Wie misst ein DP-Transmitter den Durchfluss? Prinzip, Formel und praktischer Leitfaden

Die wichtigste Beziehung ist:

ΔP ∝ Q², also Q ∝ √ΔP

Mit anderen Worten: Der Differenzdruck ändert sich ungefähr mit dem Quadrat des Durchflusses. Ein Differenzdrucktransmitter misst daher zunächst den Druck; Der Durchfluss wird aus dieser Druckdifferenz abgeleitet. Wenn Sie eine umfassendere Einführung in das Instrument selbst wünschen, sehen Sie sich diese Übersicht anDrucktransmitterund dasDifferenzdrucktransmitterSeite.

Was misst ein DP-Transmitter eigentlich?

Ein DP-Transmitter hat eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite. Es misst den Unterschied zwischen diesen beiden Drücken:

ΔP = P1 − P2

Wenn der Messumformer an ein ordnungsgemäß ausgelegtes primäres Durchflusselement angeschlossen ist, besteht ein bekannter Zusammenhang zwischen dem gemessenen Differenzdruck und dem Durchfluss.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da der Messumformer allein keine Durchflussmessung erstellt. Ein vollständiges DP-Durchflusssystem umfasst normalerweise:

• ein Primärelement, das den Differenzdruck erzeugt;
• Druckhähne, die den Vor- und Nachdruck messen;
• Impulsleitungen oder eine direkt montierte Anordnung, die diese Drücke an den Sender überträgt;
• ein DP-Transmitter, der die Druckdifferenz misst; Und
• ein Sender, eine SPS, ein DCS oder ein Durchflusscomputer, der DP in die erforderliche Durchflussvariable umwandelt.

Der umfassendere Zusammenhang zwischen Druck und Durchfluss wird in diesem Leitfaden erläutertBeziehung zwischen Durchfluss-rate und Druck.

So funktioniert die DP-Durchflussmessung Schritt für Schritt

1. Das Primärelement verändert den Strömungsbereich

Betrachten Sie eine herkömmliche Blende. Seine Bohrung ist kleiner als der Rohrdurchmesser, sodass der verfügbare Strömungsquerschnitt kleiner wird, wenn die Flüssigkeit durch die Verengung strömt.

Das gleiche allgemeine Messprinzip lässt sich auch mit anderen Primärelementen umsetzen. Die Geometrie unterscheidet sich, aber jedes Gerät ist so konzipiert, dass es einen Druckunterschied erzeugt, der unter bestimmten Bedingungen mit dem Durchfluss in Zusammenhang gebracht werden kann.

2. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit nimmt zu und der statische Druck sinkt

Wenn die Flüssigkeit durch den eingeschränkten Bereich beschleunigt, nimmt ihre Geschwindigkeit zu und ihr statischer Druck ab. Der Druck vor der Drosselstelle ist daher höher als der Druck an der entsprechenden Entnahmestelle stromabwärts.

Dies ist der vom Sender gemessene Differenzdruck.

3. Der Sender misst den Druck auf der oberen-Seite und der unteren-Seite

Die stromaufwärtige Entnahmestelle ist normalerweise mit dem Hochdruckanschluss verbunden und die stromabwärtige Entnahmestelle mit dem Niederdruckanschluss. Der Sender erkennt die Differenz, anstatt die beiden Drücke als unabhängige Durchflussmessungen zu behandeln.

Mit zunehmendem Durchfluss erzeugt die Drosselung einen größeren Differenzdruck. Der Zusammenhang ist jedoch nichtlinear.

4. Differenzdruck wird in Durchfluss umgewandelt

Für herkömmliche Differenzdruck-Durchflussmessung:

ΔP ∝ Q²

Daher:

Q ∝ √ΔP

Die Quadratwurzelberechnung kann im Messumformer oder im DCS, der SPS oder dem Durchflusscomputer durchgeführt werden. Yokogawas technische Anleitung zuQuadratwurzelextraktion in DP-Flow-Anwendungenweist darauf hin, dass beide Standorte verwendet werden können, der Berechnungspunkt jedoch klar definiert sein sollte.

