ترانسمیتر فشار چگونه کار می کند؟ فرستنده در مقابل مبدل

اگر زمانی را صرف ابزار دقیق صنعتی کرده باشید، تقریباً مطمئناً شنیده اید که مردم «مبدل» و «فرستنده» را به عقب و جلو عوض می کنند. تکنسین‌های جدید آن‌ها را با هم مخلوط می‌کنند، تیم‌های تدارکات زمانی که منظورشان دیگری است، یکی را درخواست می‌کنند، و حتی برخی از کاتالوگ‌های محصولات از این اصطلاحات به جای یکدیگر استفاده می‌کنند. این سردرگمی باعث ایجاد مشکلات واقعی در سایت می‌شود - من شاهد تاخیر در پروژه‌ها و ارسال‌های برگشتی بوده‌ام صرفاً به این دلیل که هیچ‌کس متوقف نشد تا دقیقاً مشخص کند که هر دستگاه چه کاری انجام می‌دهد و چگونه با هم کار می‌کنند.

حقیقت این است که آنها یکسان نیستند. مبدل و فرستنده به صورت جفت کار می کنند وهر فرستنده فشاربرای گرفتن فشار فیزیکی و ارسال آن در سراسر کارخانه به یک سیستم کنترل، به هر دو قسمت متکی است.

این راهنما تفاوت اصلی بین این دو را بررسی می‌کند، گام به گام نحوه عملکرد یک فرستنده فشار معمولی را توضیح می‌دهد، سه نوع رایج اندازه‌گیری فشار را توضیح می‌دهد، و سیگنال‌های خروجی استانداردی را که در هر کارخانه فرآیندی مشاهده خواهید کرد، پوشش می‌دهد. در پایان، می‌توانید این دو را از هم تشخیص دهید، متوجه شوید که در داخل محفظه فرستنده چه اتفاقی می‌افتد، و تصمیمات بهتری برای اندازه‌گیری برنامه‌های خود بگیرید.

فرستنده در مقابل مبدل: تفاوت واقعی چیست؟

ساده ترین راه برای صاف نگه داشتن آنها این است: مبدل فشار را حس می کند و فرستنده سیگنال را ارسال می کند. آنها دو عملکرد جداگانه هستند که اغلب در یک دستگاه - با هم بسته بندی می شوند، به همین دلیل است که بسیاری از افراد این اصطلاحات را با هم مخلوط می کنند.

کاری که یک مبدل انجام می دهد

مبدل وسیله ای است که یک شکل انرژی را به دیگری تبدیل می کند. در اندازه گیری فشار، نیروی مکانیکی فیزیکی را از فشار سیال یا گاز می گیرد و آن را به یک سیگنال الکتریکی کوچک و ضعیف تبدیل می کند.

آن خروجی الکتریکی خام بسیار کوچک است - معمولاً میلی ولت - و استاندارد نیست. این سنسور از یک طراحی حسگر به دیگری متفاوت است و برای پیمودن بیش از مسافت کوتاه بدون دریافت نویز و از دست دادن دقت بسیار ضعیف است. سیگنال مبدل خام به خودی خود برای ارسال به PLC یا DCS در طرف دیگر تأسیسات مفید نیست.

مبدل‌ها در بسیاری از فناوری‌های حسگر وجود دارند: فشار سنج، خازنی، پیزوالکتریک، پتانسیومتری و غیره. اینکه کدام مورد استفاده می شود بستگی به محدوده فشار، نوع متوسط، دما و دقت مورد نیاز کاربرد دارد.

کاری که یک فرستنده انجام می دهد

یک فرستنده سیگنال الکتریکی ضعیف و غیر استاندارد را از مبدل می گیرد و شرایط می دهد، آن را تقویت می کند و به سیگنال خروجی استاندارد صنعتی تبدیل می کند که می تواند مسافت های طولانی را به طور قابل اعتماد طی کند.

