Что такое датчик перепада давления?
Датчик перепада давления — полевой прибор, который измеряет разность давлений, полученных через два отдельных технологических присоединения, и преобразует ее в стандартный электрический сигнал. От датчиков избыточного и абсолютного давления он отличается тем, что опорой служит не постоянная величина, а вторая точка процесса. Благодаря этому многие величины, недоступные прямому измерению, вычисляются через перепад давления.
Наиболее распространенная задача — расчет расхода по потере давления на первичном преобразователе. Через перепад давления определяют также уровень жидкости в закрытых и открытых емкостях, положение границы раздела двух жидкостей и плотность. На фильтрах, сетчатых фильтрах и теплообменниках разность между входом и выходом служит основным признаком загрязнения и засорения.
При измерении перепада давления обе стороны прибора находятся под давлением линии. Поэтому наряду с диапазоном измерений качество результата определяют стойкость к статическому давлению, влияние давления в линии на нуль и диапазон, схема импульсных линий и выбор клапанного блока. Правильно спроектированная точка измерения позволяет также безопасно отключать датчик на время обслуживания.
Принцип измерения перепада давления
Датчик подает давления, поступающие через два технологических присоединения, на противоположные стороны одного чувствительного элемента и измеряет разность между ними.
1. Отбор давления с двух сторон: Сторона высокого и сторона низкого давления подключаются к двум изолирующим мембранам датчика через импульсные линии или напрямую.
2. Передача разности к сенсору: Давление, действующее на каждую мембрану, передается заполняющей жидкостью на противоположные поверхности чувствительного элемента; сенсор воспринимает только разность между ними.
3. Цифровая обработка: Электроника обновляет данные сенсора 48 раз в секунду, в быстродействующем исполнении 167 раз, и корректирует их по данным калибровки и характеризации.
4. Формирование выходного сигнала: Результат преобразуется в двухпроводный сигнал 4–20 мА с линейной или корнеизвлекающей характеристикой; цифровые данные HART накладываются на этот ток.
Сторона высокого и сторона низкого давления
Направление подключения двух сторон датчика задает знак результата, поэтому при монтаже стороны высокого и низкого давления выбирают по направлению потока в процессе. Если из-за неверной последовательности операций с вентилями полное давление линии попадает только на одну сторону, на выходе возникает смещение и прибор требуется обнулить заново.
Измерение расхода по перепаду давления
Перепад давления на первичном преобразователе расхода пропорционален квадрату расхода. Корнеизвлекающая характеристика датчика превращает эту зависимость в линейный сигнал расхода. С такими первичными преобразователями, как диафрагма, осредняющая напорная трубка и встроенная диафрагма, датчик заказывается и в виде расходомера, собранного на заводе. Класс точности, оптимизированный для измерения расхода, обеспечивает основную погрешность ±0,04 % от измеренного значения при сужении диапазона от верхнего предела измерений до 8:1.
Измерение уровня и плотности по перепаду давления
В закрытом аппарате перепад давления между нижним и верхним присоединениями является функцией высоты столба жидкости и ее плотности. Для сред с высокой температурой, абразивных или склонных к засорению вместо импульсных линий применяют системы с мембранными разделителями. В конфигурации для измерения уровня основная погрешность составляет ±0,055 % или ±0,065 % от диапазона в зависимости от класса точности.
Статическое давление в линии и подстройка нуля
Наряду с малым измеряемым перепадом сенсор может находиться под высоким статическим давлением линии. Прибор сохраняет нормированные характеристики при статическом давлении от 0,03 бар до 250 бар в зависимости от кода диапазона; с опцией высокого статического давления этот предел повышается до 425,4 бар. Давление в линии вызывает небольшое смещение нуля: ±0,025 % от верхнего предела измерений на каждые 68,95 бар в высокоточном классе и ±0,05 % в стандартном. Это смещение устраняется подстройкой нуля, выполняемой под рабочим давлением линии.
Функция обнаружения засорения импульсных линий отслеживает изменение технологического шума и сообщает о заполненных или замерзших линиях до того, как измерение нарушится; статистический мониторинг процесса контролирует изменчивость результата и помогает заранее заметить проблемы оборудования.
