Hiểu về bộ truyền áp suất vi sai điện dung trong tự động hóa công nghiệp

Cảm biến áp suất vi sai điện dung là thiết bị thiết yếu trong thiết bị đo lường công nghiệp hiện đại và tự động hóa quy trình . Chúng sử dụng công nghệ cảm biến điện dung tiên tiến để đo áp suất vi sai, áp suất tương đối và áp suất tuyệt đối với độ chính xác cao và độ ổn định lâu dài. Không giống như các cảm biến áp suất cơ học truyền thống, các cảm biến này không có cơ cấu truyền động cơ học chuyển động , giúp chúng nhỏ gọn, bền bỉ và có khả năng chống rung cao. Việc điều chỉnh điểm 0 và dải đo độc lập đảm bảo độ chính xác mà không gây nhiễu lẫn nhau, góp phần vào việc sử dụng rộng rãi chúng trong nhiều ngành công nghiệp.

Tại Trung Quốc, nhiều thành phố đã đưa vào sử dụng các dây chuyền sản xuất của công ty Rosemount của Mỹ, sản xuất nhiều mẫu mã khác nhau. áp suất chênh lệch Các thiết bị này dùng để đo áp suất tương đối và áp suất tuyệt đối . Một số thiết bị cũng bao gồm chức năng tính căn bậc hai để đo lưu lượng , cùng với các phiên bản được thiết kế cho các ứng dụng áp suất tĩnh cao và áp suất chênh lệch nhỏ .

Khám phá đầy đủ các loại sản phẩm Các loại bộ truyền áp suất >>

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của bộ truyền áp suất chênh lệch điện dung

Một bộ truyền áp suất vi sai điện dung thường bao gồm hai bộ phận chính: một phần đo và một phần chuyển đổi/khuếch đại , như thể hiện trong Hình 1 .

Hình 1: Sơ đồ mạch của bộ truyền áp suất chênh lệch điện dung

1—Bộ dao động 2—Cảm biến điện dung 3—Bộ giải điều chế 4—Điều chỉnh dải tần 5—Bộ giới hạn dòng điện
6—Bộ khuếch đại công suất 7—Bộ khuếch đại thuật toán 8—Điều chỉnh điểm 0 và dịch chuyển điểm 0
9—Bộ khuếch đại điều khiển dao động 10—Nguồn điện áp tham chiếu 11—Bộ điều chỉnh điện áp 12—Bảo vệ chống đảo cực

Cảm biến điện dung chuyển đổi áp suất chênh lệch đo được (ΔP) thành sự thay đổi điện dung. Các tụ điện chênh lệch cao và thấp, C _H và C _L được kích thích bởi một bộ dao động tần số cao . Các biến thiên dòng điện thu được được giải điều chế để tạo ra các tín hiệu vi sai ( i). _L − i _H ) và tín hiệu chế độ chung ( i _L + tôi _H ).
Tín hiệu chênh lệch được so sánh với tín hiệu phản hồi ( I). _f Sau đó, tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi thành dòng điện một chiều 4-20mA . Dòng điện đầu ra này chạy qua điện trở tải và mạch phản hồi, duy trì mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu vi sai và dòng điện đầu ra.

Cảm biến điện dung bao gồm một tấm điện cực cố định và một màng đo di động, tạo thành hai tụ điện ( C). _H và C _L (được kết nối với buồng áp suất cao và buồng áp suất thấp). Khi áp suất chênh lệch được tác dụng, màng ngăn sẽ bị biến dạng, làm thay đổi điện dung. Bộ dao động tần số cao (thường là 32 kHz) chuyển đổi những thay đổi điện dung này thành các biến đổi dòng điện, được khuếch đại và chỉnh lưu để tạo ra tín hiệu DC 4-20 mA tỷ lệ thuận với áp suất chênh lệch ΔP được tác dụng.

Khi bộ phát được sử dụng để đo lưu lượng — chẳng hạn như với các tấm chắn lỗ, ống Venturi hoặc vòi phun — tín hiệu được truyền qua bộ trích căn bậc hai để thu được mối quan hệ tuyến tính với tốc độ dòng chảy. Thiết bị hoạt động trên hệ thống hai dây 24 V DC , hỗ trợ điện áp cung cấp từ 12–45 V DC và điện trở tải lên đến 600 Ω .

Cảm biến áp suất chênh lệch điện dung hai buồng được thể hiện trong Hình 2 .

Hình 2: Cấu trúc hai buồng của cảm biến áp suất vi sai điện dung.

1, 4—Màng cách ly dạng sóng; 2, 3—Đế bằng thép không gỉ; 5—Lớp kính; 6—Màng kim loại; 7—Màng đo

Trong cấu trúc này, các màng kim loại (6) đóng vai trò là điện cực cố định, trong khi màng đo (7) đóng vai trò là điện cực di động. Cả hai mặt của màng tạo thành hai buồng riêng biệt chứa đầy dầu silicon . Chất lỏng không nén được truyền áp suất chênh lệch Δp = p_H − p_L đến các bề mặt của màng.

Khi Δp = 0, điện dung ở cả hai phía ( C) bằng 0. _H và C _L ) bằng nhau. Khi Δp ≠ 0, màng ngăn lệch về phía áp suất thấp, làm cho C _L > C _H .
Việc sử dụng điện dung vi sai giúp giảm thiểu sai số do sự thay đổi nhiệt độ trong hằng số điện môi, từ đó cải thiện độ nhạy, độ chính xác và tính tuyến tính — những yếu tố quan trọng trong điều khiển quy trình công nghiệp và đo áp suất .

