Kaikki anturit Painepisteet ovat sovellusvinkkejä, jotka helpottavat suunnittelua mikroelektromekaanisten järjestelmien (MEMS) paineantureiden kanssa ja välttävät yleisiä sudenkuoppia.
Painepiste 11: Virtausnopeuden laskeminen painemittauksista
Nesteen virtaus tapahtuu nestemäisten ja kaasumaisten materiaalien liikkeen mukana, ja paineantureilla on ratkaiseva merkitys monien nesteen virtauksen näkökohtien määrittämisessä. Nestedynamiikan avulla voidaan ymmärtää nestevirtaukseen vaikuttavia parametreja. Seuraavissa osioissa olevat aktiiviset linkit tarjoavat lisätietoja.
Fluidodynamiikan peruskäsitteet
Reynoldsin luku (Re) on dimensioton nopeusarvo, jota käytetään virtaustapojen ennustamiseen. Se on inertiavoiman (ρ u L) ja viskoosi- tai kitkavoiman (μ) funktio.
Viskoosinen vs. ei-viskoosinen virtaus
Viskoosinen virtaus johtaa energiahäviöön (ja sen seurauksena lämpötilan nousuun), mutta ihanteellisissa nesteissä on ei-viskoosinen virtaus ilman energiahäviötä.
Laminaarinen (tasainen) vs. turbulenttinen virtaus
Laminaarisessa virtauksessa hiukkasten liike on hyvin tasaista/järjestynyttä ja johtaa suoriin linjoihin, jotka ovat yhdensuuntaisia kotelon seinämien kanssa ja ovat hyvin ennustettavissa. Turbulenttisessa virtauksessa satunnainen liike voi johtaa pyörteisiin ja muuhun vähemmän ennustettavaan käyttäytymiseen. Putkissa ja muissa koteloissa esiintyy laminaarisen ja turbulenttisen virtauksen sekoitusta, ns. siirtymävirtausta, jossa kotelon keskellä on turbulenssia ja reunojen lähellä laminaarista virtausta. Viskoottisemmilla nesteillä on yleensä laminaarinen virtaus ja matalampi Reynoldsin luku.
Yhdistyvä tai kokoonpuristumaton virtaus
Toisin kuin kokoonpuristuvassa virtauksessa, jossa tiheys muuttuu käytetyn paineen vaikutuksesta, kokoonpuristumattomassa virtauksessa tiheys on vakio tilassa ja ajassa.
Bernoullin yhtälön avulla määritetään nesteen nopeudet painemittausten perusteella. Se lähtee liikkeelle kvalifikaatioista, jotka koskevat ei-viskoosia, tasaista, kokoonpuristumatonta virtausta vakiolämpötilassa.
P + ½ρv2 + ρgy = vakio
P = paine
v = nopeus
ρ = nesteen tiheys
g = painovoima
y = korkeus
Venturi-ilmiö on nopeuden lisääntyminen, joka syntyy nesteen virtausta rajoitettaessa. Venturi-mittari on Bernoullin yhtälön sovellus. Yleisiä rajoitustyyppejä ovat aukkolevyt, Venturiputket, suuttimet ja mikä tahansa rakenne, jossa on helposti mitattava paine-ero.
Virtaus putkessa/putkessa. Useat tekijät määräävät nestevirtaussovelluksissa esiintyvän painehäviön, mukaan lukien laminaarinen vs. turbulenttinen virtaus, virtausnopeus, nesteen kinemaattinen viskositeetti ja Reynoldsin luku, putken sisäpuolen sisäinen karheus sekä putken halkaisija, pituus ja muotokerroin. Umpilevyt, Venturiputket ja suuttimet yksinkertaistavat tilannetta. Näissä tapauksissa (ks. kuva 1) virtaus liittyy ΔP:hen (P1-P2) yhtälöllä:
q = cd π/4 D22 1/2
Missä:
q on virtaus yksikkönä m3/s
cD on purkauskerroin, pinta-alasuhde = A2 / A1
P1 ja P2 ovat yksikköinä N/m2
ρ on nesteen tiheys yksikkönä kg/m3
D2 on aukko, venturin tai suuttimen sisähalkaisija (m)
p1″> D1 on putken halkaisija ylävirtaan ja alavirtaan (m)
ja d = D2 / D1 halkaisijasuhde
Kuva 1. Putken halkaisijat. ΔP-virtausmittauksen osat.
Pitot-putkissa käytetään kokonaispaineen ja staattisen paineen erotusta putkessa tai kotelossa virtaavan lentokoneen tai nesteen nopeuden laskemiseen. Kuvassa 2 on esitetty lentokoneen nopeuden mittaamiseen tarkoitettu Pitot-statiikkaputki.
Kuva 2. Pitot-statiikkaputki. Pitot-statiikkaputki tai Prandtlin putki, jota käytetään lentokoneen nopeuden mittaamiseen.
Vesivasara on isku, joka aiheutuu virtaavan nesteen nopeuden äkillisestä pienenemisestä ja ajasta, jonka paineaalto kulkee putkessa edestakaisen matkan. Joukowskin impulssiyhtälöä käytetään laskettaessa syntyvää painetta, kun nesteen nopeus, joka laskee nollaan koskettaessa suljettua venttiiliä.
∆P = ρ-c-∆V
In psf
Jäykille putkille paineaallon nopeus tai aaltonopeus c saadaan:
c = √ EB/ρ
missä EB on nesteen bulkkikertoimen moduuli psf:ssä ja ρ on nesteen tiheys.
Mittaukset erityissovelluksissa
Lääketieteen alalla hengityskysymykset edellyttävät ilmavirran mittauksia ventilaattorivirtausta/säätöä ja analyysiä varten, kuten spirometrejä, sekä kaasu- ja nestevirtausmittauksia hoitoa varten. Esimerkiksi spirometrissä tai hengityslaitteessa paine-ero on nimellisesti 4 kPa ja hengityslaitteessa nimellisesti 25 cm H2O. Kummassakin tapauksessa arvot ovat melko alhaisia, ja paineen mittaus vaatii erityistä huomiota paineanturissa halutun tarkkuuden ja täsmällisyyden saavuttamiseksi.
HVAC
Lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmien (HVAC) puhdas ja vähäinen virrankulutus edellyttävät oikeanlaisia ilmansuodattimia ja usein tapahtuvaa seurantaa vaihtoa vaativan suodattimen tunnistamiseksi. Normaalit käyttöpaineet ovat tyypillisesti välillä 0,1-1″ H2O. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineersin (ASHRAE) minimihyötysuhteen raportointiarvo eli MERV-luokitus mittaa ilmansuodattimien tehokkuutta. Painehäviön havaitseminen ilmansuodattimen yli minimoi moottoreiden tarpeettoman virrankulutuksen.
Työkalut nesteiden laskentaa ja simulointia varten
Efundan, KAHNin, LMNO Engineeringin, valviasin, Pressure Drop Online-Calculatorin ja muiden tarjoamat online-laskentatyökalut voivat tarjota joitakin nopeita työkaluja aiemmin esitettyjen laskelmien toteuttamiseen. Lisäksi useat yritykset tarjoavat kehittyneitä simulointityökaluja laskennalliseen nestedynamiikkaan ja konsultointipalveluita, joiden avulla voidaan syventyä paljon syvemmälle nestevirtaukseen liittyviin kehittyneempiin ja monimutkaisempiin kysymyksiin: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS ja muut.