Пневматика, тобто техніка, що використовує стиснене повітря як робоче середовище, є невід'ємною частиною сучасної промислової автоматики. Ключовим питанням у пневматичних системах є вимірювання витрати повітря, яке має величезне значення як для енергоефективності, так і для точного управління процесами. Хоча може здатися, що закон Торрічеллі, який описує витік рідини з отвору, стосується виключно гідравліки або фізики рідин, його фізичні основи також застосовуються у вимірюванні потоку газів, включаючи стиснене повітря.

У цій статті ми розглянемо:

у чому полягає закон Торрічеллі,
як цей принцип застосовується до потоку газів,
які методи вимірювання потоку використовуються в пневматиці,
які пристрої та рішення в цій галузі пропонує компанія Festo.

Закон Торрічеллі – фізичні основи

Історія та визначення

Закон Торрічеллі був сформульований у 1643 році італійським фізиком Евангелістом Торрічеллі, учнем Галілея.

Пам'ятник Еванджеліста Торрічеллі, італійському фізику та математику, який відкрив принцип витоку рідини

Воно стосується швидкості витікання рідини з отвору в стінці резервуара і випливає з принципу збереження енергії.

У найпростішій формі закон Торрічеллі говорить, що:

Основна математична формула рівняння Торрічеллі для розрахунку швидкості витоку ідеальної рідини через отвір

де:

v – швидкість витікання рідини [м/с],
g – прискорення вільного падіння (9,81 м/с²),
h – різниця рівнів рідини (висота стовпа рідини над отвором) [м].

Це, по суті, наслідок рівняння Бернуллі – перетворення потенційної енергії в кінетичну.

Зв'язок з газами

Хоча Торрічеллі описав витік рідини, його закон є частковим випадком рівняння Бернуллі, яке також застосовується до газів (за певних умов, таких як відсутність в'язкості, нестисливий або стисливий потік тощо). Однак у пневматиці ми маємо справу зі стисливим середовищем – стисненим повітрям – що вносить додаткову складність.

На практиці це означає, що формули Торрічеллі можуть бути використані в пристроях, що вимірюють потік, наприклад, в вимірювальних дроселях або соплах Вентурі, хоча в разі газів необхідно застосовувати поправки на стисливість.

Принципи вимірювання потоку в пневматиці

Чому ми вимірюємо потік?

У промисловості вимірювання потоку стисненого повітря дозволяє:

контролювати споживання енергії, що впливає на експлуатаційні витрати,
виявляти витоки в системі,
забезпечувати повторюваність технологічних процесів (наприклад, у дозуючих системах),
діагностувати технічний стан пневматичних установок,
контролювати якість виробництва (наприклад, у процесах пакування, різання, формування).

Промислова система для вимірювання витрати рідини та контролю споживання енергії на основі гідродинамічних принципів

Основні методи вимірювання витрати повітря

Вимірювання методом різниці тисків

Це один з найстаріших і найчастіше використовуваних методів. Він базується на принципі Бернуллі і, в спрощеному вигляді, також на законі Торрічеллі. У системі знаходиться перешкода для потоку – наприклад, дросель, вузька труба Вентурі або сопло – яка викликає падіння тиску. Різниця тиску перед і за перешкодою пропорційна квадрату швидкості потоку.

Для газів корекції включають:

стисливість газу,
зміни температури,
абсолютний тиск.

Вимірювання різниці тиску здійснюється за допомогою перетворювачів різниці тиску.

Теплові витратоміри

У пневматиці часто використовуються теплові витратоміри, в яких нагрівальний елемент охолоджується потоком повітря. Чим більший потік, тим інтенсивніше охолодження, що дозволяє точно визначити інтенсивність потоку. Це технологія з високою чутливістю, особливо при малих потоках.

Промислові термічні витратоміри, встановлені в системі пневматики для моніторингу потоку стисненого повітря

Вихрові витратоміри (vortex)

У вимірювальній трубі розміщується перегородка, за якою утворюються вихори. Частота утворення вихорів пропорційна швидкості потоку. Ця техніка менш популярна в класичній промисловій пневматиці, але іноді застосовується при великих витратах.

Масові витратоміри (Коріоліса)

Хоча масові витратоміри дорожчі, вони забезпечують пряме вимірювання маси середовища, що протікає. Це рішення застосовується головним чином у випадках, що вимагають найвищої точності.