Warum die quadratische-Wurzelbeziehung wichtig ist

Es ist leicht anzunehmen, dass 50 % Differenzdruck 50 % Durchfluss bedeuten. Das ist für eine herkömmliche DP-Flussbeziehung falsch.

Wenn der gemessene DP 25 % des Design-DP beträgt, beträgt der entsprechende Durchfluss etwa 50 % des Design-Durchflusses, vorausgesetzt, die anderen Variablen in der Berechnung bleiben unverändert.

Dieser Zusammenhang erklärt auch, warum das untere Ende eines DP-Durchflussbereichs Aufmerksamkeit verdient. Bei einem Durchfluss von 25 % misst der Sender bereits nur 6,25 % des vollen -DP. Wenn sich der Durchfluss Null nähert, gewinnen Druckrauschen, Nullpunktverschiebung, kleine Prozessschwankungen und Impulslinieneffekte im Verhältnis zum gemessenen Signal zunehmend an Bedeutung.

Niedrig-Die Durchflussunterbrechung ist nicht nur eine Anzeigeeinstellung

Die Quadratwurzelextraktion hat eine hohe Verstärkung nahe dem Differenzdruck von Null. Kleine DP-Schwankungen können daher zu einem sichtbar instabilen berechneten Durchfluss führen. Yokogawa beschreibt dieses Verhalten in seiner Anleitung zuNiedrig-Schnittausgabe für DP-Fluss, während Emerson auch eine Abschaltung bei niedrigem{0}Durchfluss in relevanten Senderkonfigurationen empfiehlt, um den Ausgang unter Bedingungen mit sehr geringem oder gar keinem Durchfluss zu stabilisieren.

Ein Cutoff sollte nicht willkürlich gewählt werden. Es sollte den Messumformer, das Primärelement, das Prozessrauschen, den erforderlichen Betriebsbereich und die Anforderung der Anwendung widerspiegeln, echten niedrigen Durchfluss von Null-Strömungsrauschen zu unterscheiden.

Was ist die DP-Flow-Formel?

Ein nützlicher konzeptioneller Ausdruck ist:

Q = K × √(ΔP / ρ)

Wo:

• Qist der Volumenstrom;
• ΔPist Differenzdruck;
• ρist die Flüssigkeitsdichte; Und
• Kstellt die relevanten Merkmale des Primärelements und der Berechnung dar.

Hierbei handelt es sich um eine konzeptionelle Beziehung, nicht um eine universelle Größengleichung.

Berechnungen realer Differenzdruckströme können auch die Primärelementgeometrie, den Bohrungsdurchmesser, den Rohrdurchmesser, das Durchmesserverhältnis, den Ausflusskoeffizienten, die Reynolds-Zahl, die Druckentnahmeanordnung und bei kompressiblen Flüssigkeiten einen Expansionsfaktor umfassen.

Der BeamteISO 5167-1:2022Die Norm definiert allgemeine Grundsätze für die Durchflussmessung mit -Druckdifferenzgeräten, einschließlich Blenden, Düsen, Venturirohren, Kegelmessgeräten und Keilmessgeräten. Außerdem werden Installations- und Unsicherheitsanforderungen definiert. Der angegebene Anwendungsbereich gilt für eine vollständige Leitung, Unterschallströmung durch den Messabschnitt, Flüssigkeit, die als einphasig behandelt werden kann, und nicht-pulsierende Strömung.

Speziell für Blenden:ISO 5167-2:2022befasst sich mit Geometrie, Installation, Betriebsbedingungen und spezifizierten Druckentnahmeanordnungen.

Ein einfaches DP-zu-Flow-Beispiel

Angenommen, ein System ist so ausgelegt, dass der maximal erforderliche Durchfluss einem Differenzdruck von 100 Druckeinheiten entspricht. Der Sender misst derzeit 36 ​​Druckeinheiten.

Der normalisierte DP ist:

36 / 100 = 0.36

Der normalisierte Fluss ist:

√0.36 = 0.60

Der angezeigte Durchfluss beträgt daher etwa 60 % des konfigurierten maximalen Durchflusses, sofern die angenommenen Flüssigkeits- und Betriebsbedingungen weiterhin gültig sind.

