Minden érzékelő Nyomáspontok alkalmazási tippek a mikroelektromechanikus rendszerek (MEMS) nyomásérzékelőivel való tervezés egyszerűsítésére és a gyakori buktatók elkerülésére.
Nyomáspont 11: Áramlási sebesség kiszámítása nyomásmérésekből
A folyadékáramlás folyékony és gáznemű anyagok mozgásával történik, és a nyomásérzékelők kritikus szerepet játszanak a folyadékáramlás számos aspektusának meghatározásában. A folyadékdinamika biztosítja a folyadékáramlást befolyásoló paraméterek megértését. A következő szakaszok aktív linkjei további részleteket tartalmaznak.
A folyadékdinamikai alapfogalmak
A Reynolds-szám (Re) egy dimenziótlan sebességérték, amelyet az áramlási minták előrejelzésére használnak. Ez a tehetetlenségi erő (ρ u L) és a viszkózus- vagy súrlódási erő (μ) függvénye.
Viszkózus vs. nem viszkózus áramlás
A viszkózus áramlás energiaveszteséggel (és ennek következtében hőmérséklet-emelkedéssel) jár, de az ideális folyadékok nem viszkózus áramlása energiaveszteség nélküli.
Lamináris (egyenletes) vs. turbulens áramlás
A lamináris áramlásban a részecskék mozgása nagyon egyenletes/rendezett, és a burkolat falával párhuzamos egyenes vonalakat eredményez, és nagyon jól kiszámítható. Turbulens áramlás esetén a véletlenszerű mozgás örvényeket és más, kevésbé kiszámítható viselkedést eredményezhet. A lamináris és turbulens áramlás keveréke, az úgynevezett átmeneti áramlás, csövekben és más burkolatokban fordul elő, ahol a burkolat közepén turbulens, a szélek közelében pedig lamináris áramlás van. A viszkózusabb folyadékok általában lamináris áramlással és alacsonyabb Reynolds-számmal rendelkeznek.
Sűríthető vagy összenyomhatatlan áramlás
Az összenyomható áramlással ellentétben, ahol a sűrűség az alkalmazott nyomással változik, az összenyomhatatlan áramlásnál a sűrűség térben és időben állandó.
A Bernoulli-egyenletet a folyadék sebességének meghatározására nyomásmérések alapján használják. Nem viszkózus, egyenletes, inkompresszibilis áramlás képzettségéből indul ki állandó hőmérsékleten.
P + ½ρv2 + ρgy = állandó
P = nyomás
v = sebesség
ρ = a folyadék sűrűsége
g = gravitáció
y = magasság
A Venturi-hatás a folyadékáramlás korlátozásakor fellépő sebességnövekedés. A Venturi-mérő a Bernoulli-egyenlet alkalmazása. A korlátozások gyakori típusai közé tartoznak a nyíláslemezek, Venturi csövek, fúvókák és minden olyan szerkezet, amely könnyen mérhető nyomáskülönbséggel rendelkezik.
Áramlás egy csőben/csőben. Számos tényező határozza meg a folyadékáramlási alkalmazásokban fellépő nyomásesést, beleértve a lamináris versus turbulens áramlást, az áramlási sebességet, a folyadék kinematikai viszkozitását és Reynolds-számát, a cső belső érdességét, valamint átmérőjét, hosszát és alaktényezőjét. A nyíláslemezek, Venturi csövek és fúvókák egyszerűsítik a helyzetet. Ezekben az esetekben (lásd az 1. ábrát) az áramlás ΔP-vel (P1-P2) a következő egyenlettel függ össze:
q = cd π/4 D22 1/2
Hol:
q az áramlás m3/s-ban
cD az ürítési együttható, a területarány = A2 / A1
P1 és P2 N/m2-ben
ρ a folyadék sűrűsége kg/m3-ben
D2 a nyílás, Venturi vagy fúvóka belső átmérője (m-ben)
p1″> D1 a cső fel- és lefolyó átmérője (m-ben)
és d = D2 / D1 átmérő aránya
1. ábra. A ΔP áramlásmérés elemei.
A Pitot-csövek az össznyomás és a statikus nyomás különbségét használják a csőben vagy a burkolatban áramló repülőgép vagy folyadék sebességének kiszámításához. A repülőgép sebességének mérésére szolgáló Pitot-statikus cső a 2. ábrán látható.
2. ábra. A repülőgép sebességének mérésére használt Pitot-statikus vagy Prandtl-cső.
A vízkalapács az áramló folyadék sebességének hirtelen csökkenése és a nyomáshullámnak a csőben megtett oda-vissza útjához szükséges idő által okozott lökés. A Joukowski-impulzusegyenletet használják a keletkező nyomás kiszámítására, amikor a folyadék sebessége, amely egy zárt szelep érintésekor nullára csökken.
∆P = ρ-c-∆V
Psf-ben
Merev csövek esetén a nyomáshullám gyorsaságát vagy a hullámsebességet, c-t, a következő módon találjuk meg:
c = √ EB/ρ
ahol EB a folyadék térfogati modulusa psf-ben és ρ a folyadék sűrűsége.
Mérések speciális alkalmazásokban
Az orvosi területen a légzőszervi problémákhoz légáramlásmérésekre van szükség a lélegeztetőgépek áramlásához/szabályozásához és elemzéséhez, például spirométerekkel, valamint gáz- és folyadékáramlásmérésekre a kezeléshez. Például a nyomáskülönbség egy spirométerben vagy lélegeztetőgépben névlegesen 4 kPa, egy lélegeztetőgépben pedig névlegesen 25 cm H2O. Mindkét esetben az értékek meglehetősen alacsonyak, és a nyomásmérés különleges figyelmet igényel a nyomásérzékelőnél a kívánt pontosság és precizitás eléréséhez.
HVAC
A fűtési, szellőztetési és légkondicionáló (HVAC) rendszerek tiszta és alacsony energiafogyasztásához megfelelő légszűrőkre és gyakori ellenőrzésre van szükség a cserére szoruló szűrő azonosításához. A normál üzemi nyomás jellemzően 0,1 és 1″ H2O közötti tartományban van. Az American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) által meghatározott minimális hatékonysági jelentési érték vagy MERV-osztályzat a légszűrők hatékonyságát méri. A légszűrőn keresztüli nyomásesés érzékelése minimalizálja a motorok szükségtelen energiafogyasztását.
Folyadékszámítási és szimulációs eszközök
Az efunda, a KAHN, az LMNO Engineering, a valvias, a Pressure Drop Online-Calculator és mások online számítási eszközei néhány gyors eszközt biztosíthatnak a korábban bemutatott számítások végrehajtásához. Ezenkívül számos vállalat kínál fejlett szimulációs eszközöket a számítási áramlástanhoz, valamint tanácsadási szolgáltatásokat, amelyekkel sokkal mélyebben elmélyedhetünk a folyadékáramlással kapcsolatos kifinomultabb és összetettebb kérdésekben, többek között: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS és mások.