ترانسمیتراختلاف فشار (differential Pressure transmitter)

ترنسمیترهای اختلاف فشار(DP)اختلاف بین دو فشار را اندازه گیری می کنند. آنها از نقطه مرجعی به نام فشار سمت پایین استفاده می کنند و آن را با فشار سمت بالا مقایسه می کنند. درگاه‌های دستگاه با سمت بالا و پایین مشخص می‌شوند. بسته به اینکه ضلع پایین یا بالا مقدار بزرگتر باشد، قرائت DP می تواند منفی یا مثبت باشد. ترانسمیترDP  را می توان به عنوان یک ترانسمیترفشار سنج استفاده کرد اگر سمت پایین به اتمسفر باز بماند.

اصطلاح ترنسمیتر فشار و ترانسدیوسر فشار اغلب با هم همراه هستند. با این حال، از نظر عملکرد، آنها با یکدیگر متفاوت هستند. ترانسدیوسرهای فشار ساده تر از ترانسمیترهای فشار هستند و مدارهای الکترونیکی بسیار کمی دارند. هر دو نوع سنسور دارای لایه نازک یا پیزو مقاومت هستند که بر روی یک اتصال فرآیند نصب شده اند.

ترانسدیوسرهای فشار مستقیماً سیگنال های آنالوگ را از عنصر پیزو خارج می کنند. سیگنال معمولا در محدوده میلی ولت است. آنها به مدارهای پردازش خارجی نیاز دارند تا این سیگنال خام را آماده کنند تا بعداً به یک کنترل کننده مانند PLC تغذیه شود.

اصل کار ترنسمیتراختلاف فشار

همانطور که در بالا ذکر شد، ترنسمیترهای اختلاف فشار دارای بخش های متعددی هستند که سیگنال های فشار را دریافت، تنظیم و ارسال می کنند. در ساخت و ساز مکانیکی، سه بخش اصلی وجود دارد:

• عنصر اولیه
• عنصر ثانویه
• الکترونیک

عنصر اولیه یک ساختار مکانیکی ویژه است که اختلاف فشار را به جریان سیال وارد می کند. این می تواند یک لوله ونتوری، صفحه روزنه، لوله پیتوت، نازل جریان یا یک عنصر جریان آرام باشد.

عنصر اولیه با افزودن یک مانع مصنوعی با استفاده از یکی از موانع مکانیکی که در بالا ذکر شد، اختلاف فشار در جریان سیال ایجاد می کند. عنصر ثانویه فشارها را در دو نقطه، قبل و بعد از مانع، می گیرد.

ترنسمیتر

ترنسمیتر وسیله ای است که سیگنال الکتریکی ترانسدیوسر را به سیگنال الکتریکی بسیار بزرگتر تبدیل می کند که می تواند در مسافت طولانی به یک PLC یا یک DCS  ارسال شود.

سیگنال خروجی ترانسمیتر

سیگنال خروجی ترانسمیترمعمولاً محدوده ای از ولتاژ (1 تا 5 ولت) یا جریان (4 تا 20 میلی آمپر) است که نشان دهنده 0 تا 100 درصد متغیر فیزیکی حس شده است.

ترنسمیتر فشار

ترنسمیتر فشار ابزاری است که به یک ترانسدیوسر فشار متصل است.

خروجی یک ترانسمیتر فشار یک ولتاژ الکتریکی آنالوگ یا یک سیگنال جریان است که 0 تا 100٪ محدوده فشار حس شده توسط ترانسدیوسر را نشان می دهد.

عنصر اولیه اغلب به عنوان “سمت بالا” و عنصر ثانویه به عنوان “ضلع پایین” شناخته می شود. این را نباید اشتباه فهمید زیرا سمت بالا فشار بالاتر و سمت پایین فشار کمتر است.

بخش اولیه از طریق نوعی کوپلینگ سیال ایزوله یا کوپلینگ مکانیکی به عنصر ثانویه متصل است. این سیال اغلب بر پایه سیلیکون است زیرا سیلیکون عایق حرارتی خوبی است و از نظر شیمیایی پایدار است. انواع مختلفی از سنسورها در ترانسمیترهای اختلاف فشار به عنوان عنصر ثانویه موجود هستند:

.1ترانسدیوسر های اختلاف فشار ظرفیت خازنی

.2ترانسدیوسر های فشار سیم ارتعاشی

.3ترانسدیوسر های فشار کرنش سنج

عنصر ثانویه اختلاف فشار حس شده را به یک سیگنال ولتاژ کوچک تبدیل می کند. الکترونیک این سیگنال ولتاژ را دریافت می کند و آن را بیشتر تنظیم می کند. این شامل فیلتر کردن، نرمال سازی، تقویت، نمونه برداری و تبدیل به سیگنال جریان/ولتاژ است.

