Jak funguje diferenční tlakoměr? Kompletní průvodce

Měření tlaku je zásadní pro bezpečné a efektivní průmyslové operace, ale měření jednoho tlakového bodu vypráví pouze část příběhu. V mnoha kritických systémech – od vzduchotechnických jednotek HVAC po hydraulické okruhy a chemické zpracovatelské závody – je nejdůležitější rozdíl v tlaku mezi dvěma body. Přesně k tomu je diferenční tlakoměr navržen. Pochopení toho, jak tento nástroj funguje, proč je nezbytný a kde se používá, může významně ovlivnit, jak dobře budete udržovat a odstraňovat problémy se systémy, které na něm závisí.

Co je to diferenční tlakoměr?

Diferenciál tlakoměr je přístroj, který měří tlakový rozdíl mezi dvěma samostatnými body v systému a zobrazuje tento rozdíl jako jeden údaj. Na rozdíl od standardního tlakoměru, který měří tlak vzhledem k atmosférickému tlaku (přetlak) nebo absolutnímu vakuu (absolutní tlak), se diferenční tlakoměr připojuje ke dvěma procesním bodům současně – vysokotlakému portu a nízkotlakému portu – a zobrazuje matematický rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami.

Tento rozdíl, často psaný jako ΔP (delta P), má obrovskou diagnostickou a provozní hodnotu. Dokáže odhalit, jak velký odpor nashromáždil filtr, jak rychle tekutina protéká potrubím, zda čerpadlo funguje správně nebo zda není znečištěný výměník tepla. Samotnému tlakoměru je jedno, jaké jsou jednotlivé tlaky – pouze mezera mezi nimi – a proto jej lze použít v mimořádně širokém rozsahu tlaků a aplikací pouhým výběrem vhodného rozsahu snímání.

Základní princip fungování

Na své nejzákladnější úrovni funguje diferenční tlakoměr tak, že vystaví dvě strany snímacího prvku dvěma různým tlakům a měří mechanickou nebo elektrickou odezvu na silovou nerovnováhu. Snímací prvek – fyzická součást, která reaguje na tlakový rozdíl – je srdcem přístroje a jeho konstrukce určuje přesnost, rozsah a vhodnost měřidla pro různá média.

Když je aplikován vysoký tlak na vysokotlaký port a nižší tlak na nízkotlaký port, snímací prvek se vychyluje nebo deformuje úměrně rozdílu. Tato výchylka je poté převedena na čitelný výstup – buď pohyb jehly na číselníku mechanických měřidel, nebo napěťový nebo proudový signál v elektronických vysílačích. Stupnice na displeji je speciálně kalibrována tak, aby představovala tlakový rozdíl spíše než absolutní tlak, takže hodnota nula znamená, že oba porty jsou na stejném tlaku, bez ohledu na skutečnou úroveň tlaku v systému.

Klíčové vnitřní komponenty a jejich role

Různé konstrukce měřidel používají různé vnitřní architektury, ale u většiny mechanických diferenčních tlakoměrů jsou běžné následující součásti:

Bránice

Membrána je nejpoužívanějším snímacím prvkem u diferenčních tlakoměrů. Jedná se o tenký pružný kotouč – obvykle vyrobený z nerezové oceli, Hastelloy nebo jiných slitin odolných proti korozi – který je sevřen mezi dvěma tlakovými komorami. Na jednu stranu působí vysoký tlak, na druhou nízký tlak a membrána se ohýbá směrem k nízkotlaké straně úměrně tlakovému rozdílu. Tato flexe je mechanicky spojena s ukazatelem měřidla prostřednictvím páky a převodové sestavy, která pohání jehlu přes kalibrovaný číselník. Membránové tlakoměry jsou vhodné pro kapaliny, plyny a viskózní média a lze je vyrábět ze smáčených materiálů vhodných pro korozivní nebo hygienické aplikace.

Bourdonova trubice (v některých provedeních)

Některé diferenční tlakoměry používají duální uspořádání Bourdonových trubic, kde je každá trubice připojena k jednomu z tlakových portů a mechanické výstupy obou trubek jsou odečteny prostřednictvím diferenciálního propojení. Tato konstrukce je běžnější ve vysokotlakých aplikacích, kde je průhyb membrány příliš malý na přesné měření. Konstrukce Bourdonových trubek bývají robustnější při vysokých statických tlacích a často se vyskytují v hydraulických a vysokotlakých plynových systémech.

