All Sensors Pressure Points zijn tips voor toepassingen om het ontwerpen met micro-elektromechanische systemen (MEMS) druksensoren te vereenvoudigen en veelvoorkomende valkuilen te vermijden.
Pressure Point 11: Calculating Flow Rate from Pressure Measurements
Vloeistofstroming treedt op bij de beweging van vloeibare en gasvormige materialen en druksensoren spelen een cruciale rol bij het bepalen van veel aspecten van vloeistofstroming. Vloeistofdynamica verschaft de middelen om de parameters te begrijpen die vloeistofstroming beïnvloeden. De actieve links in de volgende secties geven meer details.
Basic Fluid Dynamics Concepts
Reynoldsgetal (Re) is een dimensieloze snelheidswaarde die wordt gebruikt om stromingspatronen te voorspellen. Het is een functie van de traagheidskracht (ρ u L), en de viskeuze of wrijvingskracht (μ).
Viscous vs. Nonviscous Flow
Viscous stroming resulteert in energieverlies (en vervolgens een temperatuurstijging), maar ideale vloeistoffen hebben een nonvisceuze stroming zonder energieverlies.
Laminaire (gelijkmatige) stroming versus turbulente stroming
In laminaire stroming is de beweging van de deeltjes zeer uniform/ordelijk en resulteert in rechte lijnen evenwijdig aan de wanden van de ruimte en is zeer voorspelbaar. Bij turbulente stroming kan de willekeurige beweging resulteren in wervelingen en ander minder voorspelbaar gedrag. Een mengsel van laminaire en turbulente stroming, overgangsstroming genoemd, komt voor in pijpen en andere omhulsels met turbulentie in het midden van de omhulling, en laminaire stroming aan de randen. Meer visceuze vloeistoffen neigen tot laminaire stroming en een lager Reynoldsgetal.
Compressibele of Incompressibele stroming
In tegenstelling tot samendrukbare stroming waarbij de dichtheid verandert met de toegepaste druk, is bij onsamendrukbare stroming de dichtheid constant in ruimte en tijd.
De Vergelijking van Bernoulli wordt gebruikt om vloeistofsnelheden te bepalen aan de hand van drukmetingen. Het begint met kwalificaties van niet-visceuze, constante, onsamendrukbare stroming bij een constante temperatuur.
P + ½ρv2 + ρgy = constante
P = druk
v = snelheid
ρ = dichtheid van de vloeistof
g = zwaartekracht
y = hoogte
Het Venturi-effect is de snelheidsverhoging die optreedt wanneer de vloeistofstroming wordt beperkt. De Venturi-meter is een toepassing van de vergelijking van Bernoulli. Veel voorkomende typen restricties zijn smoorplaten, Venturi-buizen, mondstukken en elke structuur die een gemakkelijk te meten drukverschil heeft.
Stroming in een pijp/buis. Verscheidene factoren bepalen de drukval die optreedt in vloeistofstromingstoepassingen, waaronder laminaire versus turbulente stroming, de stroomsnelheid, kinematische viscositeit en Reynoldsgetal van de vloeistof, interne ruwheid van de binnenkant van de pijp, alsmede de diameter, lengte en vormfactor. Openingsplaten, venturibuizen en straalpijpen vereenvoudigen de situatie. In deze gevallen (zie figuur 1) is de stroming gerelateerd aan ΔP (P1-P2) door de vergelijking:
q = cd π/4 D22 1/2
Waar:
q de doorstroming is in m3/s
cD de afvoercoëfficiënt is, de oppervlakteverhouding = A2 / A1
P1 en P2 zijn in N/m2
ρ de vloeistofdichtheid is in kg/m3
D2 de opening is, venturi- of straalpijpbinnendiameter (in m)
p1″> D1 is de stroomopwaartse en stroomafwaartse pijpdiameter (in m)
en d = D2 / D1 diameterverhouding
Figuur 1. Elementen van een ΔP-stroommeting.
Pitotbuizen gebruiken het verschil tussen de totale druk en de statische druk om de snelheid te berekenen van het vliegtuig of de vloeistof die in de pijp of het omhulsel stroomt. Een Pitot-statische buis voor het meten van de snelheid van een vliegtuig is afgebeeld in figuur 2.
Figuur 2. Een Pitot-statische of Prandtl-buis die wordt gebruikt om de snelheid van een vliegtuig te meten.
Waterslag is de schok die wordt veroorzaakt door de plotselinge daling van de snelheid van een stromende vloeistof en de tijd die de drukgolf nodig heeft om een rondreis door de pijp te maken. De impulsvergelijking van Joukowski wordt gebruikt om de resulterende druk te berekenen wanneer de vloeistofsnelheid die tot nul daalt bij het contact met een gesloten klep.
∆P = ρ-c-∆V
In psf
Voor starre leidingen wordt de snelheid van de drukgolf of golfsnelheid, c, gevonden door:
c = √ EB/ρ
waar EB de bulkmodulus van de vloeistof in psf is en ρ de dichtheid van de vloeistof.
Metingen in specifieke toepassingen
Op medisch gebied vereisen ademhalingsproblemen luchtstroommetingen voor ventilatordebiet/regeling, en analyse, zoals spirometers, alsmede gas- en vloeistofstroommetingen voor behandeling. Zo is het drukverschil in een spirometer of respirator nominaal 4 kPa en in een ventilator nominaal 25 cm H2O. In beide gevallen zijn de waarden vrij laag en vereist de drukmeting speciale aandacht in de druksensor om de gewenste nauwkeurigheid en precisie te bereiken.
HVAC
Voor een schoon en laag energieverbruik in verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC) zijn de juiste luchtfilters nodig en een frequente controle om vast te stellen of een filter moet worden vervangen. De normale bedrijfsdruk ligt meestal in het bereik van 0,1 tot 1″ H2O. De minimum efficiency reporting value, of MERV rating, van de American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) meet de effectiviteit van luchtfilters. Door de drukval over een luchtfilter te meten, wordt onnodig stroomverbruik door motoren tot een minimum beperkt.
Tools voor vloeistofberekeningen en simulatie
Online rekentools van efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator en anderen kunnen een aantal snelle hulpmiddelen bieden om de eerder getoonde berekeningen uit te voeren. Daarnaast bieden verschillende bedrijven geavanceerde simulatie-instrumenten voor computationele vloeistofdynamica en adviesdiensten om veel dieper in te gaan op de meer geavanceerde en complexe problemen die met vloeistofstroming te maken hebben, waaronder: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS, en anderen.