سپس بخش الکترونیک یک خروجی خطی مربوط به محدوده فشار اندازه گیری شده را ارائه می دهد. به عنوان مثال، اگر سنسور توانایی اندازه گیری اختلاف فشار 0-100psi را داشته باشد و از نوع خروجی جریان باشد، 4mA در 0psiو  20mA در 100psi خروجی می دهد. هر فشاری که در این بین باشد مقدار جریان مربوط به آن را خواهد داشت. (یعنی 8 میلی آمپر برای 50psi)

عناصر اولیه

• صفحات اورفیس

صفحات اوریفیس یکی از ساده ترین اشکال عناصر اولیه هستند. آنها با ایجاد یک محدودیت، افت فشار را در جریان ایجاد می کنند. دهانه همیشه قطر کمتری نسبت به لوله در حال اتصال دارد.

ترانسدیوسر فشار صفحه اوریفیس دارای دو اتصال خروجی فشار برای اتصال دستگاه به دستگاه کنترل فشار خارجی است. در ترانسمیترهای اختلاف فشار این به عنصر ثانویه دستگاه متصل می شود.

لوله ونتوری

در برخی از ترنسمیتر های فشار، عنصر اولیه یک لوله ونتوری است. این یک آرایش خاص است که جریان را نیز محدود می کند و اختلاف فشار ایجاد می کند. بر خلاف محل سوراخ، لوله ونتوری شکل تدریجی تری دارد و فشارها در دو مکان مختلف اندازه گیری می شود.

لوله ونتوری دارای یک قسمت ورودی، همگرا، یک گلوگاه (کوچکتر از قطر لوله معمولی) و یک قسمت واگرا است که قطر را به قطر لوله اصلی افزایش می دهد. اندازه گیری فشار از قسمت ورودی و قسمت گلو که دارای دو قطر است گرفته می شود.

اصل مورد استفاده برای اندازه گیری فشار مربوط به معادله پیوستگی و معادله برنولی است که در نظریه مکانیک سیالات یافت می شود. عناصر اولیه نوع مخاطره آمیز بیشتر در فلومترها برای تعیین دبی یافت می شوند.

لوله پیتوت

لوله های پیتوت عمدتاً برای اندازه گیری نرخ جریان استفاده می شوند. آنها از یک لوله خم شده تشکیل شده اند که دارای دو دهانه است.

یک سر لوله به یک نقطه استاتیک در سیال که در آن فشار کم وجود دارد باز است و سر دیگر مستقیماً مطابق شکل زیر با جریان است:

با افزایش سرعت جریان، مایع گیر کرده در قسمت خم لوله جابه جا می شود تا یک مانومتر مایع ایجاد شود که میزان جریان را نشان می دهد.

با این حال، نصب چنین لوله های پیتوت دو پورت می تواند دست و پا گیر باشد. و دارای محدودیت های زیر است:

• اگر سرعت خیلی کم باشد، اندازه گیری اختلاف فشار ممکن است سخت باشد.
• اگر سرعت خیلی زیاد باشد (یعنی مافوق صوت/سریعتر از سرعت صوت)، این نیز الزامات اولیه معادله برنولی را باطل می کند و آن را نامعتبر می کند.
• اگر لوله مسدود شود، فشار حاصل از مقادیر فشار واقعی منحرف می شود.

بنابراین، لوله‌های پیتوت تک نقطه‌ای خاص به نام «لوله‌های پیتوت نوع متوسط» وجود دارند که دارای تعدادی لوله حسگر بالادست هستند، همانطور که در زیر نشان داده شده است.

این تنظیمات بر مشکلات ذکر شده در لوله پیتوت استاتیک غلبه می کند.

نازل جریان

نازل های جریان نوع دیگری از عناصر اولیه هستند که در ترنسدیوسرهای اختلاف فشار یافت می شوند. آنها شبیه لوله های دهانه هستند، اما چندین مزیت نسبت به آنها دارند.

