Endüstriyel Otomasyonda Kapasitif Diferansiyel Basınç Vericilerini Anlama

Kapasitif diferansiyel basınç vericileri, modern endüstriyel enstrümantasyon ve proses otomasyonunda olmazsa olmaz cihazlardır. Diferansiyel, gösterge ve mutlak basıncı yüksek hassasiyet ve uzun vadeli kararlılıkla ölçmek için gelişmiş kapasitif algılama teknolojisini kullanırlar. Geleneksel mekanik basınç sensörlerinin aksine, bu vericilerin hareketli mekanik iletim mekanizmaları yoktur , bu da onları kompakt, dayanıklı ve titreşime karşı oldukça dirençli kılar. Bağımsız sıfır ve açıklık ayarları, karşılıklı etkileşim olmadan doğruluk sağlayarak endüstri genelinde yaygın kullanımlarına katkıda bulunur.

Çin'de birçok şehir, Amerikan Rosemount şirketinin üretim hatlarını devreye sokarak, diferansiyel basınç , gösterge basıncı ve mutlak basınç ölçümü için çeşitli modeller üretmektedir. Bazı üniteler , yüksek statik basınç ve mikro diferansiyel basınç uygulamaları için tasarlanmış versiyonların yanı sıra, akış ölçümü için karekök çıkarma özelliğine de sahiptir.

Kapasitif Diferansiyel Basınç Vericilerinin Çalışma Prensibi ve Yapısı

Kapasitif diferansiyel basınç vericisi tipik olarak iki ana üniteden oluşur: Şekil 1'de gösterildiği gibi bir ölçüm bölümü ve bir dönüştürme/amplifikasyon bölümü .

Şekil 1: Kapasitif Diferansiyel Basınç Vericisi Devre Şeması

1—Osilatör 2—Kapasitif sensör 3—Demodülatör 4—Aralık ayarı 5—Akım sınırlayıcı
6—Güç amplifikatörü 7—İşlemsel amplifikatör 8—Sıfır ayarı ve sıfır geçişi
9—Salınım kontrol amplifikatörü 10—Referans voltaj kaynağı 11—Voltaj regülatörü 12—Polarite ters çevirme koruması

Kapasitif sensör, ölçülen diferansiyel basıncı (ΔP) kapasitans değişimine dönüştürür. Yüksek ve düşük diferansiyel kapasitörler, C _H ve _CL , yüksek frekanslı bir osilatör tarafından uyarılır. Ortaya çıkan akım değişimleri, diferansiyel sinyaller ( i _L − i _H ) ve ortak mod sinyalleri ( i _L + i _H ) üretmek için demodüle edilir.
Diferansiyel sinyal, geri besleme sinyaliyle ( _IF ) karşılaştırılır, ardından yükseltilir ve DC 4-20mA çıkışa dönüştürülür. Bu çıkış akımı, yük direnci ve geri besleme ağından akarak diferansiyel sinyal ile çıkış akımı arasında doğrusal bir ilişki sağlar.

Kapasitif sensör, sabit bir elektrot plakası ve hareketli bir ölçüm diyaframından oluşur ve yüksek basınç ve düşük basınç odalarına bağlı iki kapasitör ( C _H ve C _L ) oluşturur. Diferansiyel basınç uygulandığında diyafram saparak kapasitansları değiştirir. Yüksek frekanslı osilatör (genellikle 32 kHz), bu kapasitans değişimlerini akım değişimlerine dönüştürür ve bunlar yükseltilip doğrultularak uygulanan diferansiyel basınç ΔP ile orantılı 4-20 mA DC sinyal üretir.

Verici, akış ölçümü için kullanıldığında (örneğin , orifis plakaları, venturi tüpleri veya nozullar gibi), akış hızıyla doğrusal bir ilişki elde etmek için sinyal bir karekök çıkarıcıdan geçirilir. Cihaz, 12-45 V DC besleme voltajlarını ve 600 Ω'a kadar yük dirençlerini destekleyen 24 V DC iki telli bir sistemde çalışır.

İki odacıklı kapasitif diferansiyel basınç sensörü Şekil 2'de gösterilmiştir.

Şekil 2: Kapasitif diferansiyel basınç sensörünün iki odacıklı yapısı

1, 4—Dalga desenli izolasyon diyaframı; 2, 3—Paslanmaz çelik taban; 5—Cam katman; 6—Metal film; 7—Ölçüm diyaframı

Bu yapıda, metal filmler (6) sabit elektrot görevi görürken, ölçüm diyaframı (7) hareketli elektrot görevi görür. Diyaframın her iki tarafı, silikon yağıyla dolu iki ayrı bölme oluşturur. Sıkıştırılamaz akışkan, Δp = p_H − p_L diferansiyel basıncını diyafram yüzeylerine iletir.

Δp = 0 olduğunda, her iki taraftaki ( C _H ve _CL ) kapasitanslar eşittir. Δp ≠ 0 olduğunda, diyafram düşük basınç tarafına doğru sapar ve C _L > C _H olur.
Diferansiyel kapasitans kullanımı, dielektrik sabitindeki sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan hataları azaltarak, endüstriyel proses kontrolü ve basınç ölçümünde önemli faktörler olan hassasiyeti, doğruluğu ve doğrusallığı iyileştirir.

