Понимание емкостных датчиков дифференциального давления в промышленной автоматизации

Емкостные датчики дифференциального давления являются важнейшими устройствами в современных промышленных приборах и системах автоматизации технологических процессов . Они используют передовую технологию емкостного измерения для измерения дифференциального, избыточного и абсолютного давления с высокой точностью и долговременной стабильностью. В отличие от традиционных механических датчиков давления, эти датчики не имеют подвижных механических передающих механизмов , что делает их компактными, прочными и высокоустойчивыми к вибрации. Независимые регулировки нуля и диапазона обеспечивают точность без взаимного влияния, что способствует их широкому применению в различных отраслях промышленности.

Во многих городах Китая были внедрены производственные линии американской компании Rosemount , выпускающей различные модели для измерения дифференциального , избыточного и абсолютного давления . Некоторые приборы также оснащены функцией извлечения квадратного корня для измерения расхода , а также версии, предназначенные для измерения высокого статического и микроперепадов давления .

Принцип работы и конструкция емкостных датчиков дифференциального давления

Емкостный датчик дифференциального давления обычно состоит из двух основных блоков: измерительной секции и секции преобразования/усиления , как показано на рисунке 1 .

Рисунок 1: Принципиальная схема емкостного датчика дифференциального давления

1—Генератор 2—Емкостный датчик 3—Демодулятор 4—Регулировка диапазона 5—Ограничитель тока
6—Усилитель мощности 7—Операционный усилитель 8—Регулировка нуля и миграция нуля
9—Усилитель управления колебаниями 10—Источник опорного напряжения 11—Регулятор напряжения 12—Защита от переполюсовки

Емкостный датчик преобразует измеренную разность давлений (ΔP) в изменение емкости. Высокочастотный генератор возбуждает дифференциальные конденсаторы C _H и C _L с высоким и низким потенциалом. Результирующие изменения тока демодулируются для получения дифференциальных сигналов ( i _L − i _H ) и синфазных сигналов ( i _L + i _H ).
Дифференциальный сигнал сравнивается с сигналом обратной связи ( I _f ), затем усиливается и преобразуется в выходной постоянный ток 4–20 мА . Этот выходной ток протекает через сопротивление нагрузки и цепь обратной связи, поддерживая линейную зависимость между дифференциальным сигналом и выходным током.

Емкостный датчик состоит из неподвижной электродной пластины и подвижной измерительной диафрагмы, образующих два конденсатора ( C _H и C _L ), подключенных к камерам высокого и низкого давления. При приложении перепада давления диафрагма отклоняется, изменяя емкости. Высокочастотный генератор (обычно 32 кГц) преобразует эти изменения емкости в колебания тока, которые усиливаются и выпрямляются для генерации постоянного сигнала 4–20 мА, пропорционального приложенному перепаду давления ΔP.

При использовании преобразователя для измерения расхода , например, с помощью диафрагм, трубок Вентури или сопел , сигнал пропускается через экстрактор квадратного корня для получения линейной зависимости от расхода. Устройство работает от двухпроводной системы 24 В постоянного тока , поддерживая напряжение питания от 12 до 45 В постоянного тока и сопротивление нагрузки до 600 Ом .

Двухкамерный емкостный датчик дифференциального давления показан на рисунке 2 .

Рисунок 2: Двухкамерная структура емкостного датчика дифференциального давления

1, 4 — Волнообразная изоляционная диафрагма; 2, 3 — Основание из нержавеющей стали; 5 — Стеклянный слой; 6 — Металлическая пленка; 7 — Измерительная диафрагма

В этой конструкции металлические плёнки (6) выполняют функцию неподвижных электродов, а измерительная диафрагма (7) – подвижного электрода. Обе стороны диафрагмы образуют две отдельные камеры, заполненные силиконовым маслом . Несжимаемая жидкость передаёт дифференциальное давление Δp = p_H − p_L к поверхностям диафрагмы.

При Δp = 0 ёмкости на обеих сторонах ( C _H и C _L ) равны. При Δp ≠ 0 диафрагма прогибается в сторону низкого давления, и C _L > C _H .
Использование дифференциальной емкости снижает ошибки, вызванные температурными изменениями диэлектрической проницаемости, тем самым повышая чувствительность, точность и линейность — важные факторы в управлении промышленными процессами и измерении давления .

Соотношение между дифференциальным давлением и емкостью

Когда Δp ≠ 0, изменение емкости показано на рисунке 3 .

