. הגדר פיצוי ותפוקה.קבע אם המערכת זקוקה למיצוי שורש-מרובע, סיכום, פיצוי לחץ/טמפרטורה או חישוב זרימת מסה-.
11. בדוק את פריסת הצנרת.סקור שיבושים במעלה הזרם, דרישות ריצה ישרה-, מיקום המשדר וניתוב קו דחף- לפני שתסיים את התכנון.

שגיאות התקנה והפעלה נפוצות

אמרסון מתארת ​​מערכות זרימת DP כשילוב של האלמנט העיקרי, משדר לחץ דיפרנציאלי ורכיבים תומכים כגון צנרת דחף, שסתומים ומחברים. תצוגת רמת-מערכת זו שימושית במהלך פתרון בעיות מכיוון שצלחת טובה אינה יכולה לתקן אות לחץ גרוע. ראה את זה של אמרסוןסקירה כללית של מדידת זרימת לחץ דיפרנציאליתלרקע טכני נוסף.

שאלות נפוצות

האם מד זרימת פתחים הוא מד זרימת לחץ דיפרנציאלי?

כֵּן. לוח הפתח יוצרת הפרש לחץ מבוקר, ומערכת המדידה משתמשת ב-DP הזה כדי לקבוע זרימה.

מדוע הזרימה משתנה עם השורש הריבועי של הלחץ ההפרש?

עבור גיאומטריה קבועה ותנאי נוזל יציבים, הלחץ ההפרש משתנה בערך עם ריבוע הזרימה. לכן הזרימה המחושבת משתנה עם השורש הריבועי של DP.

מה החיסרון העיקרי של מד פתחים?

אובדן לחץ קבוע הוא אחת ההפרעות העיקריות-. ההגבלה הפתאומית והפרדת הזרימה במורד הזרם מפזרת אנרגיה שאינה מוחזרת במלואה.

מהו יחס בטא?

יחס בטא הוא קוטר פתח הפתח חלקי הקוטר הפנימי של הצינור. זה משפיע על DP שנוצר, התנהגות פריקה, אובדן לחץ ותנאי הגודל החלים.

האם מד זרימת פתח יכול למדוד קיטור?

כֵּן. האלמנט העיקרי מתאים היטב לשירות-טמפרטורות גבוהות, אך מדידת קיטור מדויקת תלויה גם במצב הקיטור, חישוב צפיפות, מידע על לחץ וטמפרטורה, והתקנת קו דחף- נכונה.

האם כל לוחית פתחים דורשת את אותו אורך צינור ישר?

לא. הדרישה תלויה בהפרעה במעלה הזרם, ביחס בטא, בסידור הצנרת ובתקן החישוב הרלוונטי. אין להחיל מספר ריצה אחד ישר- על כל התקנה.

באיזו תדירות יש לכייל מד זרימת פתחים?

אין מרווח אוניברסלי עבור המערכת השלמה. תדירות הכיול צריכה לשקף את קריטיות המדידה, יציבות המשדר, תנאי השירות, היסטוריית התחזוקה ואיכות-דרישות המערכת. בדיקת לוחות ובדיקות נתיב-לחץ נפרדות מכיול המשדר.

האם ניתן להשתמש בתקן ISO 5167 עבור כל יישום פתחים?

מס' ISO 5167-2 מגדיר היקף ספציפי עבור לוחות פתח סטנדרטיים ותנאי הפעלה. לפי הסיכום הסטנדרטי הרשמי, הוא חל על צינורות מלאים, סידורי הקשה- בלחץ מוגדרים, זרימה תת-קולית חד-פאזית- וגודל מוגדר וטווחי מספרי ריינולדס; זרימה פועמת היא מחוץ להיקף המוצהר שלה.

מַסְקָנָה

מד זרימת פתח ממיר הגבלה הידראולית מבוקרת ללחץ דיפרנציאלי שיכול להיות קשור לזרימה. הצלחת יוצרת את שינוי המהירות והלחץ, ברזי לחץ משדרים את האותות המתקבלים, ומשדר ה-DP או מערכת הבקרה מבצעים את ההמרה הדרושה לאיוויון זרימה ולסיכום.

מדידה אמינה תלויה במערכת השלמה. יחס בטא, מקדם פריקה, מספר ריינולדס, צפיפות הנוזל, מצב הפלטה, פרופיל הזרימה, סידור ברז הלחץ, טווח המשדר והפיצוי כולם משפיעים על התוצאה הסופית.

עבור יישום חדש, הגדר את הנוזל, השלב, טווח זרימת הפעולה, הלחץ, הטמפרטורה, מזהה הצינור, אובדן הלחץ המותר וביצועי המדידה הנדרשים לפני גודל הצלחת. לאחר מכן ודא שסידור הצנרת והמשדר יכולים לתמוך בטווח ה-DP הצפוי. תהליך זה מקל הרבה יותר לקבוע אם מד פתחים מתאים או שטכנולוגיית Venturi, מערבולת, טורבינה, אלקטרומגנטית או Coriolis מציעה התאמה טובה יותר.