Prvek kapsle

Kapsle jsou v podstatě dvě membrány svařené dohromady na jejich okrajích, aby vytvořily utěsněnou komoru. U diferenciálních měřidel kapslí je jedna strana kapsle vystavena vysokotlakému procesu a druhá nízkotlaké referenci. Prvky kapslí jsou vysoce citlivé a jsou upřednostňovány pro měření velmi malých diferenčních tlaků – často v rozsahu několika milibarů – což z nich činí standardní volbu v aplikacích pro monitorování filtrů HVAC a řízení tlaku v čistých prostorách.

Pohyb a zobrazení

Mechanický pohyb převádí malé fyzické vychýlení snímacího prvku do rotačního pohybu, který pohání jehlu ukazatele. Sada ozubených kol s hřebenem a pastorkem nebo sektorů s pastorkem zesiluje nepatrný pohyb membrány do úplného pohybu ukazatele – obvykle 270 stupňů oblouku přes ciferník. Na číselníku je vytištěna stupnice v jednotkách tlakového rozdílu, jako je Pa, mbar, kPa, psi nebo palce vodního sloupce (inWC), v závislosti na aplikaci a regionální normě.

Typy diferenčních tlakoměrů

Trh nabízí několik různých typů diferenčních tlakoměrů, z nichž každý je optimalizován pro různé rozsahy měření, média a instalační prostředí. Výběr špatného typu je jednou z nejčastějších příčin předčasného selhání měřidla nebo nepřesných údajů.

Jak diferenční tlak ukazuje průtok

Jednou z nejdůležitějších a nejrozšířenějších aplikací měření diferenčního tlaku je odvození průtoku. Když tekutina prochází omezením – jako je clona, ​​Venturiho trubice nebo proudová tryska – její rychlost se zvyšuje a její statický tlak klesá v souladu s Bernoulliho principem. Čím rychlejší je průtok, tím větší je pokles tlaku přes omezení. Změřením tohoto poklesu tlaku pomocí diferenčního tlakoměru mohou inženýři vypočítat objemový nebo hmotnostní průtok potrubím.

Tato technika je známá jako měření průtoku diferenčního tlaku a používá se již více než století. Zůstává nejběžnější metodou měření průtoku v potrubí s velkým průměrem a vysokotlakých systémech, zejména v ropě a plynu, úpravě vody a výrobě energie. Měřidlo je připojeno k odběrným místům na obou stranách omezovacího prvku – proti proudu na vysokotlakém portu a po proudu na nízkotlakém portu – a údaj ΔP je přiváděn do vzorce pro výpočet průtoku nebo přímo do počítače průtoku, který vydává konečný průtok v technických jednotkách.

Monitorování filtrů: Jedno z nejběžnějších použití v reálném světě

Čistý filtr klade velmi malý odpor vůči proudění kapaliny nebo vzduchu, takže rozdíl tlaku v něm je malý. Když se ve filtru hromadí pevné částice a dochází k jejich zablokování, zvyšuje se odpor a stoupá diferenční tlak. Diferenční tlakoměr namontovaný na filtru proto funguje jako přímý indikátor stavu filtru v reálném čase – žádné dohady, žádná plánovaná výměna v libovolných časových intervalech, pouze objektivní měření skutečného omezení.

Tato aplikace je všudypřítomná v mnoha odvětvích a prostředích:

• Vzduchotechnické jednotky HVAC: Diferenciální měřidla typu kapsle monitorují zatížení vzduchového filtru a signalizují, kdy je třeba filtry vyměnit, čímž zabraňují ztrátám proudění vzduchu a plýtvání energií.
• Hydraulické systémy: Pístová měřidla monitorují filtry zpětného potrubí a tlakového potrubí v mobilních strojích a průmyslové hydraulice, aby se zabránilo poškození součástí kontaminovanou kapalinou.
• Úpravny vody: Diferenciální měřidla napříč multimediálními nebo pískovými filtry upozorňují obsluhu, když je potřeba provést zpětné proplachování.
• Odlučovače ropy a plynu: Koalescenční filtrační prvky v jednotkách na úpravu plynu jsou nepřetržitě monitorovány, aby byla zachována účinnost separace.
• Farmaceutický a potravinářský průmysl: Sterilní vzduchové a kapalinové filtry v hygienických procesech jsou monitorovány, aby byla zajištěna integrita, aniž by bylo nutné otevírat systém pro vizuální kontrolu.

