ทำความเข้าใจเครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบคาปาซิทีฟในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ เป็นอุปกรณ์สำคัญใน ระบบเครื่องมือวัดอุตสาหกรรม และ กระบวนการอัตโนมัติ สมัยใหม่ เครื่องส่งสัญญาณเหล่านี้ใช้เทคโนโลยีการตรวจจับแบบคาปาซิทีฟขั้นสูงเพื่อวัดความดันแตกต่าง ความดันเกจ และความดันสัมบูรณ์ด้วยความแม่นยำสูงและเสถียรภาพในระยะยาว แตกต่างจากเซ็นเซอร์ความดันเชิงกลแบบดั้งเดิม เครื่องส่งสัญญาณเหล่านี้ ไม่มีกลไกการส่งสัญญาณเชิงกลแบบเคลื่อนที่ ทำให้มีขนาดกะทัดรัด ทนทาน และทนต่อการสั่นสะเทือนสูง การปรับค่าศูนย์และช่วงสแปน แบบอิสระช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำโดยไม่มีการรบกวนซึ่งกันและกัน ส่งผลให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ

ในประเทศจีน หลายเมืองได้นำสายการผลิตของบริษัท Rosemount จากสหรัฐอเมริกามาใช้ ซึ่งผลิตแบบจำลองต่างๆ สำหรับการวัด ความดันต่าง ความดันเกจ และ ความดันสัมบูรณ์ บางหน่วยยังรวม การสกัดรากที่สอง สำหรับ การวัดการไหล รวมถึงรุ่นที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานกับ ความดันสถิตสูง และ ความดันต่างระดับจุลภาค

หลักการทำงานและการสร้างเครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟ

เครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบคาปาซิทีฟโดยทั่วไปประกอบด้วยหน่วยหลักสองหน่วย ได้แก่ ส่วนการวัด และ ส่วนการแปลง/ขยายสัญญาณ ดังที่แสดงใน รูปที่ 1

รูปที่ 1: แผนผังวงจรเครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบความจุ

1—ออสซิลเลเตอร์ 2—เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ 3—ดีโมดูเลเตอร์ 4—การปรับช่วง 5—ตัวจำกัดกระแส
6—เครื่องขยายสัญญาณกำลัง 7—เครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการ 8—การปรับค่าศูนย์และการโยกย้ายค่าศูนย์
9—เครื่องขยายสัญญาณควบคุมการแกว่ง 10—แหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง 11—ตัวควบคุมแรงดัน 12—การป้องกันการกลับขั้ว

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ จะแปลงค่าความดันแตกต่าง (ΔP) ที่วัดได้ให้เป็นค่าความจุที่เปลี่ยนแปลง ตัวเก็บประจุดิฟเฟอเรนเชียลสูงและต่ำ ได้แก่ C _H และ C _L จะถูกกระตุ้นโดย ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง การเปลี่ยนแปลงของกระแสที่เกิดขึ้นจะถูกดีมอดูเลตเพื่อสร้างสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล ( i _L − i _H ) และสัญญาณโหมดทั่วไป ( i _L + i _H )
สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจะถูกเปรียบเทียบกับสัญญาณป้อนกลับ ( I _f ) จากนั้นจะถูกขยายและแปลงเป็น เอาต์พุต DC 4-20mA กระแสเอาต์พุตนี้จะไหลผ่าน ความต้านทานโหลด และเครือข่ายป้อนกลับ โดยรักษา ความสัมพันธ์เชิงเส้น ระหว่างสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลและกระแสเอาต์พุต

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ ประกอบด้วยแผ่นอิเล็กโทรดแบบคงที่และไดอะแฟรมวัดแบบเคลื่อนที่ได้ ซึ่งประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัว ( C _H และ C _L ) ที่เชื่อมต่อกับห้องแรงดันสูงและแรงดันต่ำ เมื่อใช้แรงดันต่าง ไดอะแฟรมจะเบี่ยงเบน ทำให้ค่าความจุเปลี่ยนแปลงไป ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง (โดยทั่วไปคือ 32 kHz) จะแปลงการเปลี่ยนแปลงค่าความจุเหล่านี้เป็นค่าความแปรผันของกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะถูกขยายและแก้ไขเพื่อสร้าง สัญญาณไฟฟ้ากระแสตรงขนาด 4-20 มิลลิแอมป์ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับแรงดันต่าง ΔP ที่ใช้

