Wszystkie czujniki ciśnienia to wskazówki dotyczące zastosowań ułatwiające projektowanie z wykorzystaniem czujników ciśnienia systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) i unikanie typowych pułapek.
Punkt ciśnienia 11: Obliczanie natężenia przepływu na podstawie pomiarów ciśnienia
Przepływ płynów występuje wraz z ruchem materiałów ciekłych i gazowych, a czujniki ciśnienia odgrywają krytyczną rolę w określaniu wielu aspektów przepływu płynów. Dynamika płynów zapewnia środki do zrozumienia parametrów, które mają wpływ na przepływ płynów. Aktywne linki w następujących sekcjach zapewniają więcej szczegółów.
Podstawowe koncepcje dynamiki płynów
Liczba Reynoldsa (Re) jest bezwymiarową wartością prędkości używaną do przewidywania wzorców przepływu. Jest ona funkcją siły bezwładności (ρ u L) i siły lepkości lub tarcia (μ).
Przepływ lepki vs. przepływ nielepki
Przepływ lepki powoduje utratę energii (a następnie wzrost temperatury), ale idealne płyny mają przepływ nielepki bez utraty energii.
Przepływ laminarny (stały) vs. przepływ turbulentny
W przepływie laminarnym ruch cząstek jest bardzo równomierny/uporządkowany i skutkuje liniami prostymi równoległymi do ścian obudowy i jest bardzo przewidywalny. W przypadku przepływu turbulentnego, przypadkowy ruch może skutkować powstawaniem wirów i innych mniej przewidywalnych zachowań. Mieszanina przepływu laminarnego i turbulentnego, zwana przepływem przejściowym, występuje w rurach i innych obudowach, gdzie turbulencja występuje w środku obudowy, a przepływ laminarny w pobliżu krawędzi. Płyny bardziej lepkie mają tendencję do przepływu laminarnego i niższej liczby Reynoldsa.
Przepływ ściśliwy lub nieściśliwy
W przeciwieństwie do przepływu ściśliwego, w którym gęstość zmienia się wraz z przyłożonym ciśnieniem, w przepływie nieściśliwym gęstość jest stała w przestrzeni i czasie.
Równanie Bernoulliego jest używane do określania prędkości płynu poprzez pomiary ciśnienia. Zaczyna się od kwalifikacji nielepkiego, stałego, nieściśliwego przepływu w stałej temperaturze.
P + ½ρv2 + ρgy = stała
P = ciśnienie
v = prędkość
ρ = gęstość płynu
g = grawitacja
y = wysokość
Efekt Venturiego to wzrost prędkości, który występuje, gdy przepływ płynu jest ograniczony. Miernik Venturiego jest zastosowaniem równania Bernoulliego. Typowe rodzaje ograniczeń obejmują kryzy, rurki Venturiego, dysze i wszelkie struktury, w których można łatwo zmierzyć różnicę ciśnień.
Przepływ w rurze/rurze. Kilka czynników określa spadek ciśnienia, który występuje w zastosowaniach związanych z przepływem płynów, w tym przepływ laminarny i turbulentny, prędkość przepływu, lepkość kinematyczna i liczba Reynoldsa płynu, wewnętrzna chropowatość wnętrza rury, jak również jej średnica, długość i współczynnik kształtu. Płytki kryzowe, zwężki Venturiego i dysze upraszczają sytuację. W tych przypadkach (patrz rys. 1), przepływ jest związany z ΔP (P1-P2) równaniem:
q = cd π/4 D22 1/2
Gdzie:
q jest przepływem w m3/s
cD jest współczynnikiem wypływu, współczynnik powierzchni = A2 / A1
P1 i P2 są w N/m2
ρ jest gęstością płynu w kg/m3
D2 jest kryzą, zwężki lub dyszy (w m)
p1″> D1 jest średnicą rury w górę i w dół (w m)
i d = stosunek średnic D2 / D1
Rysunek 1. Elementy pomiaru przepływu ΔP.
Rurki Pitota wykorzystują różnicę między ciśnieniem całkowitym a ciśnieniem statycznym do obliczenia prędkości samolotu lub płynu przepływającego w rurze lub obudowie. Rurka Pitota-statyczna do pomiaru prędkości samolotu jest pokazana na rysunku 2.
Rysunek 2. Rurka statyczna Pitota lub rurka Prandtla używana do pomiaru prędkości samolotu.
Młot wodny jest wstrząsem spowodowanym nagłym spadkiem prędkości płynącej cieczy i czasem potrzebnym na przebycie przez falę ciśnienia drogi okrężnej w rurze. Równanie impulsu Joukowskiego jest używane do obliczania ciśnienia wynikowego, gdy prędkość cieczy spada do zera po zetknięciu z zamkniętym zaworem.
∆P = ρ-c-∆V
W psf
Dla sztywnych rur, celerity fali ciśnienia lub prędkość fali, c, znajduje się przez:
c = √ EB/ρ
gdzie EB jest modułem sprężystości płynu w psf i ρ jest gęstością płynu.
Pomiary w określonych zastosowaniach
W obszarze medycznym, kwestie oddechowe wymagają pomiarów przepływu powietrza dla przepływu/kontroli respiratora i analizy, takich jak spirometry, jak również pomiarów przepływu gazu i cieczy do leczenia. Na przykład, różnica ciśnień w spirometrze lub respiratorze wynosi nominalnie 4 kPa, a w respiratorze nominalnie 25 cm H2O. W obu przypadkach wartości te są dość niskie, a pomiar ciśnienia wymaga specjalnej uwagi w czujniku ciśnienia, aby osiągnąć pożądaną dokładność i precyzję.
HVAC
Czyste i niskie zużycie energii w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) wymagają odpowiednich filtrów powietrza i częstego monitorowania w celu identyfikacji filtra wymagającego wymiany. Normalne ciśnienia robocze są zazwyczaj w zakresie od 0,1 do 1″ H2O. Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji (ASHRAE) określa minimalną wartość współczynnika MERV (Minimum Efficiency Reporting Value), który mierzy skuteczność filtrów powietrza. Wykrywanie spadku ciśnienia na filtrze powietrza minimalizuje niepotrzebne zużycie energii przez silniki.
Narzędzia do obliczeń i symulacji płynów
Narzędzia do obliczeń online od efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator i innych mogą dostarczyć kilka szybkich narzędzi do wdrożenia przedstawionych wcześniej obliczeń. Ponadto, kilka firm oferuje zaawansowane narzędzia symulacyjne do obliczeniowej dynamiki płynów oraz usługi konsultingowe, aby zagłębić się w bardziej wyrafinowane i złożone zagadnienia związane z przepływem płynów, w tym: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS i inne.
.