Pokyny k instalaci, které ovlivňují přesnost

Diferenciál pressure gauge can only provide accurate readings if it is installed correctly. Several practical installation factors commonly cause errors in field measurements, and understanding them prevents costly misdiagnosis of system problems.

• Orientace impulsní linie: Potrubí spojující porty měřidla s procesem musí být správně nakloněno, aby se zabránilo vzniku plynových kapes v potrubích naplněných kapalinou nebo odlučovačů kapalin v potrubích naplněných plynem. Oba způsobují chyby nulového offsetu, které způsobují, že měřidlo čte nesprávně, i když je skutečný ΔP nulový.
• Statický tlak: Manometr musí být dimenzován na maximální statický (potrubní) tlak v systému, nikoli pouze na rozsah diferenčního tlaku. Tlakoměr dimenzovaný na 1 bar ΔP může být instalován na 100 barový systém – pokud je statický tlak nedostatečný, snímací prvek selže katastrofálně.
• Vyrovnávací ventil: Mezi měřidlo a proces by měl být instalován tříventilový rozdělovač s vyrovnávací ventilem. To umožňuje vynulování tlakoměru na obou stranách při stejném tlaku a bezpečné izolování pro údržbu, aniž by bylo nutné odstavit procesní linku.
• Vibrace a pulsace: Ve výtlačných potrubích čerpadel a kompresorů může silná pulsace rychle poškodit mechanické pohyby měřidel. V těchto prostředích by se měly používat měřidla naplněná kapalinou nebo tlumiče pulzací.
• Teplotní kompenzace: Extrémní teploty – vysoké i nízké – ovlivňují elasticitu snímacích prvků a viskozitu plnicích kapalin v měřidlech naplněných kapalinou. Vždy specifikujte měřidlo pro skutečný rozsah provozních teplot, nejen pro okolní podmínky.

Elektronické převodníky diferenciálního tlaku vs. mechanická měřidla

Zatímco mechanické diferenční tlakoměry poskytují místní vizuální odečet bez jakéhokoli požadavku na napájení, elektronické snímače diferenčního tlaku nabízejí významné výhody pro moderní automatizované systémy. Převodník používá piezoelektrický nebo kapacitní snímací článek k převodu tlakového rozdílu na proudový signál 4–20 mA nebo digitální výstup (jako je HART, PROFIBUS nebo Foundation Fieldbus), který lze přivádět přímo do distribuovaného řídicího systému (DCS) nebo programovatelného logického ovladače (PLC).

Elektronické vysílače nabízejí možnost vzdáleného monitorování, záznam dat, integraci alarmů a mnohem větší přesnost – obvykle 0,05 % až 0,1 % rozpětí ve srovnání s 1 % až 2 % u mechanických měřidel. Jsou také konfigurovatelné pro více rozsahů bez fyzické výměny. Vyžadují však napájecí zdroj, jsou dražší a zvyšují složitost přístrojové smyčky. Pro mnoho aplikací se používá kombinace obou: mechanické měřidlo pro rychlou místní indikaci a elektronický vysílač pro integraci řídicího systému a sledování trendů.

Proč je měření rozdílu tlaku důležité pro zdraví systému

Odečet tlakového rozdílu na komponentě je jedním z nejinformativnějších jednotlivých měření dostupných v procesním systému. Rostoucí ΔP přes filtr signalizuje progresivní zanášení. Klesající ΔP přes čerpadlo indikuje klesající výkon nebo kavitaci. Neočekávaně nízký AP přes omezení průtoku může signalizovat únik obtoku nebo prasklý prvek. Protože se ΔP mění s fyzikálními podmínkami uvnitř systému – nejen v jednom bodě měření – poskytuje přehled o tom, co se děje uvnitř zařízení, které nelze během provozu otevřít ani zkontrolovat.

Pro týmy údržby integrace monitorování diferenčního tlaku do strategie prediktivní údržby výrazně snižuje neplánované prostoje. Namísto výměny filtrů podle kalendářního plánu – což je buď příliš brzy, ztráta životnosti nebo příliš pozdě, což umožňuje poškození systému – výměna založená na ΔP zajišťuje maximální využití filtru a chrání následné zařízení před kontaminací. Stejná logika platí pro výměníky tepla, sítka, koalescery a jakoukoli součást, kde se v průběhu času postupně vyvíjí znečištění nebo omezení. Dobře zvolený a správně nainstalovaný diferenční tlakoměr je v mnoha případech tím jediným nejhospodárnějším nástrojem v sadě nástrojů údržby.