Ключевые особенности
· Широкий охват по перепаду давления: Коды диапазонов от ±7,47 мбар до ±137,89 бар; в исполнении с универсальным диапазоном –2,49 … 2,49 бар и перенастройка 800:1.
· Стойкость к высокому статическому давлению: Статическое давление в линии до 250 бар; с опцией высокого статического давления 425,4 бар.
· Класс точности для измерения расхода: Основная погрешность ±0,04 % от измеренного значения при сужении диапазона до 8:1 от верхнего предела измерений.
· Корнеизвлекающий выход: Линеаризация зависимости перепада давления и расхода внутри прибора, а также прикладные конфигурации для уровня, объема и суммарного расхода.
· Обнаружение засорения импульсных линий: Раннее выявление заполненной или замерзшей импульсной линии по изменению технологического шума.
· Интегральные клапанные блоки: Возможность заказать клапанные блоки на два, три и пять вентилей, а также традиционные и уровневые фланцы как единый узел.
· Совместимость с мембранными разделителями: Применение с системами разделителей для измерения уровня и плотности абразивных, вязких и горячих сред.
· Быстрый отклик: Полное время отклика 80 мс, 40 мс с быстродействующим сенсором; время запаздывания 40 мс или 20 мс.
· Встроенные релейные выходы: Два двухполюсных переключающих реле в клеммном блоке для местной сигнализации и управления.
· Графический индикатор и вынесенный интерфейс: Графический ЖК-индикатор 128 × 128 пикселей с подсветкой и опция вынесенного интерфейса; локальная настройка по Bluetooth.
Технические характеристики
Приведенные данные относятся к измерению перепада давления; точные значения определяются выбранным кодом диапазона, классом точности и схемой присоединения.
Параметр | Технические данные |
Вид измерения | Перепад давления (два технологических присоединения) |
Диапазоны перепада давления | ±7,47 мбар, ±62,16 мбар, ±621,60 мбар, ±2,49 бар, ±20,68 бар, ±137,89 бар; универсальный диапазон –2,49 … 2,49 бар |
Основная погрешность | ±0,025 % от диапазона (высокоточный класс) / ±0,035 % (стандартный); на младших диапазонах ±0,09 % / ±0,10 %; в классе для измерения расхода ±0,04 % от измеренного значения |
Суммарная погрешность | ±0,1 % от диапазона (высокоточный класс) / ±0,14 % (стандартный) при изменении температуры на ±28 °C, относительной влажности 0–100 % и перенастройке 1:1–5:1 |
Долговременная стабильность | ±0,10 % от ВПИ за 20 лет (высокоточный класс); ±0,15 % от ВПИ за 20 лет (стандартный) |
Коэффициент перенастройки диапазона | 200:1 или 150:1; 800:1 с универсальным диапазоном |
Предел статического давления в линии | От 0,03 бар до 250 бар в зависимости от кода диапазона; 425,4 бар с опцией высокого статического давления |
Предел перегрузки | 51,7 бар, 137,9 бар или 250,0 бар в зависимости от кода диапазона; 425,4 бар с опцией высокого статического давления |
Влияние давления в линии (нуль) | ±0,025 % от ВПИ на каждые 68,95 бар (высокоточный класс) / ±0,05 % (стандартный); устраняется подстройкой нуля под давлением линии |
Влияние давления в линии (диапазон) | ±0,1 % от измеренного значения на каждые 68,95 бар |
Влияние монтажного положения | Смещение нуля до 3,11 мбар; устраняется подстройкой нуля, на диапазон не влияет |
Динамические характеристики | Полное время отклика 80 мс, 40 мс в быстродействующем исполнении; время запаздывания 40 / 20 мс; частота обновления 48 / 167 раз в секунду |
Выход и связь | Двухпроводный 4–20 мА, линейная или корнеизвлекающая характеристика; цифровая связь HART; опционально два встроенных релейных выхода |
Питание | Датчик 11,5–42,4 В пост. тока; отдельное питание реле 21,5–60 В пост. тока или 20–264 В перем. тока |
Технологическое присоединение | ¼–18 NPT с межосевым расстоянием 54 мм; ½–14 NPT с фланцевым адаптером; варианты интегрального клапанного блока, традиционного и уровневого фланца |
Изолирующая мембрана | Нержавеющая сталь 316L, сплав C-276, сплав 400, тантал, сплав 400 с золотым покрытием, нержавеющая сталь 316L с золотым покрытием |
Температура окружающей среды | От –40 °C до 85 °C; –50 °C / –60 °C с исполнениями для холодного климата |
Корпус | Алюминиевый сплав с низким содержанием меди или литая нержавеющая сталь; Type 4X, IP66 и IP68 (20 м, 168 часов) |
В конфигурации для измерения уровня основная погрешность составляет ±0,055 % или ±0,065 % от диапазона; в системах с мембранными разделителями дополнительно рассчитывают влияние типа разделителя, заполняющей жидкости и температуры.
