Почему в гражданских системах приточной вентиляции используются датчики перепада давления

Основная цель гражданских систем приточной вентиляции — обеспечить потребности в воздухообмене в помещении, одновременно максимально снижая энергопотребление вентиляторов, шум и затраты на обслуживание. Будь то бытовая приточно-вытяжная установка с рекуперацией тепла, централизованная система вентиляции в частном доме или вентиляционная установка для общественных зданий, таких как офисы, школы и гостиницы, расход воздуха в воздуховодах, сопротивление фильтров и баланс приточного и вытяжного воздуха изменяются по мере эксплуатации. Гражданские датчики перепада давления могут преобразовывать эти изменения в считываемые и управляемые сигналы перепада давления.

При измерении воздушного потока в воздуховодах датчики перепада давления обычно используются совместно с трубками Пито, усредняющими трубками или устройствами измерения расхода воздуха. Измеряя динамическое давление или разность давлений, контроллер может рассчитывать скорость и расход воздуха, а также на этой основе регулировать частоту вращения вентиляторов с частотным преобразователем. При мониторинге фильтров степень накопления пыли определяется сравнением перепада давления до и после фильтра, а при достижении сопротивлением заданного значения подается сигнал о необходимости замены фильтрующего элемента.

При выборе нельзя ориентироваться только на «размер воздуховода» или просто выбирать изделие с большим диапазоном измерения. Площадь поперечного сечения воздуховода определяет среднюю скорость воздуха, скорость воздуха определяет измеряемое динамическое давление; сопротивление системы, место установки, цель управления и допустимая погрешность совместно определяют диапазон измерения, точность, перегрузочную способность и тип выхода. При слишком большом диапазоне недостаточно разрешение в области низких давлений; при слишком малом диапазоне возможен выход за пределы измерения из-за пусковых ударных нагрузок, засорения фильтра или неисправности вентилятора.

Для гражданских вентиляционных проектов более рациональный подход заключается в том, чтобы сначала определить измеряемый объект, затем рассчитать перепад давления в нормальном режиме и максимально возможный перепад давления, а в завершение подобрать диапазон и класс точности датчика. Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может на основе размеров воздуховода, расчетного расхода воздуха, статического давления вентилятора, конструкции фильтрующей секции и интерфейса управления предоставить гражданские датчики перепада давления и соответствующие решения для измерения давления.

Расчет диапазона перепада давления по параметрам воздуховода

Сначала рассчитайте скорость воздуха по расходу и площади сечения

Скорость воздуха в воздуховоде является основой для выбора оборудования измерения расхода воздуха. Площадь сечения прямоугольного воздуховода рассчитывается как ширина, умноженная на высоту, а площадь сечения круглого воздуховода — по формуле πD²÷4. Расход воздуха обычно выражается в m³/h; после перевода в m³/s и деления на эффективную площадь поперечного сечения воздуховода получают среднюю скорость воздуха. В реальных проектах следует использовать чистую внутреннюю площадь сечения воздуховода и учитывать влияние локальных элементов, таких как воздушные клапаны, шумоглушители и отводы воздуховодов, на равномерность воздушного потока.

Например, расчетный расход воздуха бытовой вентиляционной установки составляет 500m³/h, а размер подключенного магистрального приточного воздуховода — 250mm×200mm, при этом площадь его сечения составляет около 0.05m². После перевода 500m³/h в 0.139m³/s средняя скорость воздуха составляет примерно 2.78m/s. Динамическое давление, создаваемое в таких воздуховодах с низкой скоростью воздуха, невелико; при выборе изделия с большим диапазоном 0～1000Pa эффективное использование управляющего сигнала обычно оказывается низким.

Скорость воздуха в ответвлениях бытовой вентиляции обычно составляет от 2m/s до 4m/s, а в магистральных воздуховодах — от 3m/s до 6m/s; в магистральных воздуховодах коммерческих объектов или технических помещений она может достигать от 6m/s до 8m/s. Чем ниже скорость воздуха, тем больше внимания следует уделять стабильности нуля, точности в низком диапазоне и разрешению датчика перепада давления. Если система в основном используется для регулирования постоянного расхода воздуха, следует в первую очередь обеспечить, чтобы перепад давления в нормальном режиме находился в средней или верхней части эффективного диапазона датчика.

Оценка диапазона измерения расхода воздуха по динамическому давлению

Динамическое давление воздуха можно приблизительно рассчитать по формуле q=0.6V², где q — динамическое давление в Pa, а V — скорость воздуха в m/s. Эта формула применима для инженерной оценки воздуха при нормальной температуре и нормальном давлении. При скорости воздуха 2m/s динамическое давление составляет около 2.4Pa; при 4m/s — около 9.6Pa; при 6m/s — около 21.6Pa.

