압력 트랜스미터 작동 원리: 공정력으로부터 4-20mA 신호로 변환

압력 트랜스미터는 실제로 어떤 역할을 할까요?

A 압력 트랜스미터 3단계 통역사입니다: 그것 물리적 힘을 감지합니다, 그 힘을 전기 신호로 변환하여 표준화된 디지털 또는 아날로그 출력을 제어 시스템에 전달합니다. 이를 이해하면 압력 트랜스미터 작동 원리 공정 계측 장비를 설계, 설치 또는 문제 해결하는 모든 사람에게 필수적인 요소입니다. 간단히 말해, 공정 계측 장비는 DCS 또는 PLC에 공정 유체가 얼마나 강하게 밀어내는지를 정확하게 알려줍니다.

마치 음성으로 작동하는 용수철 저울과 같다고 생각하시면 됩니다. 공정 매체가 감지 소자에 압력을 가하면 소자가 약간 변형됩니다. 트랜스미터는 이 변형을 측정하여 4~20mA 전류 또는 디지털 프로토콜로 변환한 후 2선 회로를 통해 전송합니다. 작업자는 휘어진 금속 조각이 아니라 MPa, bar 또는 psi 단위의 압력 값을 보게 됩니다.

압력이 신호가 되는 과정: 감지 체인

절연 다이어프램: 첫 번째 접점

송신기의 부품 중 공정에 닿는 유일한 부분은 바로 이것입니다. 격리 횡격막. 일반적으로 316L 스테인리스강, 하스텔로이 또는 탄탈륨으로 만들어지는 이 얇은 금속 막은 압력을 받아도 몇 미크론(사람 머리카락 굵기보다 작음)만 휘어집니다. 이 미세한 움직임이 바로 측정의 시작점입니다.

횡격막 뒤쪽에는 내용물로 채워진 공간이 있습니다. 실리콘 오일 (산소 환경에서는 불소탄소 충전재를 사용할 수도 있습니다.) 오일은 비압축성이므로 다이어프램의 변위가 송신기 본체 내부의 센서 칩에 그대로 전달됩니다. 이 유압 커플링은 전자 장치를 부식성, 고온 또는 점성이 높은 공정 매체로부터 격리시켜 줍니다.

이주 문제 해결부터 전기 생산까지: 두 가지 핵심 기술

주입액이 내부 센서에 압력을 가하면, 송신기는 기계적 변형을 회로 기판이 읽을 수 있는 값으로 변환해야 합니다. 산업 응용 분야에서는 두 가지 기술이 주로 사용됩니다.

1. 압저항(확산 실리콘) 센서

실리콘 웨이퍼를 미세 가공하여 얇은 다이어프램을 만듭니다. 이 다이어프램에 4개의 압저항 소자를 확산 방식으로 증착합니다. 휘트스톤 브리지 구성 방식입니다. 압력으로 실리콘이 휘어지면 저항값이 비례적으로 변합니다. 이 브리지는 밀리볼트 수준의 신호를 출력하며, 일반적으로 최대 출력 시 100mV 이상을 출력합니다.

내장 전자 장치는 이 약한 신호를 증폭하고 온도 보상을 적용하며 출력을 선형화합니다. 그 결과 0에서 최대 스케일까지 부드럽게 변화하는 안정적인 4-20mA 신호가 생성됩니다. 이 기술은 비용 효율적이고 뛰어난 반복성을 제공하며 일반적인 공정 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

2. 정전 용량 센서

정전 용량식 커패시터 설계에서는 압력이 커패시터의 한쪽 판 역할을 하는 금속 다이어프램을 변형시킵니다. 다른 쪽 판은 고정되어 있습니다. 판 사이의 간격이 변하면 정전 용량은 반비례하여 변합니다. 고주파 회로는 이 정전 용량 변화를 측정하여 비례하는 전압으로 변환합니다.

정전 용량 센서는 다음과 같은 점에서 탁월합니다. 저압 및 차압 측정 미세한 변형까지 높은 정확도로 측정해야 하는 경우에 사용됩니다. 또한 일부 구성에서는 압저항 방식보다 과압에 대한 내성이 더 뛰어납니다.

사슬은 항상 동일합니다. 공정 압력 → 다이어프램 변위 → 충전 유체 이동 → 센서 변형 → 전기적 변화 → 증폭 및 조정된 4-20mA 또는 디지털 출력.

영점, 범위 및 턴다운: 측정 창 설정

모든 압력 트랜스미터는 두 가지 값으로 정의되는 특정 측정 범위에 맞게 제작됩니다.

• 0 (LRV - 하위 범위 값): 4mA를 발생시키는 압력. 0-1MPa 게이지 트랜스미터에서 0은 대기압(0MPaG)입니다.
• 범위(URV – LRV): 상한값과 하한값의 차이입니다. 0-1 MPa 송신기는 1 MPa의 범위(스팬)를 가집니다.

4-20mA 출력은 이 범위 전체에 걸쳐 선형적으로 매핑됩니다. 범위의 0%에서는 4mA가 출력되고, 100%에서는 20mA가 출력되며, 50%에서는 12mA가 출력됩니다. 간단하고 예측 가능하며 범용적입니다.