انواع کمی از نازل‌های گرگ وجود دارد: نازل‌های جریان فلنجی، نازل‌های جریان فلنجی با شیرهای فشار کم یکپارچه و نازل‌های جریان جوشی.

 نازل های مخصوص جریان نوع wel-din به ویژه در کاربردهای فشار بالا و لوله کشی با قطر کوچک که در آن فلنج ها نمی توان استفاده کرد مفید هستند. شکل زیر یک نازل جریان جوشی را نشان می دهد که بین لوله ها قرار گرفته و به طور دائم در جای خود جوش داده می شود.

در اینجا برخی از مزایای نازل های جریان در مقایسه با عناصر صفحه اوریفیس آورده شده است:

• نازل های جریان دارای لبه های تیز به عنوان صفحات روزنه ای نیستند. این امر باعث می شود که نازل های جریان در طول زمان کمتر مستعد ساییدگی و پارگی شوند.
• نازل های جریان در اندازه گیری مایعات با سرعت بالا ترجیح داده می شوند.

به طور گسترده در کاربردهای فشار بالا و دمای بالا مانند جریان بخار با سرعت بالا در توربین ها استفاده می شود.

• عنصر جریان آرام

عنصر اولیه جالب دیگر عنصر جریان آرام است. این شامل لوله های متعددی است که بسیار طولانی تر از قطر لوله اصلی هستند تا جریان را کاهش داده و آن را آرام کند.

این لوله های آرام یک افت فشار دائمی ایجاد می کنند که به دلیل اصطکاک ناشی از لوله ها در پایین دست قابل بازیابی نیست. افت فشار با استفاده از معادله هاگن-پوازوی قابل اندازه‌گیری است.

از عناصر جریان آرام برای به دست آوردن یک رابطه خطی بین سرعت جریان و افت فشار استفاده می شود که نیاز به مشخصه ریشه مربع برای خطی کردن قرائت را از بین می برد.

با این حال، دستگاه‌های مبتنی بر عناصر آرام نیاز به جبران دما دارند زیرا دما بر ویسکوزیته مایع تأثیر می‌گذارد.

عناصر ثانویه

عنصر ثانویه یک ترانسمیتر اختلاف فشارشامل دستگاه هایی است که ویژگی فیزیکی (فشار) را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. این کار با استفاده از یک «ترانسدیوسر” که می تواند هر یک از اشکال زیر را داشته باشد انجام می شود:

• ترانسدیوسر فشار استرین گیج

ترانسدیوسرهای نوع استرین گیج برای اندازه گیری فشار دهانه باریک و اختلاف فشار استفاده می شود. آنها دارای یک استرین گیج هستند، یک مقاومت که مقاومت خود را با توجه به کرنش اعمال شده به آن تغییر می دهد. استرین گیج به دیافراگم متصل است تا فشار به کرنش تبدیل شود.

این لوله های آرام یک افت فشار دائمی ایجاد می کنند که به دلیل اصطکاک ناشی از لوله ها در پایین دست قابل

آنها را می توان در انواع ترانسمیترهای فشار به عنوان عنصر ترانسدیوسر برای اندازه گیری فشارهای گیج، مطلق و تفاضلی استفاده کرد.

• ترنسدیوسرفشار ظرفیت خازنی

ترانسدیوسرهای نوع خازنی از یک دیافراگم متحرک با توجه به فشار اعمال شده برای تعیین اختلاف فشار استفاده می کنند. دیافراگم با استفاده از مایع پرکننده مانند سیلیکون مایع به عنصر اولیه متصل می شود.

این شامل یک مدار پیچیده است که نوسان می کند. فرکانس نوسان تحت تأثیر تغییر در ظرفیت خازنی است که در نهایت به سیگنال DC به عنوان خروجی از سنسور تبدیل می شود.

• ترانسدیوسر فشار سیم رزونانس

ترنسدیوسرفشار سیم رزونانس از یک سیم تشدید کننده مطابق مدار یکپارچه نوسانگر تشکیل شده است. هر گونه تغییر در فشار باعث تغییر کشش سیم می شود. تغییر کشش فرکانس نوسان را تغییر می دهد. از آنجایی که این می تواند بسیار دقیق اندازه گیری شود، ترانسدیوسر های سیم رزونانس معمولاً در کاربردهای اختلاف فشار پایین یافت می شوند.