Закон Торрічеллі та вимірювання в пневматиці

Закон Торрічеллі часто є основою для калібрування вимірювальних діафрагм і форсунок, в яких швидкість потоку визначається на основі різниці тисків. На практиці потік повітря через діафрагму можна виразити як:

Формула розрахунку витрати повітря в пневматичних системах, що базується на законі Торрічеллі з урахуванням перепаду тиску

де:

Q – об'ємна витрата,
Cd – коефіцієнт витрати,
A – площа поперечного перерізу отвору,
ΔP – різниця тисків,
ρ – щільність повітря.

Однак у пневматиці слід враховувати, що:

повітря є стисливим газом,
зі зниженням тиску змінюється його щільність,
потік може перейти в так званий критичний (звуковий) потік, що обмежує максимальну інтенсивність потоку незалежно від подальшого зниження тиску за дроселем.

Вимірювання потоку в промисловій пневматиці – пропозиція Festo

Компанія Festo є світовим лідером в області промислової автоматики, пропонуючи широкий спектр пристроїв для вимірювання потоку в пневматичних системах. Ось кілька ключових рішень з пропозиції Festo, які застосовуються в промисловій практиці.

Витратоміри SFAB

Цифрові витратоміри серії Festo SFAB для точного контролю витрати стисненого повітря та моніторингу витоків у пневмосистемах

Тип: Термометричні витратоміри SFAB
Діапазони вимірювання: від декількох л/хв до навіть декількох сотень л/хв

Характеристики:

швидкий час реакції,
компактна конструкція,
комунікація IO-Link, що забезпечує легку інтеграцію з системами управління,
вимірювання як інтенсивності потоку, так і температури середовища,
можливість виявлення витоків в установці.

Автоматизована система Festo для вимірювання витрати та точного дозування рідких продуктів у харчовій промисловості

Принцип дії витратоміра SFAB базується на вимірюванні охолодження нагрівального елементу повітрям, що протікає, що, як зазначено вище, є дуже точною технікою при середніх і малих витратах.

Витратоміри SFAH

Компактні цифрові витратоміри Festo серії SFAH для високоточного вимірювання потоку стисненого повітря та неагресивних газів

Тип: Витратоміри різниці тиску
Діапазони: до декількох сотень л/хв.

Характеристики:

хороша точність при великих витратах,
висока стійкість до забруднень,
компактні розміри,
пристосованість до роботи в складних промислових умовах.

У цих пристроях використовуються принципи, які в спрощеному вигляді випливають із закону Торрічеллі – різниця тиску за звуженням дозволяє обчислити витрату повітря.

Витратоміри SFAM

Модульний витратомір Festo SFAM, інтегрований у систему підготовки стисненого повітря для точного моніторингу витрат на виробництві

Тип: Механічні масові витратоміри
Діапазони: широкий діапазон, для промислових застосувань,

Характеристики:

міцна конструкція для роботи в складних умовах,
висока точність,
різні вихідні сигнали, включаючи IO-Link,
можливість роботи з різними середовищами (повітря, азот, CO₂).

Система моніторингу та управління енергоспоживанням стисненого повітря відповідно до стандарту ISO 50001 з використанням обладнання Festo

SFAM — це дуже універсальний прилад, особливо там, де необхідний контроль фактичного споживання стисненого повітря в технологічних процесах.

Промислове застосування вимірювань витрати

Вимірювання витрати в промисловій пневматиці сьогодні є основою енергоефективності та надійності процесів. Приклади застосування:

дозування повітря в процесах виробництва напоїв або харчових продуктів,
моніторинг споживання повітря в пневматичних пресах,
контроль герметичності установок,
оптимізація систем підготовки стисненого повітря (осушувачі, фільтри),
моніторинг систем пневматичного транспорту в фармацевтичній або харчовій промисловості.

Комплексна система Festo для проведення енергетичного аудиту, вимірювання витрат та звітності щодо ефективності пневматичних мереж

Рішення Festo дозволяють повністю автоматизувати та інтегрувати вимірювання з системами SCADA, MES або Industry 4.0, забезпечуючи не тільки дані про потік, але й прогнозну діагностику роботи обладнання.

Вимірювання потоку в пневматиці – рішення CS Instruments

Крім Festo, на ринку є кілька відомих виробників, що спеціалізуються на вимірюванні потоку стисненого повітря та технічних газів. CS Instruments – одна з компаній, яка завоювала визнання в промисловості, особливо в області діагностики та моніторингу установок стисненого повітря.

Спеціалізація CS Instruments

CS Instruments зосереджується на:

вимірюванні витрати та споживання стисненого повітря та технічних газів,
аналізі якості повітря (точка роси, вміст масла),
виявленні витоків,
комплексному моніторингу систем стисненого повітря (Energy Management).