وظیفه فرستنده این است که یک سیگنال متغیر کوچک را به یک محدوده ثابت و شناخته شده جهانی تبدیل کند - معمولاً 4-20 میلی آمپر برای حلقه های جریان، یا 1-5 ولت برای خروجی های ولتاژ - که در آن پایین محدوده برابر با 0٪ فشار اندازه گیری شده، و بالا برابر با 100٪ است. این سیگنال استاندارد می تواند صدها متر را از طریق سیم کشی کارخانه بدون از دست دادن دقت عبور دهد و هر سیستم کنترلی در جهان می داند که چگونه آن را تفسیر کند.

چرا اصطلاحات اغلب با هم مخلوط می شوند

تقریباً تمام فرستنده‌های فشار مدرنی که امروزه فروخته می‌شوند، هم عنصر حسگر مبدل و هم مدار فرستنده را در یک محفظه بسته بندی می‌کنند. برای اکثر سازهای میدانی، شما آنها را جداگانه نمی‌خرید - یک مجموعه کامل می‌خرید.

با گذشت زمان، صنعت شروع به فراخوانی کل واحد به هر نام کرد. برخی از فروشندگان آن را مبدل فشار می‌نامند، برخی دیگر آن را فرستنده فشار می‌نامند، و برای اکثر واحدهای--قفسه‌بندی، هر دو نام به یک محصول کامل اشاره دارد. این تمایز تنها زمانی اهمیت دارد که در حال تعمیر اجزای داخلی، اندازه سنسورهای خام برای ساخت‌های سفارشی، یا مقایسه قطعات در سطح{4}} جزء هستید.

Coplanar Pressure Transmitter

چگونه یک ترانسمیتر فشار در واقع کار می کند (گام به گام)

در داخل هر فرستنده فشار صنعتی، سه مرحله اصلی وجود دارد: دیافراگم جداسازی، مبدل حسگر و مدار سیگنال فرستنده. در اینجا چیزی است که در هر مرحله هنگام اعمال فشار فرآیند اتفاق می افتد.

مرحله 1: دیافراگم اندازه گیری اولین تماس را برقرار می کند

سیال یا گاز فرآیند هرگز مستقیماً به عنصر حساس حساس برخورد نمی کند. ابتدا روی یک دیافراگم اندازه گیری نازک و محکم که به صفحه اتصال فرآیند فرستنده جوش داده شده یا چسبیده است فشار می آورد.

این دیافراگم از فولاد ضد زنگ، Hastelloy، یا سایر مواد مقاوم در برابر خوردگی{0} و مطابق با محیط فرآیند ساخته شده است. تحت فشار بسیار کمی خم می شود و این نیرو را از طریق مایع پرکننده (معمولاً روغن سیلیکون یا مایع بی اثر دیگر) به عنصر حسگر واقعی در طرف دیگر منتقل می کند.

این جداسازی دو هدف مهم را دنبال می کند:

این ماده حسگر شکننده را در برابر رسانه های فرآیندی خورنده، ساینده یا کثیف محافظت می کند
این اجازه می دهد تا سنسور در کارخانه کالیبره و مهر و موم شود، بنابراین برای سال ها در شرایط سخت زمین دقیق می ماند.

مرحله 2: مبدل نیرو را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند

در پشت مایع پرکننده مبدل - سنسور فشار واقعی قرار دارد. سه فناوری بیشتر در کاربردهای فرآیند صنعتی رایج هستند:

سنسورهای فشار سنجپرکاربردترین هستند. الگویی از مقاومت‌های حساس به کرنش-ریز به یک دیافراگم صلب متصل شده است. هنگامی که فشار دیافراگم را منحرف می کند، مقاومت ها کشیده یا فشرده می شوند و مقاومت الکتریکی آنها تغییر می کند. این تغییر بسیار ناچیز است و از طریق مدار پل وتستون اندازه گیری می شود و یک سطح خروجی میلی ولت- متناسب با فشار تولید می کند.

سنسورهای خازنیاز دو صفحه فلزی موازی، یکی ثابت و دیگری متصل به دیافراگم انعطاف پذیر استفاده کنید. همانطور که فشار دیافراگم را حرکت می دهد، شکاف بین صفحات تغییر می کند که باعث تغییر ظرفیت الکتریکی می شود. این طراحی در محدوده‌های فشار بسیار پایین بسیار پایدار است و در نوسانات دمایی گسترده به خوبی عمل می‌کند.