Основные преимущества
· Много величин одним измерением: Расход, уровень, граница раздела, плотность и загрязнение фильтров контролируются по одному и тому же принципу измерения.
· Работа при высоком давлении линии: Измерение малых перепадов при статическом давлении 250 бар, а в опционном исполнении 425,4 бар.
· Устойчивость результата при измерении расхода: Класс точности, оптимизированный для расхода, и корнеизвлекающий выход сохраняют качество измерения в широком диапазоне расходов.
· Раннее предупреждение: Обнаружение засорения импульсных линий и статистический мониторинг процесса позволяют планировать обслуживание до нарушения измерения.
· Удобство обслуживания: Варианты интегральных клапанных блоков объединяют отсечение и подстройку нуля в одном монтажном узле.
· Адаптация к сложным средам: Системы с мембранными разделителями и шесть вариантов смачиваемых материалов расширяют область применения.
Области применения
Датчики перепада давления применяются всюду, где разность давлений между двумя точками представляет технологическую величину.
Измерение расхода с первичным преобразователем
Измерение расхода жидкости, газа и пара с диафрагмой, осредняющей напорной трубкой и встроенной диафрагмой; решения в виде расходомеров, собранных на заводе.
Уровень в аппаратах и резервуарах
Измерение уровня, положения границы раздела двух жидкостей и плотности в закрытых и открытых емкостях; при необходимости с системами мембранных разделителей.
Контроль фильтров, сетчатых фильтров и теплообменников
Определение загрязнения, засорения и момента очистки по перепаду давления между входом и выходом.
Насосы, вентиляторы и компрессоры
Контроль перепада давления на входе и выходе оборудования для раннего обнаружения потери производительности и засорения.
Нефть, газ и нефтепереработка
Измерение перепада давления при высоком статическом давлении линии; смачиваемые материалы по требованиям NACE MR0175/ISO 15156 и MR0103 для сероводородсодержащих сред.
Энергетика и вспомогательные системы
Измерение расхода в линиях питательной воды котлов, пара и охлаждающей воды, а также контроль уровня в аппаратах.
Критерии выбора датчика перепада давления
При измерении перепада давления достоверный результат зависит не только от прибора, но и от правильно спроектированной схемы монтажа.
Диапазон измерений и статическое давление
· Ожидаемые минимальный и максимальный перепад давления и требуемый калиброванный диапазон
· Максимальное статическое давление линии и необходимость опции высокого статического давления
· Вероятность односторонней перегрузки и предел перегрузки
· Сужение диапазона при измерении расхода и требуемый класс точности
Присоединение, клапанный блок и импульсные линии
· Выбор клапанного блока на два, три или пять вентилей и сценарий обслуживания
· Длина и уклон импульсных линий, риск замерзания и засорения
· Необходимость мембранных разделителей и тип разделителя
· Монтаж совместно с первичным преобразователем расхода или раздельно
Класс точности и диагностика
· Требуемая суммарная неопределенность измерения и периодичность калибровки
· Потребность в обнаружении засорения импульсных линий и статистическом мониторинге
· Требования по взрывозащите и функциональной безопасности
· Температура окружающей среды, вибрация и ожидаемая степень защиты
Если достаточно контроля давления в одной точке, более простым и экономичным решением будут датчики избыточного или абсолютного давления.