거절률: 유연성에는 한계가 있다

스마트 송신기를 사용하면 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다. 범위 재조정 전자 장치를 통해 제어할 수 있습니다. 0~1 MPa 정격의 트랜스미터는 0~100 kPa로 재구성할 수 있으며, 이는 10:1의 감산 비율입니다. 일부 최신 장치는 100:1의 감산 비율을 제공하며, 특수 설계된 장치는 그보다 더 높은 감산 비율을 제공합니다.

하지만 절충점이 있습니다. 스팬을 압축하면 신호 대 잡음비도 압축됩니다. 100:1의 턴다운은 전자 장치가 동일한 절대 정확도로 전체 스케일의 1%를 분해해야 함을 의미합니다. 일반적으로 보정된 스팬의 백분율로 표시되는 기준 정확도는 비례적으로 저하됩니다. 유연성은 얻지만 정밀도는 약간 희생해야 합니다.

게이지압력, 절대압력, 차압력: 압력을 측정하는 세 가지 방법

현장 엔지니어들이 혼란스러워하는 부분이 바로 여기입니다. 동일한 4-20mA 신호라도 송신기가 무엇과 비교하느냐에 따라 완전히 다른 의미를 갖습니다.

유형	기준점	일반적인 적용 사례	단위 표기법
게이지(G)	기압	탱크 압력, 파이프라인 압력, 펌프 토출량	MPaG, barG, psig
절대 (A)	완벽한 진공 (압력 0)	진공 시스템, 기압 측정, 증기압	MPaA, barA, psia
차동(DP)	또 다른 프로세스 압력 지점	오리피스 유량 측정, 필터 모니터링, 액체 레벨	kPaDP, mbarDP, inH2O

진정으로 중요한 관계

게이지 압력 = 절대 압력 - 대기압

차압: 유량 및 레벨 측정의 핵심 요소

DP 트랜스미터는 공정 설비에서 가장 흔히 발생하는 두 가지 측정 문제를 해결한다는 점에서 특별히 언급할 가치가 있습니다.

• 유량 측정: 오리피스 플레이트, 벤투리관 또는 피토관은 유량의 제곱에 비례하는 압력 강하를 발생시킵니다. 차압 트랜스미터는 이 압력 강하를 측정합니다. 트랜스미터 또는 DCS에서 수행되는 제곱근 추출을 통해 차압은 유량으로 변환됩니다.
• 수평 측정: 밀폐된 탱크에서 액체의 높이는 정수압을 발생시킵니다. 차압계는 탱크 바닥의 압력과 상단의 가스 압력을 비교합니다. 이 차이는 순수한 액체 수두입니다. 유체의 밀도를 알고 있으면 수위를 직접 계산할 수 있습니다.

2선 루프: 전원과 신호선이 동일한 쌍으로 구성됨

현장에 있는 대부분의 압력 트랜스미터는 다음을 사용합니다. 2선식 4-20mA 연결. DCS 아날로그 입력 카드에서 송신기로 두 개의 전선이 연결됩니다. DCS는 24VDC를 공급합니다. 송신기는 이 회로에서 전류를 끌어와 전자 장치에 전원을 공급하는데, 일반적으로 최소 3.6~4mA가 필요합니다. 나머지 4mA에서 최대 20mA의 여유 전류는 측정 신호를 전달하는 데 사용됩니다.

이 디자인은 세련되었습니다. 별도의 전원 케이블이 필요 없고, 여러 전원 공급 장치로 인한 접지 루프 문제도 없습니다. 단 하나의 전원 케이블로 모든 기능을 수행할 수 있습니다.

DCS 내부에는 정밀한 250Ω 저항이 4~20mA의 전류를 1~5V의 전압으로 변환합니다. 아날로그-디지털 변환기는 이 전압을 읽습니다. 4mA일 때는 1V가 표시되고, 20mA일 때는 5V가 표시됩니다. DCS는 이 값을 MPa, bar, 수두 인치와 같은 공학 단위로 변환하여 작업자가 쉽게 이해할 수 있도록 합니다.

최저값이 0mA가 아닌 4mA인 이유는 무엇일까요?

4mA는 임의적인 값이 아닙니다. 그것은 바로 라이브제로 이는 송신기에 최소 신호 전력을 공급하는 역할을 합니다. 루프 전류가 3.6mA 미만으로 떨어지면 DCS는 전선 단선, 퓨즈 단선 또는 송신기 고장과 같은 문제가 발생했음을 감지합니다. 실패-낮음 경보 이는 표준에 내장되어 있습니다. 진정한 0mA는 회로가 비어있는 상태와 구별할 수 없습니다.

최신 스마트 송신기는 또한 구동할 수 있습니다. 고장 전류 센서 오류, 범위 초과 상태 또는 진단 경고를 명확하게 알리기 위해 일반적으로 3.6mA 또는 22mA의 전류를 사용합니다.

다이어프램 고장 시: 현장 진단

절연 다이어프램은 송신기의 강점이자 취약점입니다. 유일하게 액체에 노출되는 부분이며, 매우 얇습니다. 일반적인 고장 유형은 다음과 같습니다.