Diferansiyel Basınç ve Kapasitans Arasındaki İlişki

Δp ≠ 0 olduğunda, kapasitans değişimi Şekil 3'te gösterilmiştir.

Şekil 3: Fark Basıncı Mevcut Olduğunda Her İki Taraftaki Kapasitans Değişimleri

Denklemler:

Başlangıç gerilimi olan bir diyafram için sapma, diferansiyel basınca orantılıdır:

Burada K₁ , diyafram eğriliğine, elektrot aralığına ve mekanik gerilime bağlı yapısal bir sabittir. Bu ilişki , çıkış akımının uygulanan diferansiyel basınçla doğru orantılı olmasını sağlayarak mükemmel ölçüm doğruluğu sağlar.

Yüksek Frekanslı Osilatör Devresi

Kapasitif basınç sensörü, diferansiyel basıncı orantılı bir kapasitans değişimine dönüştürür. Bu kapasitansın ölçülmesi, genellikle 32 kHz civarında yüksek frekanslı AC uyarma gerektirir.

Şekil 4: Osilatör Devresi Şekil 5: Osilatör Güç Kaynağı

Osilatör Devresi (Şekil 4)

Devre, bir transistör VT₁'ye bağlı rezonans döngüsü oluşturan sargılar (6, 8 ve 5, 7 terminalleri) ve C₂₀ kapasitöründen oluşur. Öngerilim direnci R₂₉, statik çalışma noktasını tanımlar. Frekans, endüktans L ve kapasitans C tarafından belirlenir.

Osilatör Güç Kaynağı (Şekil 5)

Kapasitans ölçümü AC voltajına dayandığından, osilatör voltajının sabit kalması gerekir . Negatif geri besleme kontrol döngüsü, yeterli başlangıç genliğini sağlarken voltajı otomatik olarak dengeler.

Kapasitif Akım Üretimi ve Stabilizasyonu

Şekil 6'da görüldüğü gibi kapasitif akım üretim devresi ve gerilim oluşturma ağı sabit uyarımı korumaktadır.

Şekil 6: Kapasitif Akım Üretim Devresi ve Gerilim U₂ Oluşum Devresi

Δp ≠ 0 olduğunda, C_H azalır ve C_L artar ve her ikisinden geçen toplam akım şu şekilde ifade edilir:

Otomatik geri besleme, I _L + I _H = K₂ (sabit) olmasını sağlayarak voltaj kararlılığını ve tutarlı hassasiyeti korur.

Çıkış Özellikleri ve Sinyal Doğrusallaştırması

Kapasitif akım üretim devresinde:

Daha önceki ilişkilerin yerine konması:

Toplam çıkış akımı:

Böylece kapasitif diferansiyel basınç vericisinin 4-20 mA çıkış sinyali uygulanan diferansiyel basınçla doğru orantılıdır .
Cihaz ayrıca sıfır ayarı , aralık kalibrasyonu ve ters polarite koruması sağlayarak endüstriyel basınç ölçüm sistemlerinde istikrarlı ve güvenli bir çalışma sağlar.

Örnek: SH Serisi Kapasitif Diferansiyel Basınç Vericisi

Silverinstrumens.com tarafından üretilen SH Serisi basınç vericileri , içsel olarak güvenli ve patlamaya dayanıklı ortamlar için tasarlanmış, yaygın olarak kullanılan iki telli 4-20 mA basınç vericileridir .

Temel Özellikler

1. Doğruluk: %0,2 FS
2. Doğrusallık: Kalibre edilmiş aralığın ±0,1 %'i
3. Histerezis: aralığın ≤ ±0,05 %'i
4. Stabilite: 6 ay içinde ±0,2 % FS
5. Sıcaklık aralığı:
• Ölçüm elemanı: -40 °C ~ +104 °C
• Amplifikatör devresi: -29 °C ~ +93 °C
6. Besleme gerilimi: 12–55 V DC
• Yük direnci: 1500 Ω'a kadar (bkz. Şekil 6-19)

Şekil 7: Güç Kaynağı Voltajı ile Yük Direnci Arasındaki İlişki

Besleme gerilimi ±1 V dalgalandığında çıkış akımı değişimi %0,005'in altında kalır, sinyal kararlılığı ve yüksek doğruluk sağlanır.

SH serisi Modelinin Devre Tasarımı

SHGP/SHDP diferansiyel basınç vericisinin genel devresi Şekil 8'de gösterilmiştir.

Şekil 8: SH serisi Model Kapasitif Basınç Vericisi/DP'nin Devre Tasarımı

Temel Bileşenler ve İşlevler:

• R ₃₂ : aralık ayarı
• R ₃₅ : sıfır ayarlama
• R ₁₂ : sönümleme kontrolü
• R ₄₁ : kaba aralık ayarı
• R ₂₄ : doğrusallık kalibrasyonu
• VD ₁₄ : güç polaritesi koruması
• VT ₂ : akım sınırlayıcı
• EZ, R ₂₁ : negatif sıfır göçü
• SZ, R ₂₀ : pozitif sıfır göçü
• R ₂₆ –R ₂₈ , R ₁ –R ₄ : sıcaklık telafi ağı

Bu elemanlar, değişen endüstriyel koşullarda hassas ve istikrarlı bir performans sağlayarak SHGP/SHDP Serisini dünya çapında proses kontrolü ve enstrümantasyonu için en güvenilir kapasitif diferansiyel basınç vericilerinden biri haline getirir.