ترانسدیوسر های فشار رزونانس در شرایط دمایی پایدار بسیار پایدار هستند، اما غیر خطی هستند. بنابراین، اینها به کمک یک ریزپردازنده برای جبران غیرخطی بودن نیاز دارند.

الکترونیک

الکترونیک یک ترانسمیتر فشار، سیگنال خام را برای انتقال به یک PLC یا کنترل کننده دیگر، تقویت، شرط و تبدیل می کند. خروجی می تواند،

• Voltage output

یک خروجی 0-10 ولت یا 0-5 ولت بسته به پیکربندی.

• خروجی فعلی

یک خروجی جریان 4-20 میلی آمپر برای تغذیه به کارت ورودی PLC.

• خروجی دیجیتال

یک خروجی آستانه یا یک جریان داده ارتباطی دیجیتال مانند خروجی سازگار با RS232 یا RS485 که خوانش فشار بسیار دقیق و نمونه دیجیتالی را ارائه می دهد.

ساخت ترنسمیتر اختلاف فشار

ترنسمیتر اختلاف فشار از سه بخش اصلی تشکیل شده است، عنصر اولیه، عناصر ثانویه و محفظه الکترونیک.

عنصر اولیه مستقیماً در لوله نصب می شود و به عنوان عنصر مشاهده فشار عمل می کند. این باعث ایجاد اختلاف فشار در جریان سیال می شود و دو خروجی را از دو نقطه با فشار سیال شناخته شده و متفاوت ارائه می دهد.

ترانسدیوسر های فشار رزونانس در شرایط دمایی پایدار بسیار پایدار هستند، اما غیر خطی هستند. بنابراین، اینها به کمک یک ریزپردازنده برای جبران غیرخطی بودن نیاز دارند.

عنصر ثانویه معمولاً درست در بالای عنصر اولیه، خارج از لوله‌کشی نصب می‌شود. این فشار فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی کوچک تبدیل می کند.

عنصر نهایی الکترونیک است که دارای مدارهای تهویه و ترانسمیتر است. این مرحله اندازه گیری را از عنصر ثانویه می خواند، تقویت می کند، فیلتر می کند و شرایط بعدی را برای انتقال قرائت به PLC یا گیرنده مناسب دیگر می خواند.

• اندازه گیری اختلاف فشار (DP)در کجا استفاده می شود؟

رایج ترین کاربرد فشار دیفرانسیل اندازه گیری اختلاف دبی است. این نوع کاربرد را می توان هم در محیط های خانگی و هم در محیط های صنعتی مانند اندازه گیری دبی مایع در سیستم های توزیع روغن/آب یافت.

از دیگر کاربردهای DP می توان به نظارت فیلتر، اندازه گیری سطح مایع و در برخی موارد، نظارت بر گشتاور سر مته اشاره کرد. در مانیتورینگ فیلتر، DP برای نظارت دائمی فیلترها از نظر گرفتگی استفاده می شود. اگر فیلتر مسدود شود، فشار دیفرانسیل افزایش می‌یابد و سپس از قرائت برای شناسایی مشکل استفاده می‌شود.

در برخی کاربردها فشار گاز، نظارت بر فشار پمپ مایع و تشخیص نشت لوله آب نیز با اندازه گیری اختلاف فشار انجام می شود.

ترانسدیوسر های فشار رزونانس در شرایط دمایی پایدار بسیار پایدار هستند، اما غیر خطی هستند. بنابراین، اینها به کمک یک ریزپردازنده برای جبران غیرخطی بودن نیاز دارند.

• ترانسمیتر فشار دیفرانسیل برای چه مواردی استفاده می شود؟

یک ترانسمیتر اختلاف فشار قادر است یک اندازه گیری  اختلاف فشار را با توجه به یک کالیبراسیون خوب تولید کند. خروجی می تواند یک ولتاژ، جریان یا یک خروجی دیجیتال سازگار با تجهیزات استاندارد صنعتی باشد.

ترانسمیتر های فشار خارجی برای بدست آوردن قرائت های خام از ترانسدیوسر های اختلاف فشار و تبدیل آنها به سیگنال های الکتریکی خطی و قابل اندازه گیری با توجه به مقادیر فشار اندازه گیری شده استفاده می شوند.