Mối quan hệ giữa áp suất chênh lệch và điện dung

Khi Δp ≠ 0, sự thay đổi điện dung được minh họa trong Hình 3 .

Hình 3: Sự thay đổi điện dung ở cả hai phía khi có sự chênh lệch áp suất.

Phương trình:

Đối với màng chắn có lực căng ban đầu, độ lệch tỷ lệ thuận với áp suất chênh lệch:

Ở đây, K₁ là hằng số cấu trúc phụ thuộc vào độ cong của màng ngăn, khoảng cách giữa các điện cực và lực căng cơ học. Mối quan hệ này đảm bảo dòng điện đầu ra tỷ lệ thuận với áp suất chênh lệch được áp dụng, mang lại độ chính xác đo tuyệt vời.

Mạch dao động tần số cao

Cảm biến áp suất điện dung chuyển đổi áp suất chênh lệch thành sự thay đổi điện dung tỷ lệ thuận. Việc đo điện dung này đòi hỏi kích thích AC tần số cao , thường khoảng 32 kHz .

Hình 4: Mạch dao động Hình 5: Nguồn cấp điện cho mạch dao động

Mạch dao động (Hình 4)

Mạch điện bao gồm các cuộn dây (đầu nối 6, 8 và 5, 7) và tụ điện C₂₀ tạo thành một vòng cộng hưởng được nối với transistor VT₁. Điện trở phân cực R₂₉ xác định điểm hoạt động tĩnh. Tần số được xác định bởi độ tự cảm L và điện dung C.

Nguồn cấp điện cho bộ dao động (Hình 5)

Vì phép đo điện dung dựa trên điện áp xoay chiều, nên điện áp dao động phải duy trì ổn định . Một vòng điều khiển phản hồi âm tự động ổn định điện áp đồng thời đảm bảo biên độ khởi động đủ lớn.

Tạo và ổn định dòng điện dung

Như thể hiện trong Hình 6 , mạch tạo dòng điện dung và mạng tạo điện áp duy trì kích thích không đổi.

Hình 6: Mạch tạo dòng điện dung và điện áp U ₂ Mạch hình thành

Khi Δp ≠ 0, C_H giảm và C_L tăng, và tổng dòng điện chạy qua cả hai được biểu thị như sau:

Phản hồi tự động đảm bảo rằng tôi _L + Tôi _H = K₂ (một hằng số), duy trì sự ổn định điện áp và độ nhạy nhất quán.

Đặc tính đầu ra và tuyến tính hóa tín hiệu

Trong mạch tạo dòng điện dung:

Thay thế các mối quan hệ trước đó:

Tổng dòng điện đầu ra:

Như vậy, tín hiệu đầu ra 4-20 mA của bộ truyền áp suất vi sai điện dung tỷ lệ thuận với áp suất vi sai được áp dụng.
Thiết bị này cũng cung cấp chức năng hiệu chỉnh điểm 0 , hiệu chuẩn phạm vi và bảo vệ chống đảo cực , đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn trong các hệ thống đo áp suất công nghiệp .

Ví dụ: Bộ truyền áp suất chênh lệch điện dung dòng SH

 

Dòng SH bộ truyền áp suất Các sản phẩm do silverinstrumens.com sản xuất là các bộ truyền áp suất hai dây 4-20 mA được sử dụng rộng rãi, được thiết kế cho môi trường an toàn nội tại và chống cháy nổ .

Thông số kỹ thuật chính

1. Độ chính xác: 0,2% FS
2. Độ tuyến tính: ±0,1% của phạm vi hiệu chuẩn
3. Hiện tượng trễ: ≤ ±0,05 % của phạm vi
4. Độ ổn định: ±0,2% FS trong vòng 6 tháng
5. Phạm vi nhiệt độ:
   • Dải nhiệt độ đo: −40 °C ~ +104 °C
   • Mạch khuếch đại: −29 °C ~ +93 °C
6. Điện áp nguồn: 12–55 V DC
   • Điện trở tải: lên đến 1500 Ω (xem Hình 6-19)

Hình 7: Mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện trở tải

Khi điện áp nguồn dao động ±1 V, sự thay đổi dòng điện đầu ra vẫn dưới 0,005%, đảm bảo tín hiệu ổn định và độ chính xác cao .

Thiết kế mạch của mô hình dòng SH

Sơ đồ mạch tổng thể của bộ truyền áp suất chênh lệch SHGP/SHDP được thể hiện trong Hình 8.

Hình 8: Thiết kế mạch của bộ truyền áp suất điện dung/DP dòng SH

Các thành phần và chức năng chính:

• R₃₂ : điều chỉnh phạm vi
• R₃₅ : điều chỉnh bằng không
• R₁₂ : điều khiển giảm chấn
• R₄₁ : điều chỉnh phạm vi thô
• R₂₄ : hiệu chuẩn tuyến tính
• VD₁₄ : bảo vệ phân cực nguồn
• VT₂ : giới hạn dòng điện
• EZ, R₂₁ : di cư âm bằng không
• SZ, R₂₀ : di cư dương bằng không
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : mạng bù nhiệt độ

Những yếu tố này đảm bảo hiệu suất chính xác và ổn định trong các điều kiện công nghiệp khác nhau, biến dòng sản phẩm SHGP/SHDP trở thành một trong những bộ truyền áp suất vi sai điện dung đáng tin cậy nhất cho điều khiển quy trình và đo lường trên toàn thế giới.