Dieses Beispiel veranschaulicht nur die Quadratwurzelkonvertierung. Es ist kein Ersatz für die primäre-Elementdimensionierung oder eine standardmäßige-konforme Durchflussberechnung.

Welches Primärelement sollte verwendet werden?

Der Sender misst DP, aber das Primärelement bestimmt, wie dieser DP erzeugt wird. Die Auswahl des Primärelements ist daher Teil des Durchflussmesserdesigns und kein separater nachträglicher Gedanke.

Ein Venturi kann attraktiv sein, wenn es auf einen dauerhaften Druckverlust ankommt. Weitere Einzelheiten zu dieser Option finden Sie in der Anleitung zuVor- und Nachteile des Venturi-Durchflussmessers. Bei vorhandenen Venturi-Installationen können auch anwendungsspezifische-Probleme auftreten, die in dieser Übersicht behandelt werdenProbleme und Lösungen von Venturi-Messgeräten.

Das beste Primärelement hängt von den Flüssigkeitseigenschaften, der Rohrgröße, dem Durchflussbereich, dem Druck, der Temperatur, dem zulässigen dauerhaften Druckverlust, dem Installationsraum, den Wartungsbedingungen und der geltenden Messnorm ab.

Wie Flüssigkeiten, Gase und Dampf die Messung verändern

Flüssigkeiten

Für Flüssigkeiten mit relativ stabiler -Dichte kann die Beziehung zwischen DP- und -Durchfluss vergleichsweise einfach sein. Die Installation bleibt jedoch wichtig. In einer Impulsleitung eingeschlossenes Gas, teilweise verstopfte Druckanschlüsse, Leckagen oder ein Höhenunterschied können zu einem falschen Differenzdruck führen.

Die Flüssigkeit sollte auch den Annahmen entsprechen, die bei der Dimensionierung des Primärelements zugrunde gelegt wurden. Eine bedeutende Dichteänderung verändert die Beziehung zwischen gemessenem DP und berechnetem Durchfluss.

Gase

Die Gasdichte kann sich je nach Betriebsdruck und Temperatur erheblich ändern. Ein gegebener DP stellt daher nicht immer den gleichen Massenstrom dar, wenn sich die Gasbedingungen ändern.

Anwendungen, die einen kompensierten Durchfluss erfordern, können Differenzdruck zusammen mit Informationen zu statischem Druck, Temperatur und Flüssigkeitseigenschaften nutzen. Die Unterscheidung zwischen Volumen- und Massenmessung wird hier weiter erläutertMassenstrom versus Volumenstromführung.

Wenn eine direkte Gasmassenmessung besser geeignet ist als ein DP-System, aGasmassendurchflussmesserFür geeignete Anwendungen kann sich ein Vergleich lohnen.

Dampf

Bei Dampf-DP-Installationen muss den Impulsleitungen und den Kondensatbedingungen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Ungleiche Flüssigkeitshöhen auf der Hoch- und Tiefseite können einen künstlichen Differenzdruck erzeugen, den der Messumformer nicht vom Prozess-DP unterscheiden kann.

Die Dichte ändert sich auch mit den Dampfbedingungen, sodass für den kompensierten Massenstrom möglicherweise Druck- und Temperaturinformationen erforderlich sind. Wenn ein anderes Messprinzip in Betracht gezogen wird, aDampfdurchflussmesserDie auf der Wirbelmessung basierende Analyse bietet einen nützlichen Vergleichspunkt.

Wo soll die Quadratwurzel berechnet werden?

Die Quadratwurzelkonvertierung kann an mehreren Stellen durchgeführt werden:

• im DP-Sender;
• in einer SPS oder einem DCS; oder
• in einem speziellen Durchflusscomputer.

Es hat keinen Vorteil, es zweimal anzuwenden. Wenn ein Sender bereits einen Ausgang proportional zum Durchfluss sendet und das Steuersystem eine andere Quadratwurzelfunktion anwendet, ist der Endwert falsch.

Es tritt auch der umgekehrte Fehler auf: Ein Sender sendet einen linearen DP, während das empfangende System dieses Signal als linearen Fluss behandelt.