Їхні пристрої розроблені для промислового застосування, де важливими є:

стійкість до складних умов навколишнього середовища,
широкий діапазон вимірювання,
інтеграція з системами енергоменеджменту (наприклад, ISO 50001),
можливість документування вимірювань.

Теплові витратоміри VA 500 / VA 520

Професійний занурювальний витратомір CS Instruments VA 500 для точного вимірювання витрати стисненого повітря та газів на виробництві

VA 500

Тип: Термометричний витратомір
Діапазон вимірювання: від декількох л/хв до навіть декількох десятків тисяч л/хв

Характеристики:

безпосередній монтаж на трубопроводі стисненого повітря,
компактна sonda для монтажу навіть у обмеженому просторі,
аналоговий або цифровий сигнал (Modbus RTU, M-Bus),
вимірювання масового потоку (незалежно від температури та тиску),
широкий діапазон діаметрів труб завдяки використанню однієї вимірювальної сонди.

Витратомір VA 500 працює за принципом охолодження нагрівального елементу потоком повітря – аналогічно до пристроїв Festo SFAB. Його великою перевагою є можливість роботи при дуже низьких витратах та простота монтажу без необхідності вирізання ділянок установки.

VA 520

Тип: Компактний тепловий витратомір
Призначення: установки з меншими перетинами (наприклад, до DN 50)

Характеристики:

економічне рішення для локальних вимірювань,
вбудований дисплей,
різні варіанти вихідних сигналів (аналогові, імпульсні).

Компактний витратомір CS Instruments VA 520, встановлений на промисловому трубопроводі для моніторингу потоку газу

VA 520 — чудова альтернатива для моніторингу окремих гілок системи стисненого повітря, де важливо контролювати місцеве споживання.

Витратоміри VA 550 і VA 570

Для застосувань, що вимагають більшої стійкості до промислових умов, CS Instruments пропонує витратоміри VA 550 і VA 570.

Тип: промисловий термометричний витратомір

Характеристики:

виготовлений з нержавіючої сталі,
можливість роботи при температурах до 180 °C,
діапазон тисків до 16 бар,
сертифікати ATEX для вибухонебезпечних зон (у вибраних моделях).

Ці витратоміри добре підходять для важких промислових умов, наприклад, у металургійній, хімічній або енергетичній промисловості, де стандартні пристрої можуть бути недостатніми.

Реєстратор вимірювання витрати DS 500

Промислові датчики витрати CS Instruments серій VA 550 та VA 570 для точного моніторингу та аналізу споживання стисненого повітря

CS Instruments також виділяється системами комплексного моніторингу.

DS 500 — це розширений реєстратор даних (Data Logger), призначений для:

моніторингу багатьох точок вимірювання (потік, точка роси, тиск),
довгострокового запису даних,
інтеграції з надпорядкованими системами (SCADA, BMS, MES),
аналізу профілів споживання стисненого повітря,
виявлення аномалій та втрат енергії.

DS 500 дозволяє створювати детальні звіти, необхідні, наприклад, згідно з нормою ISO 50001, що стає все більш важливим у сучасних промислових підприємствах, які прагнуть оптимізувати споживання енергії.

Багатоканальний реєстратор даних CS Instruments DS 500 для моніторингу якості стисненого повітря відповідно до класів ISO

Закон Торрічеллі та вимірювання CS Instruments

Хоча CS Instruments в основному використовує теплові витратоміри, в деяких пристроях (наприклад, при вимірювальних діафрагмах) використовується метод різниці тисків, теоретичні основи якого, як і у випадку Festo, походять від закону Торрічеллі та рівняння Бернуллі. Особливо в установках з великими потоками і стабільними умовами роботи вимірювання різниці тиснень залишається привабливим методом вимірювання.

Festo vs CS Instruments – відмінності та синергія

Обидві компанії пропонують термометричні витратоміри, однак:

Festo зосереджується переважно на інтеграції з промисловою автоматикою (IO-Link, контролери, пневматичні системи),
CS Instruments спеціалізується на енергетичній діагностиці та комплексному моніторингу цілих установок, часто на рівні управління енергією підприємства.

На практиці багато підприємств використовують рішення обох виробників:

Festo – в технологічних процесах, де важлива швидка реакція в режимі реального часу,
CS Instruments – в моніторингу енергоспоживання, виявленні витоків та звітності для енергетичних аудитів.

Вас може зацікавити:

Автор

Захар Магеровський

Оператор

+38-(067)-75-53-862

[email protected]

Графік роботи:

9:00 - 17:00