سنسورهای پیزوالکتریکهنگامی که مواد کریستالی تحت تنش مکانیکی قرار می گیرند، مستقیماً ولتاژ کمی ایجاد می کنند. آنها در اندازه گیری فشار سریع و تغییرات فشار دینامیکی عالی هستند، اما برای اندازه گیری فشار فرآیند ثابت{1} کمتر رایج هستند.

در هر مورد، نتیجه نهایی یکسان است: یک سیگنال الکتریکی بسیار کوچک که با تغییر فشار تغییر می کند. این سیگنال به خودی خود بسیار ضعیف است و به راحتی تحریف می‌شود و نمی‌تواند از طریق یک گیاه ارسال شود.

مرحله 3: مدار فرستنده یک خروجی استاندارد تولید می کند

سیگنال مبدل خام به برد مدار الکترونیکی فرستنده وارد می شود. این هیئت سه کار کلیدی انجام می دهد:

1. تهویه سیگنال: نویز الکتریکی را فیلتر می‌کند، تغییر دما را جبران می‌کند و خروجی را خطی می‌کند تا سیگنال به طور یکنواخت فشار را در محدوده کامل مطابقت دهد.

2. تقویت: سیگنال میلی ولت کوچک را تا سطح قوی و قابل استفاده افزایش می دهد.

3. استانداردسازی: سیگنال را به یک محدوده خروجی شناخته شده جهانی تبدیل می کند - تقریباً همیشه 4-20 میلی آمپر برای دو-تاسیسات صنعتی سیم، یا 1-5 ولت برای استفاده از کابینت با مسافت کوتاه تر.

سیگنال استاندارد نهایی از طریق پایانه‌های فرستنده به سیستم کنترل می‌رود، جایی که PLC یا DCS مقدار جریان یا ولتاژ را می‌خواند و آن را به فشار واقعی نشان می‌دهد.

3 نوع رایج اندازه گیری فشار

فرستنده های فشار همه فشار را یکسان اندازه گیری نمی کنند. آنچه آنها به عنوان "نقطه صفر" خود ذکر می کنند، نحوه تفسیر خواندن را تغییر می دهد. سه نوع اصلی وجود دارد و انتخاب اشتباه یک اشتباه در اندازه گیری بسیار رایج است.

فشار سنج

فشار سنج رایج ترین نوع مورد استفاده در کارخانه های فرآیندی است. فشار را نسبت به فشار اتمسفر فعلی اندازه گیری می کند.

هنگامی که یک فرستنده فشار گیج 0 را می خواند، به این معنی است که فشار داخل با فشار هوای محیط بیرون برابر است. خوانش ها معمولا با پسوند (g) مانند psi(g) یا bar(g) برچسب گذاری می شوند.

فشار گیج برای اکثر اندازه گیری های فشار مخزن، فشار خط و دبی پمپ استفاده می شود. اگر دلیل خاصی برای اندازه گیری فشار مطلق یا دیفرانسیل ندارید، تقریباً مطمئناً به فشار گیج نیاز دارید.

فشار مطلق

فشار مطلق نسبت به خلاء کامل - 0 psi(a)=خلاء کل اندازه‌گیری می‌شود. این شامل فشار اتمسفر به عنوان بخشی از خواندن است.

در سطح دریا، فشار اتمسفر معمولی تقریباً 14.7 psi(a) است. این بدان معناست که یک مخزن باز در اتمسفر، 14.7 psi(a) در یک فرستنده فشار مطلق و 0 psi(g) در یک فرستنده فشار گیج نشان می دهد.

فشار مطلق برای فرآیندهای خلاء، سیستم‌های گاز مهر و موم شده، اندازه‌گیری فشار بخار و هر برنامه‌ای که نیاز به خواندن مستقل از تغییرات فشار اتمسفر محلی دارید، استفاده می‌شود.

فشار دیفرانسیل

فرستنده های فشار دیفرانسیل (DP) اختلاف فشار بین دو پورت ورودی مجزا را اندازه گیری می کنند. آنها فشار را در هیچ یک از نقاط به شما نمی گویند - فقط اینکه یک طرف چقدر بالاتر از طرف دیگر است.