Dokumentieren Sie bei der Inbetriebnahme, ob jede übertragene Variable den Rohdifferenzdruck oder den berechneten Durchfluss darstellt. EmersonsDokumentation zur 4051S-Flow-Konfigurationbietet ein Beispiel für eine sender-basierte Quadratwurzelkonvertierung und eine Low{2}}Flow-Cutoff-Konfiguration.

Kalibrierung ist nicht dasselbe wie die Überprüfung der Durchflussgenauigkeit

Diese Unterscheidung ist eine der wichtigsten in einer DP-Flussschleife.

Ein Techniker kann bekannte Differenzdrücke anwenden und bestätigen, dass der Sender diese korrekt misst. Das verifiziert die Druckmessung. Es beweist nicht, dass das gesamte installierte System den korrekten Durchfluss berechnet.

Eine vollständige Überprüfung sollte Folgendes berücksichtigen:

• primäre-Elementtyp- und Größendaten;
• richtige Bohrungs- und Rohrabmessungen;
• Druck-Zapfanordnung;
• Impuls-Leitungszustand;
• Sendernullpunkt und DP-Bereich;
• Quadratwurzelkonfiguration;
• DCS- oder SPS-Skalierung;
• Eingaben für Flüssigkeitsdichte und Kompensation;
• technische Einheiten; Und
• die installierten Rohrleitungsbedingungen rund um das Primärelement.

Allgemeine Kalibrierungspraktiken werden darin behandeltBest Practices für die Kalibrierung von Durchflussmessern. Für die routinemäßige Instrumentenpflege beachten Sie bitte die Anleitungen auf der WebsiteWartung des DrucktransmittersBietet zusätzlichen Wartungskontext.

Warum ein genauer DP-Transmitter immer noch den falschen Durchfluss liefern kann

Die Genauigkeit des Senders ist nur ein Teil der Leistung des Durchflusssystems. Der endgültig berechnete Fluss hängt auch von der Qualität der primären-Elementdaten, den Prozess-Eigenschaftsannahmen, der Installation und der Signalkonfiguration ab.

Beispielsweise meldet ein genau kalibrierter Sender immer noch einen irreführenden Durchfluss, wenn eine Impulsleitung teilweise blockiert ist. Ebenso kann eine perfekte DP-Messung eine falsch eingegebene Primärelementbohrungsgröße oder Flüssigkeitsdichte nicht korrigieren.

Aus diesem Grund sollte eine Senderspezifikation nicht als Genauigkeitsspezifikation des gesamten DP-Durchflusssystems betrachtet werden. ISO 5167 schließt die Bestimmung der Messunsicherheit ausdrücklich als Teil der umfassenderen Messmethode ein, anstatt den Drucksensor als einzige Unsicherheitsquelle zu behandeln.

Häufige Probleme mit dem DP-Fluss und was Sie zuerst überprüfen sollten

Impulsleitungsfehler verdienen besondere Aufmerksamkeit, da der Sender nur die Drücke kennt, die an seinen Anschlüssen anliegen. Es kann nicht automatisch erkennen, dass eine Druckleitung undicht oder verstopft ist, es sei denn, der jeweilige Sender verfügt über geeignete Diagnosefunktionen.

Wann ist die DP-Durchflussmessung eine gute Wahl?

Die DP-Messung bleibt für viele industrielle Flüssigkeits-, Gas- und Dampfanwendungen praktisch, insbesondere wenn der Prozess bereits standardisierte Primärelemente verwendet und das Anlagenpersonal mit der Druckinstrumentierung vertraut ist.

Es ist nicht automatisch die beste Technologie für jeden Dienst. Vergleichen Sie Alternativen, wenn bei der Anwendung ein sehr geringer permanenter Druckverlust, eine direkte Massenmessung, schwer leitende Flüssigkeiten, eine nicht-invasive Messung oder ein größerer nutzbarer Regelbereich, als das vorgeschlagene DP-System liefern kann, eine hohe Priorität hat.

Zu den nützlichen Vergleichspunkten gehören:Wirbeldurchflussmesserfür geeignete Dampf- und Prozessflüssigkeitsdienste,thermische Massendurchflussmesserfür geeignete Gase undelektromagnetische Durchflussmesserfür leitfähige Flüssigkeiten.