Трубка Пито измеряет разность между полным и статическим давлением и теоретически может использоваться для расчета скорости воздуха, однако недостаточная длина прямого участка, отклонение направления зонда или локальные вихри влияют на результаты измерения. Для воздуховодов гражданской вентиляции рекомендуется размещать точки отбора давления на прямых участках с относительно стабильным потоком, избегая отводов, тройников, воздушных клапанов и мест изменения сечения. Как правило, в первую очередь следует предусматривать условия монтажа с прямым участком до точки отбора длиной не менее 5 эквивалентных диаметров и после нее — не менее 2 эквивалентных диаметров.

Выбор диапазона обычно не должен напрямую совпадать с расчетным динамическим давлением: необходимо предусмотреть запас для регулирования вентилятора, остаточного давления системы и аварийных режимов. Если нормальное динамическое давление составляет около 10Pa, а максимальное рабочее значение, как ожидается, не превышает 25Pa, можно выбрать диапазон 0～50Pa или 0～100Pa; если нормальное динамическое давление уже близко к 35Pa и имеется большой диапазон регулирования расхода воздуха, более надежным будет диапазон 0～100Pa. Для двунаправленного мониторинга баланса приточного и вытяжного воздуха также следует выбирать диапазон положительного и отрицательного давления в соответствии с фактическим направлением сигнала.

Выбор диапазона и точности для различных целей измерения

При управлении расходом воздуха первоочередное внимание следует уделять характеристикам в области низких давлений

При использовании для управления расходом воздуха в воздуховоде сигнал перепада давления обычно невелик. Например, для датчика 0～50Pa при точности ±1% от полной шкалы допустимая погрешность составляет около ±0.5Pa; когда фактическое измеренное значение равно лишь 5Pa, доля этой погрешности уже достигает примерно 10%. Поэтому при измерении низких скоростей воздуха не следует необоснованно увеличивать полную шкалу; целесообразнее использовать датчики перепада давления с низким диапазоном и высокой стабильностью.

Для обычного мониторинга тенденций расхода воздуха и совместной работы с вентилятором в гражданских вентиляционных системах можно выбирать изделия с точностью полной шкалы от ±1%FS до ±2%FS; для постоянного расхода воздуха, баланса приточного и вытяжного воздуха или сценариев, требующих более стабильной обратной связи по скорости воздуха, рекомендуется выбирать точность от ±0.5%FS до ±1%FS и уделять особое внимание показателям дрейфа нуля, повторяемости и долговременной стабильности.

Следует учитывать, что расход воздуха и перепад давления не имеют линейной зависимости: расход воздуха пропорционален квадратному корню из перепада давления. При низком перепаде давления даже небольшое смещение нуля может превратиться в заметную ошибку пересчета расхода воздуха. Поэтому контроллер должен иметь функцию вычисления квадратного корня или использовать логику управления с компенсацией расхода воздуха, а после установки необходимо выполнить наладку и проверку по фактическому расходу воздуха.

Для мониторинга засорения фильтра выбор следует выполнять по конечному сопротивлению

Мониторинг перепада давления на фильтре отличается от мониторинга расхода воздуха: основное значение имеет не динамическое давление в несколько Pa, а изменение сопротивления между чистым и засоренным состояниями фильтра. Начальное сопротивление обычных фильтров грубой очистки может составлять от 20Pa до 50Pa, а начальное сопротивление фильтров средней очистки — около 50Pa до 100Pa; конкретные значения следует определять по параметрам, предоставленным производителем фильтра, и расчетному конечному сопротивлению системы.

Если начальное сопротивление фильтра составляет около 30Pa, рекомендуемый перепад давления для замены установлен на 100Pa, а перепад давления при максимальном статическом давлении вентилятора и в аварийном состоянии может превышать 150Pa, приоритетно можно выбрать диапазон 0～250Pa. Если расчетное конечное сопротивление высокоэффективной фильтрующей секции составляет от 250Pa до 400Pa, обычно следует рассматривать диапазон 0～500Pa или 0～1000Pa, чтобы избежать длительной работы датчика вблизи полной шкалы.

Для датчика перепада давления на фильтре не требуется чрезмерно высокая точность, однако следует уделять внимание устойчивости к засорению, долговременной стабильности нуля и надежности аварийного выхода. В гражданских проектах ±1%FS или ±2%FS обычно способны удовлетворить потребности в напоминании о замене фильтра. Для необслуживаемых технических помещений или систем автоматизации зданий можно дополнительно выбрать выходы 4～20mA, 0～10V, RS485 и другие для подключения к DDC, PLC или интеллектуальной платформе управления.

Технические параметры, которые необходимо проверить помимо точности

Различайте точность полной шкалы, суммарную точность и разрешение

При закупке датчиков перепада давления необходимо уточнять способ указания точности. ±1%FS означает погрешность, рассчитанную от полной шкалы: при диапазоне 0～100Pa допустимая погрешность составляет около ±1Pa; при диапазоне 0～50Pa — около ±0.5Pa. При одинаково заявленной точности ±1%FS изделие с меньшим диапазоном имеет меньшую абсолютную погрешность при измерении малых перепадов давления.

