ทำความเข้าใจเครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบคาปาซิทีฟในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

เครื่องส่งสัญญาณวัดความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ เป็นอุปกรณ์สำคัญใน เครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรม และ ระบบอัตโนมัติในกระบวนการผลิต สมัยใหม่ โดยใช้เทคโนโลยีการตรวจจับแบบคาปาซิทีฟขั้นสูงในการวัดความดันแตกต่าง ความดันเกจ และความดันสัมบูรณ์ด้วยความแม่นยำสูงและเสถียรภาพในระยะยาว แตกต่างจากเซ็นเซอร์วัดความดันเชิงกลแบบดั้งเดิม เครื่องส่งสัญญาณเหล่านี้ ไม่มีกลไกการส่งกำลังเชิงกลที่เคลื่อนที่ได้ ทำให้มีขนาดกะทัดรัด ทนทาน และทนต่อการสั่นสะเทือนสูง การปรับค่าศูนย์และช่วงการวัด อย่างอิสระช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำโดยไม่รบกวนซึ่งกันและกัน ซึ่งส่งผลให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ

ในประเทศจีน เมืองหลายแห่งได้นำสายการผลิตจากบริษัท โรสเมาท์ ของอเมริกามาติดตั้ง เพื่อผลิตสินค้าหลากหลายรุ่น ความดันแตกต่าง การวัด ความดันเกจ และ ความดันสัมบูรณ์ บางรุ่นยังมี ฟังก์ชันการหาค่ารากที่สอง สำหรับ การวัดอัตราการไหล รวมถึงรุ่นที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ต้องการ ความดันสถิตสูง และ ความดันแตกต่างระดับไมโคร ด้วย

สำรวจผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภท ประเภทของเครื่องส่งสัญญาณแรงดัน >>

หลักการทำงานและโครงสร้างของเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องส่งสัญญาณวัดความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟจะประกอบด้วยสองส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนการวัด และ ส่วนการแปลง/ขยายสัญญาณ ดังแสดงใน รูปที่ 1

รูปที่ 1: แผนภาพวงจรของตัวส่งสัญญาณแรงดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ

1—ออสซิลเลเตอร์ 2—เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ 3—ดีโมดูเลเตอร์ 4—การปรับช่วง 5—ตัวจำกัดกระแส
6—ภาคขยายกำลัง 7—ภาคขยายปฏิบัติการ 8—การปรับศูนย์และการเคลื่อนศูนย์
9—วงจรขยายสัญญาณควบคุมการสั่น 10—แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง 11—ตัวควบคุมแรงดัน 12—อุปกรณ์ป้องกันการกลับขั้ว

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ จะแปลงค่าความดันแตกต่างที่วัดได้ (ΔP) ให้เป็นการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุ คาปาซิเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลสูงและต่ำ C _ชม และ ซี _แอล กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะถูกกระตุ้นด้วย ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง การเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะถูกถอดรหัสเพื่อสร้างสัญญาณเชิงอนุพันธ์ ( i) _แอล − i _ชม ) และสัญญาณโหมดร่วม ( i ) _แอล + ฉัน _ชม )
สัญญาณส่วนต่างจะถูกเปรียบเทียบกับสัญญาณป้อนกลับ ( I) _เอฟ จากนั้นสัญญาณจะถูกขยายและแปลงเป็น เอาต์พุต DC 4-20mA กระแสเอาต์พุตนี้จะไหลผ่าน ความต้านทานโหลด และเครือข่ายป้อนกลับ โดยรักษา ความสัมพันธ์เชิงเส้น ระหว่างสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลและกระแสเอาต์พุต

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ ประกอบด้วยแผ่นอิเล็กโทรดคงที่และไดอะแฟรมวัดที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งรวมกันเป็นตัวเก็บประจุสองตัว ( C) _ชม และ ซี _แอล ) เชื่อมต่อกับห้องความดันสูงและห้องความดันต่ำ เมื่อมีการใช้ความดันแตกต่าง ไดอะแฟรมจะโก่งตัว ทำให้ค่าความจุเปลี่ยนแปลงไป ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง (โดยทั่วไป 32 kHz) จะแปลงการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุเหล่านี้ให้เป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะถูกขยายและแปลงเป็นกระแสตรงเพื่อสร้าง สัญญาณกระแสตรง 4-20 mA ที่เป็นสัดส่วนกับความดันแตกต่าง ΔP ที่ใช้

