Medició de pressió diferencial en aplicacions industrials

Com funcionen els sensors de pressió diferencial i en què es diferencien altres tipus de sensors? Quins són els diferents principis de mesura de pressió diferencial i quins avantatges ofereixen? En aquest bloc, analitzem més de prop el món del mesurament de pressió diferencial i destaquem dues aplicacions pràctiques típiques i els seus desafiaments.

Es pot dir que tots els sensors de pressió KELLER mesuren la pressió diferencial. Tot i això, els sensors de pressió relativa i absoluta tenen un punt de referència definit respecte al qual es mesura la diferència de pressió. Amb pressió absoluta, aquest punt de referència és el buit absolut. La pressió relativa es mesura davant de la pressió atmosfèrica, també coneguda com a pressió de l'aire.

A diferència dels tipus de pressió esmentats anteriorment, el sensor de pressió diferencial mesura la diferència de pressió entre dos potencials de pressió variables, és a dir, sense un punt de referència definit. A la pràctica, això significa que la diferència de pressió es pot mesurar entre dues pressions de procés qualssevol. Gràcies a la connexió a procés addicional, els sensors de pressió diferencial es poden distingir fàcilment daltres sensors de pressió.

Més detalls sobre les similituds i diferències entre aquests tres tipus de mesura de pressió es descriuen detalladament al bloc «Tipus de pressió i el seu significat».
 

Construcció de la cel·la de mesura de pressió diferencial

Els sensors de pressió diferencial piezoresistius de KELLER es poden construir de diferents maneres. Característiques com «wet» o «wet-wet» només apareixen a la cartera de productes de KELLER per a transmissors de pressió diferencial i defineixen la compatibilitat dels mitjans de les connexions de procés.

La sèrie KELLER PD-33X està dissenyada amb una connexió clàssica “wet-wet”, la qual cosa significa que la part posterior del transductor també és plena d'oli. El medi de mesurament està en contacte per banda i banda amb la membrana metàl·lica, normalment d'acer inoxidable.

Aquest no és pas el cas del PRD-33X. La connexió negativa està connectada directament a la part posterior del xip de pressió, per la qual cosa el medi de mesura no ha de ser ni corrosiu ni abrasiu.

L'avantatge d'aquests dos dissenys (wet i wet-wet) és la molt alta resolució de la pressió diferencial. Això es pot mesurar amb un xip dissenyat per a aquest rang de pressió.

Alternativament, ambdues pressions es poden determinar mitjançant dues cel·les de mesura de pressió absoluta (PD-39X) i calcular la pressió diferencial a l'electrònica. Aquesta configuració es recomana especialment per a pressions altes, si no es pot descartar una aplicació de pressió unilateral.

Aplicacions típiques amb sensors de pressió diferencial

Mesurament de flux

A més de la temperatura, la pressió i la força, el mesurament del cabal és una altra variable de mesura important en la tecnologia de mesura industrial i és un dels fonaments de l'automatització de processos. Hi ha diverses maneres de mesurar el cabal. Un mètode comú és el mesurament de la pressió diferencial mitjançant una placa d'orifici. Per comprendre el principi d'aquest mesurament de flux, cal fer un desviament breu cap a la física subjacent.

L'ecuación de Bernoulli

El matemàtic i físic suís Daniel Bernoulli, juntament amb el seu germà Johann, van establir l'equació de Bernoulli al segle XVIII. Això estableix que per a líquids o gasos (fluids) incompressibles, la massa dun medi que es mou a través duna secció transversal durant un cert període de temps és independent del diàmetre de la canonada o línia. En termes simples, això vol dir que si el diàmetre de la canonada es fa més petit, la velocitat del flux augmenta, i si el diàmetre de la canonada es fa més gran, la velocitat del flux disminueix. El cabal sempre és el mateix. Aquest fenomen també es pot observar durant la pluja matutina. Depenent de la posició del capçal de dutxa, laigua pot resultar més penetrant o com una agradable i lleugera pluja destiu. Aquest efecte es crea mitjançant un nombre diferent de filtres oberts a través dels quals es distribueix la mateixa quantitat daigua.