Помимо основной точности, температурный дрейф также влияет на долговременную работу вентиляционного оборудования. В технических помещениях, над подвесными потолками или в регионах с большой разницей температур между зимой и летом изменение температуры окружающей среды может вызвать смещение нуля. Для применений, где круглый год измеряются малые перепады давления ниже 10Pa, следует в первую очередь выбирать изделия с небольшим температурным дрейфом и хорошей стабильностью нуля, а на этапе монтажа и наладки выполнять проверку нуля.

Разрешение определяет способность датчика распознавать незначительные изменения, а время отклика влияет на отслеживание при частотном управлении вентилятором. В бытовых вентиляционных системах обычно не требуется сверхбыстрый отклик на уровне миллисекунд; надлежащая программная фильтрация помогает уменьшить колебания сигнала, вызванные пульсациями воздушного потока. Однако слишком длительное время фильтрации вызывает запаздывание управления, поэтому настройку необходимо комплексно определять с учетом периода регулирования вентилятора и степени стабильности потока на объекте.

Выходной сигнал и монтажные принадлежности также влияют на конечный результат

Для новых проектов автоматизации зданий сигнал 4～20mA обладает высокой помехоустойчивостью и подходит для случаев с большой дальностью передачи и сложной электромагнитной обстановкой на объекте; выход 0～10V удобен для подключения и подходит для управления оборудованием на небольших расстояниях; связь RS485 удобна для централизованного сбора данных во множестве точек и удаленного просмотра параметров. Тип выхода должен соответствовать входному интерфейсу имеющегося контроллера, чтобы избежать последующего добавления модулей преобразования сигналов.

При монтаже нельзя перепутать импульсные трубки высокого и низкого давления. При измерении перепада давления на фильтре порт высокого давления подключается к стороне входящего потока фильтра, а порт низкого давления — к стороне выходящего воздуха; при измерении динамического давления в воздуховоде подключение выполняется в соответствии с маркировкой трубки Пито или усредняющей трубки. Импульсные трубки должны быть как можно короче и прокладываться плавно, без перегибов, сплющивания, скопления воды и утечек воздуха, иначе возможны замедленный отклик или искажение показаний.

Корпус датчика рекомендуется устанавливать в месте, удобном для обслуживания, с низким уровнем вибрации и без риска попадания конденсата. Для наружных секций приточного воздуха или зон с высокой влажностью необходимо учитывать степень защиты, риск конденсации и меры защиты отверстий отбора давления от пыли. После завершения монтажа следует отдельно проверить сигналы при низкой, номинальной и высокой скорости вентилятора, чтобы убедиться, что нуль, направление, диапазон и пороги сигнализации соответствуют требованиям управления.

Практические шаги по выбору датчика перепада давления для гражданской вентиляции

Первый шаг — определить цель измерения: измерение скорости воздуха в воздуховоде, управление балансом приточного и вытяжного воздуха, мониторинг засорения фильтра или поддержание положительного и отрицательного давления в помещении. Диапазоны перепада давления для различных целей существенно различаются, поэтому одним диапазоном нельзя охватить все точки. Второй шаг — предоставить основные параметры: расчетный расход воздуха, размеры воздуховода, полное давление вентилятора, начальное и конечное сопротивление фильтра.

Третий шаг — рассчитать или подтвердить нормальный перепад давления, максимальный перепад давления и минимальный эффективный перепад давления. Обычно рекомендуется, чтобы значение в нормальном режиме находилось в диапазоне от 30% до 80% диапазона датчика, с запасом для максимального режима. Четвертый шаг — определить класс точности в соответствии с точностью управления: для обычной сигнализации можно использовать ±1%FS до ±2%FS, а для постоянного расхода воздуха и управления балансом малых давлений следует в первую очередь использовать модели с меньшим диапазоном и более высокой стабильностью.

Пятый шаг — подтвердить выходной сигнал, питание, способ монтажа, размер интерфейса, материал импульсных трубок и условия окружающей среды. Для проектов, требующих непосредственного отображения на месте и настройки точек сигнализации, можно выбрать прибор контроля перепада давления с цифровой индикацией и релейным выходом; для проектов с подключением к системе автоматизации зданий необходимо подтвердить диапазон аналогового сигнала, протокол связи и настройку диапазона контроллера.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd., опираясь на производственные и технические возможности Shaanxi Qinkong Sensor Technology Co., Ltd., может предоставлять датчики перепада давления, преобразователи перепада давления и индивидуальные решения измерения и управления для жилых объектов, коммерческих комплексов, школ, больниц и различных видов вентиляционного оборудования. Предоставьте размеры сечения воздуховода, расчетный расход воздуха, параметры фильтра, место установки и требования к управляющему сигналу, чтобы получить рекомендации по выбору соответствующего диапазона, точности, типа выхода и монтажных принадлежностей.