Toate punctele de presiune ale senzorilor sunt sfaturi de aplicare pentru a simplifica proiectarea cu senzori de presiune pentru sisteme microelectromecanice (MEMS) și pentru a evita capcanele comune.
Punctul de presiune 11: Calcularea debitului din măsurătorile de presiune
Curgerea fluidelor are loc odată cu mișcarea materialelor lichide și gazoase, iar senzorii de presiune joacă un rol critic în determinarea multor aspecte ale curgerii fluidelor. Dinamica fluidelor oferă mijloacele de înțelegere a parametrilor care influențează curgerea fluidelor. Legăturile active din secțiunile următoare oferă mai multe detalii.
Concepte de bază ale dinamicii fluidelor
Numărul Reynolds (Re) este o valoare adimensională a vitezei utilizată pentru a prezice modelele de curgere. Este o funcție de forța de inerție (ρ u L) și de forța vâscoasă sau de frecare (μ).
Curgerea vâscoasă vs. curgerea neviscoasă
Curgerea vâscoasă are ca rezultat o pierdere de energie (și ulterior o creștere a temperaturii), dar fluidele ideale au o curgere neviscoasă fără pierderi de energie.
Curgere laminară (stabilă) vs. curgere turbulentă
În curgerea laminară, mișcarea particulelor este foarte uniformă/ordonată și rezultă în linii drepte paralele cu pereții incintei și este foarte previzibilă. În cazul curgerii turbulente, mișcarea aleatorie poate rezulta în vârtejuri și alte comportamente mai puțin previzibile. Un amestec de curgere laminară și turbulentă, numit curgere de tranziție, apare în conducte și alte incinte cu turbulențe în centrul incintei și curgere laminară în apropierea marginilor. Fluidele mai vâscoase tind să aibă curgere laminară și un număr Reynolds mai mic.
Curgere compresibilă sau incompresibilă
În comparație cu curgerea compresibilă în care densitatea se modifică odată cu presiunea aplicată, în cazul curgerii incompresibile, densitatea este constantă în spațiu și timp.
Ecuația lui Bernoulli este utilizată pentru a determina vitezele fluidelor prin măsurători de presiune. Se pornește de la calificări ale curgerii neviscoase, stabile, incompresibile, la o temperatură constantă.
P + ½ρv2 + ρgy = constantă
P = presiune
v = viteză
ρ = densitatea fluidului
g = gravitație
y = înălțime
Efectul Venturi este creșterea vitezei care apare atunci când curgerea fluidului este restricționată. Contorul Venturi este o aplicație a ecuației lui Bernoulli. Tipurile comune de restricții includ plăci de orificiu, tuburi Venturi, duze și orice structură care are o diferență de presiune ușor de măsurat.
Curgerea într-o țeavă/un tub. Mai mulți factori determină căderea de presiune care apare în aplicațiile de curgere a fluidelor, inclusiv curgerea laminară față de curgerea turbulentă, viteza de curgere, vâscozitatea cinematică și numărul Reynolds al fluidului, rugozitatea internă a interiorului țevii, precum și diametrul, lungimea și factorul de formă al acesteia. Plăcile de orificiu, tuburile Venturi și duzele simplifică situația. În aceste cazuri (a se vedea figura 1), debitul este legat de ΔP (P1-P2) prin ecuația:
q = cd π/4 D22 1/2
Unde:
q este debitul în m3/s
cD este coeficientul de debit, raportul de arie = A2 / A1
P1 și P2 sunt în N/m2
ρ este densitatea fluidului în kg/m3
D2 este orificiul, venturi sau diametrul interior al duzei (în m)
p1″> D1 este diametrul conductei în amonte și în aval (în m)
și d = raportul diametrelor D2 / D1
Figura 1. Elemente ale unei măsurători de debit ΔP.
Tubele Pitot utilizează diferența dintre presiunea totală și presiunea statică pentru a calcula viteza aeronavei sau a fluidului care curge în conductă sau în incintă. Un tub Pitot-static pentru măsurarea vitezei aeronavei este prezentat în figura 2.
Figura 2. Tubul Pitot static. Un tub Pitot-static sau Prandtl utilizat pentru măsurarea vitezei aeronavelor.
Căpușele de apă reprezintă șocul cauzat de scăderea bruscă a vitezei unui fluid care curge și de timpul necesar undei de presiune pentru parcurgerea dus-întors în țeavă. Ecuația impulsului Joukowski este utilizată pentru a calcula presiunea rezultată atunci când viteza lichidului care scade la zero la contactul cu o supapă închisă.
∆P = ρ-c-∆V
În psf
Pentru conductele rigide, celeritatea undei de presiune sau viteza undei, c, se găsește prin:
c = √ EB/ρ
unde EB este modulul grosier al fluidului în psf și ρ este densitatea fluidului.
Măsurări în aplicații specifice
În domeniul medical, problemele respiratorii necesită măsurători ale debitului de aer pentru fluxul/controlul ventilatorului și analiză, cum ar fi spirometrele, precum și măsurători ale debitului de gaze și lichide pentru tratament. De exemplu, presiunea diferențială într-un spirometru sau într-un aparat respirator este nominal de 4 kPa, iar într-un ventilator, este nominal de 25 cm H2O. În ambele cazuri, valorile sunt destul de mici, iar măsurarea presiunii necesită o atenție specială la senzorul de presiune pentru a obține acuratețea și precizia dorite.
HVAC
Curățenia și consumul redus de energie în sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) necesită filtre de aer adecvate și o monitorizare frecventă pentru a identifica un filtru care trebuie schimbat. Presiunile normale de funcționare sunt de obicei cuprinse între 0,1 și 1″ H2O. Valoarea minimă de raportare a eficienței, sau ratingul MERV, a Societății americane a inginerilor de încălzire, refrigerare și climatizare (ASHRAE) măsoară eficiența filtrelor de aer. Detectarea căderii de presiune pe un filtru de aer minimizează consumul inutil de energie al motoarelor.
Instrumente de calcul și simulare a fluidelor
Instrumentele de calcul online de la efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator și altele pot oferi câteva instrumente rapide pentru a pune în aplicare calculele prezentate anterior. În plus, mai multe companii oferă instrumente avansate de simulare pentru dinamica computațională a fluidelor și servicii de consultanță pentru a aprofunda mult mai mult problemele mai sofisticate și mai complexe implicate de curgerea fluidelor, printre care: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS și altele.
.