L'ús d'una placa d'orifici, que no és res més que una constricció artificial, crea una diferència de pressió tant aigües amunt com aigües avall de la placa d'orifici. Utilitzant una fórmula matemàtica, es pot calcular el cabal volumètric basant-se en aquesta diferència de pressió.

Q: Cabal volumètric [m3/s]

α: Coeficient de flux

A: Secció transversal de flux de la placa d'orifici [m2]

ρ: Densitat del fluid a [kg/m3]

Δp = p1 – p2: Diferència de pressió a [bar]

Mesura de nivell en tancs de gas liquat

Els sensors de pressió diferencial també es fan servir per mesurar el nivell en tancs de gas liquat. Gasos com l'oxigen, el nitrogen, l'hidrogen, el diòxid de carboni, l'argó i el metà continguts al gas natural es liquan per transportar-lo i emmagatzemar-lo. Això permet reduir el volum en un factor de sis-cents. El volum dun litre de gas metà es pot reduir a 1,6 cm3 en estat líquid. Per mantenir l'estat agregat líquid del metà, cal una temperatura constant inferior a -162 °C. Això requeriria que el tanc criogènic estigués perfectament aïllat. Tot i això, això no és factible, per la qual cosa també s'utilitza el principi de refredament per evaporació. De tant en tant, es vaporitza una petita quantitat de gas liquat. D'aquesta manera, la temperatura roman constant. L'espai lliure s'omple de gas, cosa que impedeix el mesurament de nivell convencional, ja que el sistema del tanc està segellat hermèticament. Com que aquesta pressió addicional actua sobre el metà liquat, cal un sensor de pressió diferencial per determinar el nivell.

A una temperatura de -162 °C, l'oli utilitzat als transductors de pressió no romandrà en estat líquid, per tant, el transmissor es munta lleugerament desplaçat perquè el gas que es mesura arribi a una temperatura compatible amb el transmissor.

Pics de pressió, influències tèrmiques i temporals a la instància especial de la ISS

Gràcies a l'excel·lent rendiment i la qualitat del producte, els sensors de pressió diferencial de KELLER també s'utilitzen a l'Estació Espacial Internacional ISS. Hi havia alguns punts importants a considerar per endavant per garantir un mesurament precís a llarg termini.

En la tecnologia de mesura de pressió són familiars els termes cops d'ariet o pics de pressió, també coneguts com a pics de pressió o de Joukowsky. Aquests es deuen a lobertura o tancament sobtat de vàlvules i poques vegades es poden descartar per complet. Aquests cops d'ariet se solen reduir mitjançant l'elasticitat de la canonada de pressió. Perquè el sensor de pressió no sigui un punt feble, cal preveure reserves suficients per a la resistència a la sobrecàrrega.

Un canvi ràpid a l'estat d'agregació dels gasos liquats a un estat gasós de vegades provoca la formació de gel en vàlvules i canonades. Aquests canvis de temperatura poden provocar una histèresi de temperatura mínima però mesurable. Si la pressió diferencial es mesura amb dos transmissors de pressió absoluta en diferents llocs, com cal, per exemple, en determinar el nivell d'ompliment en un tanc criogènic, els sensors poden envellir de manera diferent a causa de les diferents posicions d'instal·lació i condicions tèrmiques. Per minimitzar aquesta diferència, ambdós elements sensors es col·loquen el més a prop possible entre si. D'aquesta manera, tots dos xips de silici estan exposats a les mateixes influències tèrmiques i presenten un comportament el més semblant possible.

Els sensors piezoresistivos també presenten una deriva a llarg termini, encara que això és gairebé insignificant en comparació amb altres tecnologies de mesura de pressió. Per eliminar aquesta mínima imprecisió, el sistema es porta periòdicament a un estat despressuritzat per fer una correcció del punt zero. Això garanteix a llarg termini l'altíssima precisió dels transmissors de pressió diferencial de KELLER.

Descobriu als nostres informes d'aplicació com es poden utilitzar els sensors de pressió diferencial de KELLER.
 

Autor: Michael Mack (Subdirector de Gestió de Productes)
https://keller-druck.com/en/company/blog/differential-pressure-measurement-in-industrial-applications