Todos os pontos de pressão dos sensores são dicas de aplicação para simplificar o projeto com sistemas microeletromecânicos (MEMS) sensores de pressão e evitar armadilhas comuns.
Ponto de Pressão 11: Cálculo da vazão a partir de medições de pressão
O fluxo fluído ocorre com o movimento de materiais líquidos e gasosos e os sensores de pressão desempenham um papel crítico na determinação de muitos aspectos do fluxo de fluido. A dinâmica dos fluidos fornece os meios para compreender os parâmetros que impactam o fluxo de fluidos. Os links ativos nas seções seguintes fornecem mais detalhes.
Conceitos da Dinâmica dos Fluidos Básicos
Número de Reynolds (Re) é um valor de velocidade sem dimensões usado para prever padrões de fluxo. É uma função da força de inércia (ρ u L), e da força viscosa ou de atrito (μ).
Fluxo viscoso vs. fluxo não viscoso
Fluxo viscoso resulta em perda de energia (e subsequentemente um aumento de temperatura), mas os fluidos ideais têm fluxo não viscoso sem perda de energia.
Laminar (Firme) vs. Fluxo Turbulento
Em fluxo laminar, o movimento das partículas é muito uniforme/ordenado e resulta em linhas rectas paralelas às paredes do invólucro e é muito previsível. Com fluxo turbulento, o movimento aleatório pode resultar em eddies e outros comportamentos menos previsíveis. Uma mistura de fluxo laminar e turbulento, chamada fluxo de transição, ocorre em tubos e outras caixas com turbulência no centro da caixa, e fluxo laminar próximo às bordas. Fluidos mais viscosos tendem a ter fluxo laminar e um número de Reynolds menor.
Fluxo compressível ou Incompressível
Fluxo compressivo não comparável onde a densidade muda com a pressão aplicada, com fluxo incompressível, a densidade é constante no espaço e no tempo.
A equação de Bernoulli é usada para determinar as velocidades do fluido através de medições de pressão. Ela começa com qualificações de fluxo não viscoso, constante e incompressível a uma temperatura constante.
P + ½ρv2 + ρgy = constante
P = pressão
v = velocidade
ρ = densidade do fluido
g = gravidade
y = altura
O efeito Venturi é o aumento da velocidade que ocorre quando o fluxo do fluido é restrito. O Venturi metro é uma aplicação da equação de Bernoulli. Tipos comuns de restrições incluem placas de orifício, tubos Venturi, bicos e qualquer estrutura que tenha um diferencial de pressão facilmente mensurável.
Flow in a Pipe/Tube. Vários fatores determinam a queda de pressão que ocorre em aplicações de fluxo de fluido, incluindo fluxo laminar versus fluxo turbulento, a velocidade do fluxo, viscosidade cinemática e número de Reynolds do fluido, rugosidade interna do interior do tubo, bem como o seu diâmetro, comprimento e fator de forma. Placas de orifício, tubos Venturi e bocais simplificam a situação. Nestes casos (ver Figura 1), o fluxo está relacionado a ΔP (P1-P2) pela equação:
q = cd π/4 D22 1/2
Onde:
q é o fluxo em m3/s
cD é o coeficiente de descarga, a razão de área = A2 / A1
P1 e P2 estão em N/m2
ρ é a densidade do fluido em kg/m3
D2 é o orifício, Venturi ou bico diâmetro interior (em m)
p1″> D1 é o diâmetro do tubo a montante e a jusante (em m)
e d = relação diâmetro D2 / D1
Figure 1. Elementos de uma medição de fluxo ΔP.
Tubos de pítot utilizam a diferença entre a pressão total e a pressão estática para calcular a velocidade da aeronave ou do fluido que flui no tubo ou invólucro. Um tubo Pitot estático para medir a velocidade da aeronave é mostrado na Figura 2.
Figure 2. Um tubo Pitot-estático ou Prandtl usado para medir a velocidade da aeronave.
Martelo de água é o choque causado pela súbita diminuição da velocidade de um fluido fluindo e o tempo que leva para a onda de pressão para viagens de ida e volta na tubulação. A equação de impulso de Joukowski é usada para calcular a pressão resultante quando a velocidade do líquido cai a zero ao entrar em contato com uma válvula fechada.
∆P = ρ-c-∆V
Em psf
Para tubos rígidos, a celeridade da onda de pressão ou velocidade da onda, c, é encontrada por:
c = √ EB/ρ
onde EB é o módulo de volume do fluido em psf e ρ é a densidade do fluido.
Medições em aplicações específicas
Na área médica, problemas respiratórios requerem medições de fluxo de ar para controle/fluxo do ventilador e análises, como espirômetros, bem como medições de fluxo de gás e líquido para tratamento. Por exemplo, a pressão diferencial em um espirômetro ou respirador é nominalmente 4 kPa e, em um ventilador, é nominalmente 25 cm H2O. Em ambos os casos, os valores são bastante baixos e a medição da pressão requer consideração especial no sensor de pressão para alcançar a precisão e precisão desejada.
HVAC
Clean and low power consumption in heating, ventilation and air conditioning (HVAC) systems require the proper air filters and frequently monitoring to identify a filter that requires change. As pressões normais de operação estão normalmente na faixa de 0,1 a 1″ H2O. A Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE) mede o valor mínimo do relatório de eficiência, ou classificação MERV, da eficácia dos filtros de ar. A detecção da queda de pressão através de um filtro de ar minimiza o consumo desnecessário de energia pelos motores.
Ferramentas para cálculos e simulação de fluidos
Ferramentas de cálculos em linha da efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator e outras podem fornecer algumas ferramentas rápidas para implementar os cálculos mostrados anteriormente. Além disso, várias empresas oferecem ferramentas avançadas de simulação para dinâmica de fluidos computacional e serviços de consultoria para se aprofundar muito mais nas questões mais sofisticadas e complexas envolvidas com o fluxo de fluidos, inclusive: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS, e outros.