เมื่อใช้ตัวส่งสัญญาณสำหรับ การวัดอัตราการไหล เช่น ร่วมกับ แผ่นรูรับแสง ท่อเวนทูรี หรือหัวฉีด สัญญาณจะถูกส่งผ่าน ตัวสกัดรากที่สอง เพื่อให้ได้ความสัมพันธ์เชิงเส้นกับอัตราการไหล อุปกรณ์นี้ทำงานบน ระบบสองสาย 24 โวลต์ DC รองรับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 12–45 โวลต์ DC และ ความต้านทานโหลดสูงสุด 600 โอห์ม

เซ็นเซอร์วัดความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟสองห้อง แสดงอยู่ใน รูปที่ 2

รูปที่ 2: โครงสร้างสองห้องของเซ็นเซอร์วัดความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ

1, 4—แผ่นไดอะแฟรมแยกส่วนลายคลื่น; 2, 3—ฐานสแตนเลส; 5—ชั้นกระจก; 6—ฟิล์มโลหะ; 7—แผ่นไดอะแฟรมวัด

ในโครงสร้างนี้ ฟิล์มโลหะ (6) ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดคงที่ ในขณะที่ ไดอะแฟรมวัด (7) ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดเคลื่อนที่ ทั้งสองด้านของไดอะแฟรมก่อให้เกิดห้องแยกกันสองห้องที่เต็มไปด้วย น้ำมันซิลิโคน ของเหลวที่อัดไม่ได้จะส่งผ่านความดันแตกต่าง Δp = p_H − p_L ไปยังพื้นผิวไดอะแฟรม

เมื่อ Δp = 0 ค่าความจุไฟฟ้าทั้งสองด้าน ( C) _ชม และ ซี _แอล ) เท่ากัน เมื่อ Δp ≠ 0 ไดอะแฟรมจะเบี่ยงเบนไปทางด้านความดันต่ำ ทำให้ C _แอล > ซี _ชม .
การใช้ ค่าความจุเชิงอนุพันธ์ ช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ซึ่งจะช่วยปรับปรุง ความไว ความแม่นยำ และความเป็นเส้นตรง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญใน การควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม และ การวัดความดัน

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันแตกต่างและความจุ

เมื่อ Δp ≠ 0 การเปลี่ยนแปลงของค่าความจุจะแสดงดัง รูปที่ 3

รูปที่ 3: การเปลี่ยนแปลงค่าความจุไฟฟ้าทั้งสองด้านเมื่อมีความดันแตกต่างเกิดขึ้น

สมการ:

สำหรับไดอะแฟรมที่มีแรงตึงเริ่มต้น การโก่งตัวจะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของความดัน:

ในที่นี้ K₁ คือค่าคงที่เชิงโครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับความโค้งของไดอะแฟรม ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด และแรงตึงทางกล ความสัมพันธ์นี้ทำให้มั่นใจได้ว่า กระแสเอาต์พุต จะแปรผันตรงกับ ความดันแตกต่าง ที่ใช้ ทำให้ได้ความแม่นยำในการวัดที่ยอดเยี่ยม

วงจรออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง

เซ็นเซอร์วัดความดันแบบคาปาซิทีฟ จะแปลงความแตกต่างของความดันเป็นการเปลี่ยนแปลงของค่าคาปาซิแตนซ์ตามสัดส่วน การวัดค่าคาปาซิแตนซ์นี้จำเป็นต้อง ใช้สัญญาณกระตุ้นกระแสสลับความถี่สูง โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 32 kHz

รูปที่ 4: วงจรออสซิลเลเตอร์ รูปที่ 5: แหล่งจ่ายไฟออสซิลเลเตอร์

วงจรออสซิลเลเตอร์ (รูปที่ 4)

วงจรประกอบด้วยขดลวด (ขั้วต่อ 6, 8 และ 5, 7) และตัวเก็บประจุ C₂₀ ที่สร้างเป็นวงจรเรโซแนนซ์เชื่อมต่อกับทรานซิสเตอร์ VT₁ ตัวต้านทานไบแอส R₂₉ กำหนดจุดการทำงานแบบคงที่ ความถี่ถูกกำหนดโดยค่าความเหนี่ยวนำ L และค่าความจุ C

แหล่งจ่ายไฟออสซิลเลเตอร์ (รูปที่ 5)

เนื่องจากการวัดค่าความจุอาศัยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าของออสซิลเลเตอร์ต้องคงที่ วงจรควบคุมป้อนกลับเชิงลบจะ ช่วยรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าโดยอัตโนมัติ พร้อมทั้งรับประกันว่าแอมพลิจูดเริ่มต้นมีค่าเพียงพอ

