Alla sensorer Tryckpunkter är tillämpningstips för att förenkla konstruktionen med tryckgivare för mikroelektromekaniska system (MEMS) och undvika vanliga fallgropar.
Tryckpunkt 11: Beräkning av flödeshastighet från tryckmätningar
Vätskeströmning sker när flytande och gasformiga material rör sig och trycksensorer spelar en viktig roll när det gäller att bestämma många aspekter av vätskeflödet. Fluiddynamik ger möjlighet att förstå de parametrar som påverkar flödet. De aktiva länkarna i följande avsnitt ger mer information.
Grundläggande begrepp inom strömningsdynamik
Reynolds tal (Re) är ett dimensionslöst hastighetsvärde som används för att förutsäga flödesmönster. Det är en funktion av tröghetskraften (ρ u L) och den viskösa kraften eller friktionskraften (μ).
Visköst vs. icke visköst flöde
Visköst flöde resulterar i energiförlust (och därefter en temperaturhöjning), men ideala vätskor har icke visköst flöde utan energiförlust.
Laminärt (stabilt) vs. turbulent flöde
I laminärt flöde är partikelrörelsen mycket jämn/ordnad och resulterar i raka linjer parallellt med höljets väggar och är mycket förutsägbar. Vid turbulent flöde kan slumpmässig rörelse resultera i virvlar och andra mindre förutsägbara beteenden. En blandning av laminärt och turbulent flöde, kallat övergångsflöde, uppstår i rör och andra inneslutningar med turbulens i mitten av inneslutningen och laminärt flöde nära kanterna. Mer viskösa vätskor tenderar att ha laminärt flöde och ett lägre Reynoldsnummer.
Kompressibelt eller inkompressibelt flöde
Till skillnad från kompressibelt flöde där densiteten förändras med det applicerade trycket, är densiteten vid inkompressibelt flöde konstant i tid och rum.
Bernoullis ekvation används för att bestämma vätskans hastigheter genom tryckmätningar. Den börjar med kvalifikationer för ickeviskös, jämn, inkompressibel strömning vid en konstant temperatur.
P + ½ρv2 + ρgy = konstant
P = tryck
v = hastighet
ρ = vätskans densitet
g = gravitation
y = höjd
Venturieffekten är den ökning av hastigheten som uppstår när vätskans flöde begränsas. Venturimätaren är en tillämpning av Bernoullis ekvation. Vanliga typer av begränsningar är bl.a. öppningsplattor, venturirör, munstycken och alla strukturer som har en lätt mätbar tryckskillnad.
Flöde i ett rör/rör. Flera faktorer bestämmer det tryckfall som uppstår i tillämpningar med vätskeflöden, bland annat laminärt kontra turbulent flöde, vätskeflödets flödeshastighet, kinematiska viskositet och Reynoldstal, inre ojämnheter på rörets insida samt dess diameter, längd och formfaktor. Bländplattor, venturirör och munstycken förenklar situationen. I dessa fall (se figur 1) är flödet relaterat till ΔP (P1-P2) genom ekvationen:
q = cd π/4 D22 1/2
Varvid:
q är flödet i m3/s
cD är flödeskoefficienten, ytförhållandet = A2 / A1
P1 och P2 är i N/m2
ρ är vätskans densitet i kg/m3
D2 är öppningen, Venturi eller munstycke (i m)
p1″> D1 är rördiametern uppströms och nedströms (i m)
och d = D2/D1 diameterförhållande
Figur 1. Delar av en ΔP-flödesmätning.
Pitotrör använder skillnaden mellan det totala trycket och det statiska trycket för att beräkna hastigheten hos det flygplan eller den vätska som strömmar i röret eller kapseln. Ett Pitot-statiskt rör för mätning av flygplanets hastighet visas i figur 2.
Figur 2. Ett Pitot-statiskt eller Prandtl-rör som används för att mäta flygplanets hastighet.
Vattenslag är den chock som orsakas av den plötsliga hastighetsminskningen hos en strömmande vätska och den tid det tar för tryckvågen att färdas runt i röret. Joukowskis impulsekvation används för att beräkna det resulterande trycket när vätskans hastighet som sjunker till noll vid kontakt med en stängd ventil.
∆P = ρ-c-∆V
In psf
För styva rör fås tryckvågens celeritet eller våghastighet, c, genom:
c = √ EB/ρ
där EB är vätskans bulkmodul i psf och ρ är vätskans densitet.
Mätningar i specifika tillämpningar
Inom det medicinska området kräver andningsfrågor luftflödesmätningar för ventilatorflöde/styrning och analys, t.ex. spirometrar, samt gas- och vätskeflödesmätningar för behandling. Exempelvis är differenstrycket i en spirometer eller respirator nominellt 4 kPa och i en ventilator är det nominellt 25 cm H2O. I båda fallen är värdena ganska låga och tryckmätningen kräver särskild hänsyn i tryckgivaren för att uppnå önskad noggrannhet och precision.
HVAC
Snygg och låg energiförbrukning i värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC) kräver rätt luftfilter och frekvent övervakning för att identifiera ett filter som behöver bytas. Normala driftstryck ligger vanligtvis i intervallet 0,1 till 1″ H2O. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) lägsta rapporteringsvärde för effektivitet, eller MERV-klassning, mäter luftfiltrens effektivitet. Genom att känna av tryckfallet över ett luftfilter minimeras motorernas onödiga energiförbrukning.
Verktyg för beräkningar och simulering av vätskor
Onlineberäkningsverktyg från efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator m.fl. kan ge några snabba verktyg för att genomföra de beräkningar som visats tidigare. Dessutom erbjuder flera företag avancerade simuleringsverktyg för beräkningsbaserad strömningsdynamik och konsulttjänster för att fördjupa sig i de mer sofistikerade och komplexa frågorna kring strömning av vätskor, t.ex: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS och andra.