Рисунок 3: Изменение емкости с обеих сторон при наличии перепада давления

Уравнения:

Для диафрагмы с начальным натяжением прогиб пропорционален перепаду давления:

Здесь K₁ — структурная константа , зависящая от кривизны диафрагмы, расстояния между электродами и механического натяжения. Это соотношение гарантирует прямую пропорциональность выходного тока приложенному дифференциальному давлению , что обеспечивает превосходную точность измерений.

Схема высокочастотного генератора

Емкостный датчик давления преобразует дифференциальное давление в пропорциональное изменение емкости. Для измерения этой емкости требуется высокочастотное возбуждение переменного тока , обычно около 32 кГц .

Рисунок 4: Схема генератора Рисунок 5: Источник питания генератора

Схема генератора (рисунок 4)

Схема состоит из обмоток (выводы 6, 8 и 5, 7) и конденсатора C₂₀, образующих резонансный контур, подключенный к транзистору VT₁. Резистор смещения R₂₉ определяет статическую рабочую точку. Частота определяется индуктивностью L и емкостью C.

Источник питания генератора (рисунок 5)

Поскольку измерение ёмкости основано на переменном напряжении, напряжение генератора должно оставаться стабильным . Контур управления с отрицательной обратной связью автоматически стабилизирует напряжение, обеспечивая достаточную начальную амплитуду.

Генерация и стабилизация емкостного тока

Как показано на рисунке 6 , емкостная схема генерации тока и сеть формирования напряжения поддерживают постоянное возбуждение.

Рисунок 6: Цепь генерации емкостного тока и цепь формирования напряжения U₂

Когда Δp ≠ 0, C_H уменьшается, а C_L увеличивается, и общий ток через оба выражается как:

Автоматическая обратная связь гарантирует, что I _L + I _H = K₂ (константа), поддерживая стабильность напряжения и постоянную чувствительность.

Выходные характеристики и линеаризация сигнала

В цепи генерации емкостного тока:

Замена более ранних соотношений:

Общий выходной ток:

Таким образом, выходной сигнал 4–20 мА емкостного датчика дифференциального давления прямо пропорционален приложенному дифференциальному давлению.
Устройство также обеспечивает регулировку нуля , калибровку диапазона и защиту от обратной полярности , гарантируя стабильную и безопасную работу в промышленных системах измерения давления .

Пример: емкостный датчик дифференциального давления серии SH

Датчики давления серии SH, производимые silverinstrumens.com, представляют собой широко используемые двухпроводные датчики давления 4–20 мА , предназначенные для искробезопасных и взрывозащищенных сред .

Основные характеристики

1. Точность: 0,2 % полной шкалы
2. Линейность: ±0,1 % от калиброванного диапазона
3. Гистерезис: ≤ ±0,05 % от диапазона
4. Стабильность: ±0,2 % полной шкалы в течение 6 месяцев
5. Диапазон температур:
• Измерительный элемент: −40 °C ~ +104 °C
• Схема усилителя: −29 °C ~ +93 °C
6. Напряжение питания: 12–55 В постоянного тока
• Сопротивление нагрузки: до 1500 Ом (см. рисунок 6-19)

Рисунок 7: Соотношение между напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки

При колебаниях напряжения питания на ±1 В изменение выходного тока остается ниже 0,005 %, что обеспечивает стабильность сигнала и высокую точность .

Схемотехническая схема модели серии SH

Общая схема датчика дифференциального давления SHGP/SHDP показана на рисунке 8.

Рисунок 8: Схема емкостного датчика давления серии SH/DP

Основные компоненты и функции:

• R ₃₂ : регулировка диапазона
• R ₃₅ : нулевая регулировка
• R ₁₂ : управление демпфированием
• R ₄₁ : грубая регулировка диапазона
• R ₂₄ : калибровка линейности
• VD ₁₄ : защита от неправильной полярности питания
• VT ₂ : ограничение тока
• EZ, R ₂₁ : отрицательная нулевая миграция
• SZ, R ₂₀ : положительная нулевая миграция
• R ₂₆ –R ₂₈ , R ₁ –R ₄ : сеть температурной компенсации

Эти элементы обеспечивают точную и стабильную работу в различных промышленных условиях, что делает серию SHGP/SHDP одними из самых надежных емкостных датчиков дифференциального давления для управления технологическими процессами и контрольно-измерительными приборами во всем мире.