این یک نوع اندازه گیری بسیار متنوع است. ترانسمیترهای فشار دیفرانسیل برای موارد زیر استفاده می شود:

اندازه گیری جریان در صفحات روزنه، لوله های ونتوری و نازل های جریان
اندازه گیری سطح در مخازن تحت فشار با مقایسه فشار سر با فشار پتوی گاز
تشخیص گرفتگی فیلتر و صافی با اندازه گیری افت فشار
مانیتورینگ فشار دیفرانسیل پمپ

سنسور درونی به همان روش اولیه کار می‌کند، اما به جای فشار در دو طرف دیافراگم حسگر، در معرض فشار قرار می‌گیرد.

سیگنال های خروجی استاندارد: 4–20mA در مقابل{2}}–5V

دو استاندارد خروجی را مشاهده خواهید کرد که تقریباً در تمام ترانسمیترهای فشار صنعتی استفاده می شود. هر کدام بهترین مورد استفاده خود را دارند.

حلقه جریان 4-20 میلی آمپر (متداول ترین)

سیگنال 4-20 میلی آمپر، نیروی کار کنترل فرآیند صنعتی است. 4 میلی آمپر مربوط به 0٪ از محدوده فشار، و 20 میلی آمپر مربوط به 100٪ است.

بزرگترین مزیت سیگنال جریان این است که در طول سیم های طولانی از بین نمی رود و در برابر نویزهای الکتریکی موتورها، VFD ها و سایر تجهیزات کارخانه بسیار مقاوم است. همچنین از عملکرد دو سیم{1} پشتیبانی می کند، که در آن یک جفت سیم، هم برق را به فرستنده می رساند و هم سیگنال اندازه گیری را حمل می کند.

4 میلی آمپر "صفر زنده" عمدی است: اگر سیگنال به 0 میلی آمپر کاهش یابد، سیستم کنترل بلافاصله آن را به عنوان یک سیم شکسته یا فرستنده شکست خورده تشخیص می دهد، نه به عنوان فشار صفر. این یک ویژگی ایمنی و تشخیصی حیاتی است.

خروجی ولتاژ 1-5 ولت

خروجی های ولتاژ در تاسیسات میدانی کمتر رایج است اما به طور گسترده در کابینت های کنترل، میزهای آزمایش و برنامه های کاربردی مسافت کوتاه تر استفاده می شود. 1 V=0% محدوده، 5 V=100% محدوده.

سیگنال‌های ولتاژ برای دوره‌های کوتاه ساده‌تر و ارزان‌تر هستند، اما در فواصل طولانی به دلیل مقاومت سیم، دقت خود را از دست می‌دهند و تداخل الکتریکی را بسیار راحت‌تر دریافت می‌کنند. آنها همچنین نیاز به سیم کشی برق جداگانه دارند. برای هر چیزی خارج از یک محیط کابینت کنترل شده، 4 تا 20 میلی آمپر تقریبا همیشه انتخاب بهتری است.

نکات انتخاب سریع و باورهای غلط رایج

پس از کار با این ابزارها در کارخانه‌های فرآیند، چند اشتباه وجود دارد که بیشتر از سایرین تکرار می‌شود.

1.فشار مطلق را تصادفی نخرید. اگر یک فرستنده مطلق را برای یک کاربرد فشار سنج استاندارد سفارش دهید، تمام خوانش های شما تقریباً 14.7 psi خاموش می شود. همیشه قبل از ثبت سفارش، نوع مرجع را دوبار-بررسی کنید.

2.4-20 میلی آمپر منسوخ نیست. حتی با وجود تمام پروتکل‌های فیلدباس دیجیتالی که امروزه در دسترس هستند، 4 تا 20 میلی آمپر ساده هنوز هم پشتیبانی جهانی، آسان‌ترین عیب‌یابی و قابل اعتمادترین استاندارد سیگنال برای اندازه‌گیری فشار پایه است.

3. دقت به بیشتر از سنسور بستگی دارد. یک مبدل{1}دقیق بالا اگر اشتباه نصب شود، در معرض درجه حرارت شدید قرار گیرد، یا با مواد دیافراگمی اشتباه برای محیط فرآیند مطابقت داشته باشد، همچنان خوانش بدی را نشان می دهد.