Сертификаты и соответствие
В зависимости от выбранных кодов опций для датчика доступны следующие одобрения и подтверждения соответствия:
Стандарт / сертификат | Область и описание |
ATEX | Виды взрывозащиты: взрывонепроницаемая оболочка, искробезопасная цепь, повышенная защита для зоны 2 и защита от воспламенения пыли. |
IECEx | Международные одобрения для взрывоопасных зон; отдельные или комбинированные варианты. |
IEC 61508 | Сертификат функциональной безопасности и данные FMEDA для применения в функциях безопасности. |
NACE MR0175 / ISO 15156 и MR0103 | Требования к смачиваемым материалам для сероводородсодержащих сред добычи и нефтепереработки; сертификат заказывается опцией. |
IP66 / IP68 и Type 4X | Степени защиты корпуса; для IP68 нормированы условия 20 м и 168 часов. |
NAMUR NE 43 / NE 107 | Настройка сигнализации и информации о состоянии в соответствии с уровнями сигнала и подходом к самоконтролю. |
Объем одобрений зависит от заказанного кода опции; действующие для конкретного проекта сертификаты взрывозащиты и функциональной безопасности следует подтверждать на этапе подготовки предложения.
Поддержка TLY Enerji в измерении перепада давления
При измерении перепада давления источником погрешности чаще оказывается не прибор, а проект самой точки измерения. TLY Enerji исходит из технологических данных, давления в линии и свойств среды: определяет диапазон измерений и класс точности, оценивает схему импульсных линий и клапанного блока и при необходимости предлагает решение с мембранными разделителями.
Для задач измерения расхода первичный преобразователь и датчик подбираются совместно, рассчитываются сужение диапазона и ожидаемая неопределенность. На этапе предложения технические данные приборов, сертификаты взрывозащиты и на материалы сопоставляются с проектной спецификацией, а на пусконаладку планируются подстройка нуля под давлением линии и проверка контура. Для действующих установок готовятся предложения по точкам с нестабильными показаниями или частыми засорениями. Для служб обслуживания порядок работы с клапанным блоком и шаги подстройки нуля включаются в документацию.
Часто задаваемые вопросы
Для чего нужен датчик перепада давления?
Датчик перепада давления измеряет разность давлений между двумя точками процесса. Эта разность может представлять расход на первичном преобразователе, уровень жидкости или плотность в аппарате, а на фильтре — степень его загрязнения. Таким образом величины, прямое измерение которых затруднено, контролируются по одному принципу измерения.
Зачем нужен корнеизвлекающий выход?
Перепад давления на первичном преобразователе расхода пропорционален квадрату расхода. Корнеизвлекающая характеристика датчика превращает эту зависимость в линейный сигнал расхода, поэтому в системе управления не требуется дополнительный расчет. Для линейных задач, таких как измерение уровня, применяют линейный выход.
Как статическое давление в линии влияет на измерение?
Обе стороны сенсора перепада давления находятся под давлением линии. В зависимости от кода диапазона прибор работает при статическом давлении до 250 бар, а с опцией высокого статического давления этот предел составляет 425,4 бар. Давление в линии вызывает небольшое смещение нуля, которое устраняется подстройкой нуля под рабочим давлением линии.
Как распознать засорение импульсной линии?
Засоренная или замерзшая импульсная линия замедляет измерение и приводит к неверным значениям. Функция обнаружения засорения импульсных линий отслеживает изменение технологического шума и сообщает о таком состоянии до полного нарушения измерения. Ее рекомендуется применять вместе с монтажными мерами: обогревом линии, уклоном и правильной схемой вентилей.
На что обратить внимание при измерении уровня по перепаду давления?
В закрытых аппаратах в измерение должно входить давление газовой подушки, поэтому присоединение стороны низкого давления выводят в надуровневое пространство. На результат влияют изменение плотности, температура и конденсат, образующийся при испарении среды. Для абразивных, вязких и склонных к засорению сред предпочтительны системы с мембранными разделителями.
Клапанный блок на сколько вентилей выбрать?
Клапанный блок позволяет отсечь датчик от процесса и выполнить подстройку нуля. В задачах измерения перепада давления обычно применяют трехвентильный блок; когда возрастают требования к калибровке и дренажу, выбирают пятивентильную схему. Клапанный блок можно заказать вместе с датчиком как единый узел.
