Понимание емкостных датчиков дифференциального давления в промышленной автоматизации

Емкостные датчики дифференциального давления являются важными устройствами в современной промышленной контрольно-измерительной аппаратуре и автоматизации технологических процессов . Они используют передовую емкостную технологию измерения для высокоточной и долговременной оценки дифференциального, избыточного и абсолютного давления. В отличие от традиционных механических датчиков давления, эти датчики не имеют подвижных механических передаточных механизмов , что делает их компактными, долговечными и высокоустойчивыми к вибрации. Независимая регулировка нуля и диапазона обеспечивает точность без взаимных помех, что способствует их широкому применению в различных отраслях промышленности.

В Китае во многих городах внедрены производственные линии американской компании Rosemount , выпускающие различные модели автомобилей. дифференциал давления Измерение избыточного давления и абсолютного давления . Некоторые модели также включают функцию извлечения квадратного корня для измерения расхода , а также версии, предназначенные для работы при высоком статическом давлении и микродифференциале давления .

Ознакомьтесь с полным спектром Типы датчиков давления >>

Принцип работы и конструкция емкостных датчиков дифференциального давления

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

Рисунок 1: Схема цепи емкостного датчика дифференциального давления

1 — Генератор 2 — Емкостной 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 — Стабилизатор напряжения 12 — Защита от обратной полярности

Емкостной датчик преобразует измеренное перепад давления (ΔP) в изменение емкости. Высоко- и низковольтные дифференциальные конденсаторы, C _ЧАС и С _Л возбуждаются высокочастотным генератором . Полученные изменения тока демодулируются для получения дифференциальных сигналов ( i) . _Л − i _ЧАС ) и синфазные сигналы ( i _Л + i _ЧАС ).
Дифференциальный сигнал сравнивается с сигналом обратной связи ( I). _ф Затем сигнал усиливается и преобразуется в выходной ток постоянного тока 4-20 мА . Этот выходной ток протекает через сопротивление нагрузки и цепь обратной связи, поддерживая линейную зависимость между дифференциальным сигналом и выходным током.

Емкостной датчик состоит из неподвижной электродной пластины и подвижной измерительной диафрагмы, образующих два конденсатора ( C). _ЧАС и С _Л ) соединены с камерами высокого и низкого давления. При приложении перепада давления диафрагма отклоняется, изменяя емкости. Высокочастотный генератор (обычно 32 кГц) преобразует эти изменения емкости в изменения тока, которые усиливаются и выпрямляются для генерации постоянного тока 4-20 мА, пропорционального приложенному перепаду давления ΔP.

При использовании датчика для измерения расхода — например, с диафрагмами, трубками Вентури или форсунками — сигнал проходит через экстрактор квадратного корня для получения линейной зависимости от расхода. Устройство работает от двухпроводной системы постоянного тока 24 В , поддерживая напряжение питания от 12 до 45 В постоянного тока и сопротивление нагрузки до 600 Ом .

Двухкамерный емкостной датчик дифференциального давления показан на рисунке 2 .

Рисунок 2: Двухкамерная структура емкостного датчика дифференциального давления.

1, 4 — Изоляционная диафрагма с волнообразным рисунком; 2, 3 — Основание из нержавеющей стали; 5 — Слой стекла; 6 — Металлическая пленка; 7 — Измерительная диафрагма

В этой конструкции металлические пленки (6) действуют как неподвижные электроды, а измерительная диафрагма (7) служит подвижным электродом. Обе стороны диафрагмы образуют две отдельные камеры, заполненные силиконовым маслом . Несжимаемая жидкость передает перепад давления Δp = p_H − p_L на поверхности диафрагмы.

Когда Δp = 0, емкости с обеих сторон ( C) _ЧАС и С _Л ) равны. Когда Δp ≠ 0, диафрагма отклоняется в сторону низкого давления, в результате чего C _Л > C _ЧАС .
Использование дифференциальной емкости уменьшает ошибки, вызванные колебаниями диэлектрической постоянной при изменении температуры, тем самым повышая чувствительность, точность и линейность — важные факторы в управлении промышленными процессами и измерении давления .

Взаимосвязь между перепадом давления 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 обеспечивает прямую пропорциональность выходного тока приложенному перепаду давления , что гарантирует превосходную точность измерений.

Схема высокочастотного генератора

Емкостной датчик давления преобразует перепад давления в пропорциональное изменение емкости. Для измерения этой емкости требуется высокочастотное переменное возбуждение , обычно около 32 кГц .

Рисунок 4: Схема генератора. Рисунок 5: Источник питания генератора.

Схема генератора (рис. 4)

Схема включает обмотки (клеммы 6, 8 и 5, 7) и конденсатор C₂₀, образующие резонансную петлю, подключенную к транзистору VT₁. Резистор смещения R₂₉ определяет статическую рабочую точку. Частота определяется индуктивностью L и емкостью C.

Источник питания генератора (Рисунок 5)

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

Генерация и стабилизация емкостного тока

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

Рисунок 6: Схема генерации емкостного тока и напряжения U ₂ Схема формирования

Когда Δp ≠ 0, C_H уменьшается, а C_L увеличивается, и полный ток через оба элемента выражается следующим образом:

Автоматическая обратная связь гарантирует, что я _Л + Я _ЧАС = K₂ (постоянная величина), обеспечивающая стабильность напряжения и постоянную чувствительность.

Выходные характеристики и линеаризация сигнала

В схеме генерации емкостного тока:

Замена ранее существовавших взаимосвязей:

Суммарный выходной ток:

Таким образом, выходной сигнал емкостного датчика дифференциального давления в диапазоне 4-20 мА 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: Емкостной дифференциальный датчик давления серии SH

 

Серия SH датчики давления Производимые компанией silverinstrumens.com двухпроводные датчики давления 4-20 мА широко используются и предназначены для взрывобезопасных и искробезопасных сред .

Основные характеристики

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

Рисунок 7: Зависимость напряжения питания от сопротивления нагрузки.

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

Схема цепи модели серии SH

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

Рисунок 8: Схема емкостного датчика давления/DP серии SH.

Основные компоненты и функции:

• R₃₂ : регулировка диапазона
• R₃₅ : нулевая регулировка
• R₁₂ : управление демпфированием
• R₄₁ : грубая регулировка диапазона
• R₂₄ : калибровка линейности
• VD₁₄ : защита от неправильной полярности питания
• VT₂ : ограничение тока
• EZ, R₂₁ : отрицательная нулевая миграция
• SZ, R₂₀ : положительная нулевая миграция
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : сеть температурной компенсации

Эти элементы обеспечивают точную и стабильную работу в различных промышленных условиях, что делает серию SHGP/SHDP одним из самых надежных емкостных датчиков перепада давления для управления технологическими процессами и контрольно-измерительной аппаратуры в мире.