Die Auswahl sollte bei den Prozessbedingungen und dem Messziel beginnen, nicht bei der bevorzugten Sendertechnologie.

Häufig gestellte Fragen

Misst ein DP-Transmitter den Durchfluss direkt?

Nein. Der Differenzdruck wird direkt gemessen. Die Durchflussrate wird aus dem von einem Primärelement erzeugten DP und den vom Messsystem verwendeten Berechnungsparametern abgeleitet.

Warum wird die Quadratwurzel von DP für den Durchfluss verwendet?

Denn der Differenzdruck über einem herkömmlichen Primärelement ändert sich ungefähr quadratisch mit der Durchflussrate. Wenn ΔP proportional zu Q² ist, dann ist Q proportional zu √ΔP.

Entspricht 50 % DP einem 50 % Durchfluss?

Nein. Unter der grundlegenden Quadratwurzelbeziehung entsprechen 25 % des Entwurfs-DP etwa 50 % des Entwurfsflusses. Umgekehrt entsprechen 50 % DP einem Durchfluss von etwa 70,7 %.

Kann ein Differenzdrucktransmitter sowohl Flüssigkeiten als auch Gase messen?

Ja, sofern das komplette Primärelement- und Sendersystem für die Anwendung geeignet ist. Bei der Gasmessung muss häufig zusätzlich auf Druck, Temperatur, Dichte und Kompressibilität geachtet werden.

Kann ein DP-Transmitter ohne Blende verwendet werden?

Ja. Blenden sind nur eine Art von Primärelementen. Je nach Ausführung können auch Venturirohre, Düsen, Kegelmesser, Keilmesser, Mittelungsdruckgeräte und andere geeignete DP--erzeugende Elemente verwendet werden.

Sollte die Quadratwurzelextraktion im Sender oder im DCS erfolgen?

Beides kann gültig sein. Wichtig ist, dass der Berechnungsort dokumentiert wird und dass die Quadratwurzelextraktion nur einmal durchgeführt wird, nicht sowohl im Sender- als auch im Empfangssystem.

Warum wird ein DP-Durchflusssignal bei niedrigem Durchfluss instabil?

Da der erzeugte Differenzdruck sehr klein wird und die Quadratwurzelextraktion eine hohe Verstärkung nahe Null aufweist. Prozessrauschen, kleine DP-Schwankungen und Nullpunktfehler können daher zu relativ großen Änderungen im berechneten Durchfluss führen.

Entspricht die Genauigkeit des Messumformers der Durchflussgenauigkeit?

Nein. Die Unsicherheit der Durchflussmessung kann auch das Primärelement, Abmessungen, Auslasseigenschaften, Prozessdichte, Druck- und Temperatureingänge, Installation, Druckanschlüsse, Impulsleitungen und Berechnungskonfiguration umfassen.

Abschluss

Ein DP-Transmitter misst den Durchfluss, indem er die an einem primären Durchflusselement erzeugte Druckdifferenz erfasst und diese Messung über eine Quadratwurzelbeziehung in Durchfluss umwandelt.

Die wesentliche Messkette ist:

Durchfluss → Primärelement → Differenzdruck → Differenzdrucktransmitter → Durchflussberechnung

Der Sender ist nur ein Teil dieser Kette. Zuverlässige DP-Durchflussmessungen hängen von der korrekten Dimensionierung des Primär-elements, der richtigen Druckentnahme, einwandfreien Impulsleitungen, genauen Annahmen zu den Prozesseigenschaften, der korrekten Quadratwurzelkonfiguration und der ordnungsgemäßen Inbetriebnahme ab.

Verwenden Sie für technische Arbeiten die vereinfachte Quadratwurzelbeziehung, um das Prinzip zu verstehen, verwenden Sie jedoch beim Entwurf oder der Überprüfung einer Messschleife die entsprechende Norm, genehmigte Dimensionierungsdaten, die Senderdokumentation und die tatsächlichen Prozessbedingungen. Dieser Unterschied zwischen dem Verständnis des Prinzips und der Validierung des gesamten Systems verhindert, dass aus einem scheinbar korrekten DP-Signal ein falscher Durchflusswert wird.