Alle sensorer Trykpunkter er anvendelsestips til forenkling af design med tryksensorer til mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og til at undgå almindelige faldgruber.
Trykpunkt 11: Beregning af flowhastighed ud fra trykmålinger
Væskeflow opstår ved bevægelse af flydende og gasformige materialer, og tryksensorer spiller en afgørende rolle ved bestemmelse af mange aspekter af væskeflow. Fluiddynamik giver mulighed for at forstå de parametre, der påvirker fluidstrømningen. De aktive links i de følgende afsnit indeholder flere oplysninger.
Basisbegreber om fluid dynamik
Reynolds tal (Re) er en dimensionsløs hastighedsværdi, der bruges til at forudsige strømningsmønstre. Det er en funktion af inertiakraften (ρ u L) og den viskose kraft eller friktionskraft (μ).
Viskøs vs. ikke-viskøs strømning
Viskøs strømning resulterer i energitab (og efterfølgende en temperaturstigning), men ideelle væsker har ikke-viskøs strømning uden energitab.
Laminær (stabil) vs. turbulent strømning
I laminær strømning er partikelbevægelsen meget ensartet/ordentlig og resulterer i lige linjer parallelt med rumets vægge og er meget forudsigelig. Ved turbulent strømning kan den tilfældige bevægelse resultere i hvirvler og anden mindre forudsigelig adfærd. En blanding af laminær og turbulent strømning, kaldet overgangsstrømning, forekommer i rør og andre rum med turbulens i midten af rummet og laminær strømning nær kanterne. Mere viskose væsker har tendens til laminar strømning og et lavere Reynoldstal.
Kompressibel eller inkompressibel strømning
I modsætning til kompressibel strømning, hvor densiteten ændrer sig med det påførte tryk, er densiteten ved inkompressibel strømning konstant i rum og tid.
Bernoullis ligning bruges til at bestemme væskehastigheder ved hjælp af trykmålinger. Den tager udgangspunkt i kvalifikationer for ikkeviskøs, stabil, inkompressibel strømning ved konstant temperatur.
P + ½ρv2 + ρgy = konstant
P = tryk
v = hastighed
ρ = væskens massefylde
g = tyngdekraft
y = højde
Venturieffekten er den stigning i hastigheden, der opstår, når væskestrømningen begrænses. Venturi-måleren er en anvendelse af Bernoullis ligning. Almindelige typer af begrænsninger omfatter blændeplader, venturirør, dyser og enhver struktur, der har et let måleligt trykdifferentiale.
Flow i et rør/rør. Flere faktorer bestemmer det tryktab, der opstår i væskestrømningsapplikationer, herunder laminar kontra turbulent strømning, væskens strømningshastighed, kinematiske viskositet og Reynoldstal, den indre ruhed på indersiden af røret samt dets diameter, længde og formfaktor. Blændeplader, venturirør og dyser forenkler situationen. I disse tilfælde (se figur 1) er strømningen relateret til ΔP (P1-P2) ved ligningen:
q = cd π/4 D22 1/2
Hvor:
q er flowet i m3/s
cD er afstrømningskoefficienten, arealforholdet = A2 / A1
P1 og P2 er i N/m2
ρ er væskens massefylde i kg/m3
D2 er åbningen, venturi eller dyse indvendig diameter (i m)
p1″> D1 er rørdiameteren opstrøms og nedstrøms (i m)
og d = D2 / D1 diameterforhold
Figur 1. Elementer i en ΔP-flowmåling.
Pitotrør anvender forskellen mellem det samlede tryk og det statiske tryk til at beregne hastigheden af det fly eller den væske, der strømmer i røret eller kabinettet. Et Pitot-statisk rør til måling af flyhastighed er vist i figur 2.
Figur 2. Et Pitot-statisk eller Prandtl-rør, der anvendes til måling af flyhastighed.
Vandhammer er det stød, der forårsages af det pludselige fald i hastigheden i en strømmende væske og den tid, det tager for trykbølgen at rejse rundt i røret. Joukowski-impulsligningen anvendes til at beregne det resulterende tryk, når væskehastigheden, der falder til nul ved kontakt med en lukket ventil, falder til nul.
∆P = ρ-c-∆V
In psf
For stive rør findes trykbølgens celeritet eller bølgehastighed, c, ved:
c = √ EB/ρ
hvor EB er væskens bulkmodul i psf og ρ er væskens massefylde.
Målinger i specifikke anvendelser
På det medicinske område kræver respiratoriske spørgsmål luftstrømmemålinger til ventilatorstrøm/styring og analyse, f.eks. spirometre, samt gas- og væskestrømningsmålinger til behandling. F.eks. er differenstrykket i et spirometer eller en respirator nominelt 4 kPa, og i en ventilator er det nominelt 25 cm H2O. I begge tilfælde er værdierne ret lave, og trykmålingen kræver særlige overvejelser i tryksensoren for at opnå den ønskede nøjagtighed og præcision.
HVAC
Rent og lavt strømforbrug i varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC) kræver de rette luftfiltre og hyppig overvågning for at identificere et filter, der skal skiftes. Normale driftstryk ligger typisk i intervallet 0,1 til 1″ H2O. ASHRAE’s (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) minimumsværdi for effektivitetsrapportering, eller MERV-klassificering, måler luftfiltrenes effektivitet. Registrering af trykfaldet over et luftfilter minimerer unødvendigt strømforbrug fra motorer.
Værktøjer til væskeberegninger og simulering
Onlineberegningsværktøjer fra efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator m.fl. kan give nogle hurtige værktøjer til at gennemføre de tidligere viste beregninger. Derudover tilbyder flere virksomheder avancerede simuleringsværktøjer til computational fluid dynamics og konsulenttjenester til at dykke meget dybere ned i de mere sofistikerede og komplekse spørgsmål, der er involveret i væskestrømning, herunder: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS og andre.