• 부식: 부식성 화학 물질이 다이어프램 재질을 손상시킵니다. 미세한 구멍으로 인해 충전액이 공정으로 새어 나갈 수 있습니다. 유압 커플링이 분리되면 트랜스미터가 움직이다가 굳어버립니다.
• 지나친 압력: 센서 한계를 넘어서는 압력 급증은 다이어프램을 영구적으로 변형시킵니다. 영점 이동, 측정 범위 변경 등이 발생할 수 있습니다. 송신기는 여전히 신호를 출력할 수 있지만 더 이상 신뢰할 수 없습니다.
• 코팅 및 오염: 점성이 있거나 결정화되는 매체가 다이어프램에 쌓입니다. 추가된 질량으로 인해 응답성이 저하됩니다. 트랜스미터는 실제 압력 변화에 뒤처지게 됩니다. 극단적인 경우, 코팅이 단단한 층처럼 작용하여 트랜스미터가 작동하지 않게 됩니다.
• 기계적 손상: 용접 파편, 금속 조각 또는 부적절한 취급으로 인해 다이어프램에 흠집이나 찌그러짐이 발생할 수 있습니다. 국부적인 응력 집중으로 인해 예측할 수 없는 동작이 발생할 수 있습니다.

빠른 현장 점검

압력 측정값이 의심스러울 경우, 트랜스미터를 격리하고 공정 연결부를 대기압 상태로 배출하십시오. 게이지 트랜스미터는 0(또는 0에 매우 가까운 값)을 나타내야 합니다. 고정된 오프셋이 표시되면 다이어프램이 손상되었거나 센서의 영점 조정이 발생했을 수 있습니다.

루프 교정기를 사용하여 알려진 4-20mA 신호를 DCS 채널에 직접 주입하십시오. DCS가 올바르게 판독하면 문제는 상위 단계(송신기, 임펄스 라인 또는 공정 연결)에 있습니다. DCS가 여전히 잘못 판독하면 문제는 카드, 구성 또는 배선에 있습니다.

처리 규칙

• 송신기를 분리할 때는 부드러운 덮개로 다이어프램을 보호하십시오. 보풀 없는 천과 적합한 용제를 사용하여 부드럽게 세척하십시오.

FAQ: 현장 방문 시 자주 묻는 질문

질문: 고도가 높아지면 계기판의 측정값이 달라질까요?

아니요. 게이지 트랜스미터는 현지 대기압을 기준으로 하기 때문에, 압력이 낮아지면 해수면이든 3,000미터 고도든 항상 0을 나타냅니다. 반면 절대압 트랜스미터는 고도가 높아질수록 대기압이 낮아지기 때문에 더 낮은 값을 표시합니다.

질문: 차압계(DP 트랜스미터)의 저압측 단자를 대기 배출구로 사용할 수 있습니까?

네, 하지만 측정 대상이 무엇인지 정확히 이해해야 합니다. 저압측이 대기에 개방된 경우, 트랜스미터는 게이지 압력, 즉 공정 압력과 주변 압력의 차이를 측정합니다. 공정 압력이 대기압보다 낮아지면 차압이 음수가 되고 출력이 4mA 미만으로 떨어질 수 있습니다. 일부 트랜스미터는 이러한 상황을 처리하지만, 다른 트랜스미터는 4mA에서 포화될 수 있습니다. 개방된 저압측은 비, 이물질, 곤충으로부터 보호해야 합니다.

질문: 압력 트랜스미터로 진공을 측정할 수 있습니까?

네, 적절한 제품을 선택하면 가능합니다. 일반 게이지 트랜스미터는 약간의 음압(-0.1 barG 또는 이와 유사한 수준)을 처리할 수 있습니다. 심진공 상태에서는 진공용으로 설계된 절대압 트랜스미터를 사용해야 합니다. 다이어프램은 내측 편향에 대한 정격 용량을 충족해야 하며, 충전 유체는 저압에서 가스 방출이 없어야 합니다. 모든 트랜스미터가 대칭형은 아니므로 데이터시트에서 음압 정격을 확인하십시오.

핵심 요약

• 압력 트랜스미터는 다이어프램 → 충전 유체 → 센서 칩 → 신호 조절 → 4-20mA 또는 디지털 출력의 일련의 과정을 통해 기계적 힘을 표준화된 전기 신호로 변환합니다.
• 압저항 센서는 일반적인 응용 분야에서 주로 사용됩니다. 정전 용량 센서는 저압 및 고정밀 측정에 탁월합니다.
• 게이지, 절대값, 차동값은 서로 바꿔 쓸 수 없습니다. 트랜스미터를 선택하기 전에 기준점을 정확히 파악하십시오.
• 4-20mA 2선 루프는 전원 공급 장치이자 신호 경로 역할을 합니다. 4mA 활선-제로 접점은 단선 감지를 가능하게 합니다.
• 절연막은 가장 취약한 부품입니다. 부식, 과압 및 기계적 손상으로부터 보호하십시오.

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