اگر اندازه فرستنده‌های فشار را برای فرآیند خود تعیین می‌کنید و مطمئن نیستید که کدام نوع فشار، سیگنال خروجی یا ماده دیافراگمی با کاربرد شما مطابقت دارد، همیشه ارزش دارد که ابتدا با یک متخصص ابزار تأیید کنید. دریافت مشخصات به درستی در قسمت جلویی باعث می شود هفته ها تاخیر در زمان تحویل داده شود و بعداً برگردد.

سوالات متداول

آیا مبدل فشار همان فرستنده است؟

نه دقیقا. یک مبدل فشار را به یک سیگنال الکتریکی خام تبدیل می کند. یک فرستنده آن سیگنال خام را می گیرد و آن را به یک خروجی استاندارد شده و برد بلند- تبدیل می کند. اکثر فرستنده‌های فشار میدانی که امروزه فروخته می‌شوند شامل هر دو قسمت در یک محفظه می‌شوند، بنابراین اصطلاحات اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌شوند.

چرا به جای 0-20 میلی آمپر از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

صفر زنده 4 میلی آمپر دو هدف را دنبال می کند: فرستنده را روی یک حلقه دو سیمه- تغذیه می کند و به سیستم کنترل اجازه می دهد تفاوت بین فشار صفر واقعی و سیم شکسته یا فرستنده خراب را تشخیص دهد. اگر سیگنال به 0 میلی آمپر کاهش یابد، بلافاصله به عنوان یک خطا تشخیص داده می شود.

سه نوع اندازه گیری فشار چیست؟

سه نوع اصلی عبارتند از فشار سنج (به اتمسفر ارجاع شده)، فشار مطلق (به خلاء اشاره شده) و فشار دیفرانسیل (اندازه گیری اختلاف بین دو نقطه).

آیا مبدل می تواند بدون فرستنده کار کند؟

یک مبدل خام یک سیگنال الکتریکی تولید می کند، اما برای انتقال از راه دور بسیار ضعیف، غیر استاندارد و نامناسب خواهد بود. برای استفاده از کنترل فرآیند عمومی، یک فرستنده برای تنظیم و استاندارد کردن سیگنال مورد نیاز است.

افکار نهایی

فرستنده های فشار یکی از رایج ترین ابزارها در هر کارخانه فرآیندی هستند، اما به راحتی می توان با آنها مانند یک جعبه سیاه رفتار کرد. درک تفاوت بین مبدل و فرستنده، نحوه عملکرد عنصر حسگر، و معنی انواع فشار و سیگنال به شما کمک می کند تا آنها را به درستی مشخص کنید، سریعتر عیب یابی کنید و از رایج ترین اشتباهات اندازه گیری جلوگیری کنید.

در پایان روز، بهترین فرستنده فشار فرستنده ای نیست که دارای جذاب ترین مشخصات باشد - بلکه فرستنده ای است که به درستی با محیط فرآیند، محدوده فشار، دما و محیط نصب شما مطابقت دارد.

اگر برای انتخاب فرستنده فشار مناسب برای برنامه خود به کمک نیاز دارید یا در مورد سیگنال های خروجی، مواد دیافراگم یا انواع فشار سؤال دارید، تیم فنی ما می تواند پارامترهای فرآیند شما را بررسی کرده و پیکربندی با اندازه مناسب را توصیه کند.

مراجع

انجمن بین المللی اتوماسیون (ISA). (2022).اندازه گیری فشار: اصول، نصب و کالیبراسیون. Research Triangle Park، NC: ISA.
Rosemount Inc. (2024).مبانی ترانسمیتر فشار: راهنمای فناوری و کاربرد. راه حل های اتوماسیون امرسون
WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG. (2023).مبدل های فشار در مقابل فرستنده ها: توضیح فنی. ابزار دقیق صنعتی WIKA.
موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST). (2021).کالیبراسیون ابزارهای اندازه گیری فشار. NIST Handbook 150.
ABB Measurement & Analytics. (2024).ترانسمیترهای فشار صنعتی: راهنمای انتخاب فناوری.