การสร้างและการรักษาเสถียรภาพกระแสไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟ

ดังแสดงใน รูปที่ 6 วงจรสร้างกระแสแบบคาปาซิทีฟ และเครือข่ายสร้างแรงดันจะรักษาการกระตุ้นให้คงที่

รูปที่ 6: วงจรสร้างกระแสคาปาซิทีฟและแรงดันไฟฟ้า U ₂ วงจรการก่อตัว

เมื่อ Δp ≠ 0 ค่า C_H จะลดลง และค่า C_L จะเพิ่มขึ้น โดยกระแสรวมที่ไหลผ่านทั้งสองส่วนจะแสดงได้ดังนี้:

ระบบตอบรับอัตโนมัติช่วยให้มั่นใจได้ว่าฉัน _แอล + ฉัน _ชม = K₂ (ค่าคงที่) ซึ่งช่วยรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าและความไวที่สม่ำเสมอ

ลักษณะเอาต์พุตและการทำให้สัญญาณเป็นเชิงเส้น

ในวงจรสร้างกระแสแบบคาปาซิทีฟ:

แทนที่ความสัมพันธ์เดิม:

กระแสไฟฟ้าขาออกรวม:

ดังนั้น สัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA ของ ตัวส่งสัญญาณแรงดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ จึง แปรผันตรง กับแรงดันแตกต่างที่ป้อนเข้าไป
อุปกรณ์นี้ยังมี การปรับค่า ศูนย์ การสอบเทียบช่วง และ การป้องกันการกลับขั้ว เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรและปลอดภัยในระบบ วัดความดันในอุตสาหกรรม

ตัวอย่าง: เครื่องส่งสัญญาณแรงดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ รุ่น SH

 

ซีรี่ส์ SH เครื่องส่งสัญญาณแรงดัน เครื่องส่งสัญญาณแรงดันแบบสองสาย 4-20 mA ที่ผลิตโดย silverinstrumens.com นั้นใช้กันอย่างแพร่หลาย ออกแบบมาสำหรับ สภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยจากประกายไฟและป้องกันการระเบิด

ข้อมูลจำเพาะหลัก

1. ความแม่นยำ: 0.2% FS
2. ความเป็นเส้นตรง: ±0.1% ของช่วงที่สอบเทียบแล้ว
3. ฮิสเทอรีซิส: ≤ ±0.05 % ของช่วง
4. ความเสถียร: ±0.2 % FS ภายใน 6 เดือน
5. ช่วงอุณหภูมิ:
   • ช่วงอุณหภูมิที่ใช้ในการวัด: −40 °C ถึง +104 °C
   • วงจรขยายสัญญาณ: −29 °C ถึง +93 °C
6. แรงดันไฟฟ้าที่จ่าย: 12–55 โวลต์ DC
   • ความต้านทานโหลด: สูงสุด 1500 โอห์ม (ดูรูปที่ 6-19)

รูปที่ 7: ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟและความต้านทานของโหลด

เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าผันผวน ±1 V กระแสขาออกจะเปลี่ยนแปลงต่ำกว่า 0.005% ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึง เสถียรภาพของสัญญาณและความแม่นยำสูง

การออกแบบวงจรของรุ่น SH ซีรีส์

วงจรโดยรวมของ เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่าง SHGP/SHDP แสดงอยู่ใน รูปที่ 8

รูปที่ 8: การออกแบบวงจรของตัวส่งสัญญาณแรงดันแบบคาปาซิทีฟ/DP รุ่น SH

ส่วนประกอบและฟังก์ชันหลัก:

• R₃₂ : การปรับช่วง
• R₃₅ : การปรับศูนย์
• R₁₂ : การควบคุมการหน่วง
• R₄₁ : การปรับช่วงแบบหยาบ
• R₂₄ : การสอบเทียบความเป็นเส้นตรง
• VD₁₄ : ระบบป้องกันการกลับขั้วไฟฟ้า
• VT₂ : การจำกัดกระแส
• EZ, R₂₁ : การย้ายถิ่นฐานเป็นศูนย์ติดลบ
• SZ, R₂₀ : การย้ายศูนย์ที่เป็นบวก
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : วงจรชดเชยอุณหภูมิ

องค์ประกอบเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่แม่นยำและเสถียรในสภาวะอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ทำให้ เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟรุ่น SHGP/SHDP เป็นหนึ่งในเครื่องส่งสัญญาณที่มีความน่าเชื่อถือ ที่สุดสำหรับ การควบคุมกระบวนการและเครื่องมือวัด ทั่วโลก