เมื่อใช้เครื่องส่งสัญญาณสำหรับ การวัดอัตราการไหล เช่น กับ แผ่นออริฟิส ท่อเวนทูรี หรือหัวฉีด สัญญาณจะถูกส่งผ่าน ตัวแยกรากที่สอง เพื่อหาความสัมพันธ์เชิงเส้นกับอัตราการไหล อุปกรณ์ทำงานบน ระบบไฟฟ้ากระแสตรง 24 โวลต์ แบบสองสาย รองรับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 12–45 โวลต์ กระแสตรง และ ความต้านทานโหลดสูงสุด 600 โอห์ม

เซ็นเซอร์วัดความดันต่างแบบคาปาซิทีฟสองห้อง แสดงอยู่ใน รูปที่ 2

รูปที่ 2: โครงสร้างสองห้องของเซ็นเซอร์ความดันต่างแบบคาปาซิทีฟ

1, 4—ไดอะแฟรมแยกรูปแบบคลื่น; 2, 3—ฐานสแตนเลส; 5—ชั้นกระจก; 6—ฟิล์มโลหะ; 7—ไดอะแฟรมวัด

ในโครงสร้างนี้ ฟิล์มโลหะ (6) ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดคงที่ ในขณะที่ ไดอะแฟรมวัด (7) ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดเคลื่อนที่ ทั้งสองด้านของไดอะแฟรมประกอบกันเป็นสองห้องแยกกันซึ่งบรรจุด้วย น้ำมันซิลิโคน ของไหลที่ไม่สามารถบีบอัดได้จะส่งผ่านความดันต่าง ๆ Δp = p_H − p_L ไปยังพื้นผิวไดอะแฟรม

เมื่อ Δp = 0 ความจุทั้งสองด้าน ( C _H และ C _L ) จะเท่ากัน เมื่อ Δp ≠ 0 ไดอะแฟรมจะเบี่ยงไปทางด้านความดันต่ำ ทำให้ C _L > C _H
การใช้ ความจุเชิงอนุพันธ์ ช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในค่าคงที่ไดอิเล็กตริก จึงปรับปรุง ความไว ความแม่นยำ และความเป็นเส้นตรง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญใน การควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรม และ การวัดแรงดัน

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันแตกต่างและความจุ

เมื่อ Δp ≠ 0 การเปลี่ยนแปลงของความจุจะแสดงอยู่ใน รูปที่ 3

รูปที่ 3: การเปลี่ยนแปลงความจุทั้งสองด้านเมื่อมีความดันต่างกัน

สมการ:

สำหรับไดอะแฟรมที่มีแรงตึงเริ่มต้น การโก่งตัวจะแปรผันตามแรงดันที่แตกต่างกัน:

ในที่นี้ K ₁ คือค่าคงที่โครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับความโค้งของไดอะแฟรม ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด และแรงตึงเชิงกล ความสัมพันธ์นี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่า กระแสเอาต์พุต จะแปรผันตรงกับ ความดันต่างที่ ใช้ ซึ่งทำให้มีความแม่นยำในการวัดที่ยอดเยี่ยม

วงจรออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง

เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบคาปาซิทีฟ จะแปลงแรงดันต่างให้เป็นการเปลี่ยนแปลงความจุตามสัดส่วน การวัดความจุนี้ต้องใช้ การกระตุ้นด้วยไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 32 kHz

รูปที่ 4: วงจรออสซิลเลเตอร์ รูปที่ 5: แหล่งจ่ายไฟออสซิลเลเตอร์

วงจรออสซิลเลเตอร์ (รูปที่ 4)

วงจรนี้ประกอบด้วยขดลวด (ขั้ว 6, 8 และ 5, 7) และตัวเก็บประจุ C₂₀ ซึ่งประกอบกันเป็นลูปเรโซแนนซ์ที่เชื่อมต่อกับทรานซิสเตอร์ VT₁ ตัวต้านทานไบแอส R₂₉ กำหนดจุดทำงานสถิต ความถี่ถูกกำหนดโดยค่าเหนี่ยวนำ L และค่าความจุ C

แหล่งจ่ายไฟออสซิลเลเตอร์ (รูปที่ 5)

เนื่องจากการวัดค่าความจุอาศัยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แรงดันไฟฟ้าของออสซิลเลเตอร์จึงต้องคงที่ วงจรควบคุมป้อนกลับเชิงลบ จะรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่โดยอัตโนมัติ พร้อมทั้งรับประกันแอมพลิจูดเริ่มต้นที่เพียงพอ

การสร้างและรักษาเสถียรภาพของกระแสไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟ

ตามที่แสดงใน รูปที่ 6 วงจรสร้างกระแสแบบความจุ และเครือข่ายการสร้างแรงดันไฟฟ้าจะรักษาการกระตุ้นที่คงที่

รูปที่ 6: วงจรสร้างกระแสแบบความจุและ วงจรสร้าง แรงดันไฟฟ้า U ₂

เมื่อ Δp ≠ 0, C_H จะลดลงและ C_L จะเพิ่มขึ้น และกระแสรวมผ่านทั้งสองจะแสดงเป็น:

การตอบรับอัตโนมัติช่วยให้มั่นใจว่า I _L + I _H = K₂ (ค่าคงที่) รักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าและความไวที่สม่ำเสมอ

ลักษณะเอาต์พุตและการสร้างเส้นตรงของสัญญาณ

ในวงจรสร้างกระแสไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟ:

การแทนที่ความสัมพันธ์ก่อนหน้านี้:

กระแสไฟขาออกรวม:

ดังนั้น สัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA ของ เครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบคาปาซิทีฟ จึง แปรผันตรง กับความดันต่างที่ใช้
อุปกรณ์นี้ยังให้ การปรับค่าเป็น ศูนย์ การสอบเทียบช่วง และ การป้องกันขั้วกลับ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เสถียรและปลอดภัยในระบบ การวัดแรงดันในอุตสาหกรรม

ตัวอย่าง: เครื่องส่งสัญญาณความดันแตกต่างแบบคาปาซิทีฟซีรีส์ SH

เครื่องส่งสัญญาณแรงดัน ซีรีส์ SH ที่ผลิตโดย silverinstrumens.com เป็น เครื่องส่งสัญญาณแรงดันแบบสองสาย 4-20 mA ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ออกแบบมาเพื่อ สภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยและป้องกันการระเบิด

ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญ

1. ความแม่นยำ: 0.2% FS
2. ความเป็นเส้นตรง: ±0.1% ของช่วงที่ปรับเทียบแล้ว
3. ฮิสเทอรีซิส: ≤ ±0.05% ของช่วง
4. ความเสถียร: ±0.2% FS ภายใน 6 เดือน
5. ช่วงอุณหภูมิ:
• องค์ประกอบการวัด: −40 °C ~ +104 °C
• วงจรขยายเสียง: −29 °C ~ +93 °C
6. แรงดันไฟฟ้า: 12–55 V DC
• ความต้านทานโหลด: สูงสุด 1500 Ω (ดูรูป 6-19)

รูปที่ 7: ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟและความต้านทานโหลด

เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายผันผวน ±1 V การเปลี่ยนแปลงของกระแสเอาต์พุตจะยังคงต่ำกว่า 0.005% ช่วยให้ สัญญาณมีเสถียรภาพและมีความแม่นยำสูง

การออกแบบวงจรของรุ่น SH ซีรีส์

วงจรโดยรวมของ เครื่องส่งสัญญาณความดันต่าง SHGP/SHDP แสดงใน รูปที่ 8

รูปที่ 8: การออกแบบวงจรของเครื่องส่งสัญญาณความดันแบบ Capacitive Pressure Transmitter/DP รุ่น SH ซีรีส์

ส่วนประกอบและฟังก์ชั่นหลัก:

• R ₃₂ : การปรับช่วง
• R ₃₅ : การปรับเป็นศูนย์
• R ₁₂ : การควบคุมการหน่วง
• R ₄₁ : การปรับช่วงหยาบ
• R ₂₄ : การสอบเทียบความเป็นเส้นตรง
• VD ₁₄ : การป้องกันขั้วไฟฟ้า
• VT ₂ : การจำกัดกระแสไฟฟ้า
• EZ, R ₂₁ : การโยกย้ายศูนย์เชิงลบ
• SZ, R ₂₀ : การโยกย้ายศูนย์เชิงบวก
• R ₂₆ –R ₂₈ , R ₁ –R ₄ : เครือข่ายชดเชยอุณหภูมิ

องค์ประกอบเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่แม่นยำและเสถียรในสภาวะอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ทำให้ซีรีส์ SHGP/SHDP เป็นหนึ่งใน เครื่องส่งสัญญาณความดันต่างแบบคาปาซิทีฟที่เชื่อถือได้ มากที่สุดสำหรับ การควบคุมกระบวนการและเครื่องมือวัด ทั่วโลก