Nguyên lý hoạt động của bộ truyền áp suất: Từ lực tác động trong quá trình đến tín hiệu 4-20mA.

Bộ truyền áp suất thực chất làm nhiệm vụ gì?

A bộ truyền áp suất là một trình thông dịch ba bước: nó cảm nhận lực vật lý, Nó chuyển đổi lực đó thành tín hiệu điện và cung cấp tín hiệu đầu ra kỹ thuật số hoặc tương tự tiêu chuẩn cho hệ thống điều khiển của bạn. Hiểu được điều này... Nguyên lý hoạt động của bộ truyền áp suất Đây là thông tin thiết yếu cho bất kỳ ai lựa chọn, lắp đặt hoặc khắc phục sự cố thiết bị đo lường quy trình. Nói một cách đơn giản, nó cho hệ thống điều khiển phân tán (DCS) hoặc bộ điều khiển lập trình (PLC) biết chính xác lực đẩy mà chất lỏng trong quy trình đang tạo ra.

Hãy hình dung nó giống như một cái cân lò xo có thêm chức năng phát âm thanh. Môi chất cần xử lý tác động lên một bộ phận cảm biến. Bộ phận đó sẽ biến dạng nhẹ. Bộ phát tín hiệu đo sự biến dạng đó, chuyển đổi nó thành dòng điện 4-20 mA hoặc giao thức kỹ thuật số, và gửi tín hiệu xuống một mạch hai dây. Người vận hành sẽ thấy giá trị áp suất tính bằng MPa, bar hoặc psi — chứ không phải là một miếng kim loại bị uốn cong.

Áp suất trở thành tín hiệu như thế nào: Chuỗi cảm biến

Màng ngăn cách ly: Điểm tiếp xúc đầu tiên

Bộ phận duy nhất của bộ phát tiếp xúc với quy trình của bạn là... màng ngăn cách ly. Thường được làm từ thép không gỉ 316L, Hastelloy hoặc tantali, màng kim loại mỏng này chỉ biến dạng vài micromet dưới áp lực — nhỏ hơn chiều rộng của một sợi tóc người. Sự chuyển động nhỏ bé đó chính là điểm khởi đầu cho toàn bộ quá trình đo.

Phía sau màng ngăn là một khoang chứa đầy chất lỏng. dầu silicon (hoặc chất làm đầy fluorocarbon cho dịch vụ oxy). Dầu không nén được, do đó bất kỳ sự dịch chuyển nào của màng ngăn đều được truyền chính xác đến chip cảm biến bên trong thân bộ phát. Khớp nối thủy lực này giúp cách ly các thiết bị điện tử khỏi môi trường xử lý ăn mòn, nóng hoặc nhớt.

Từ sự dịch chuyển vật liệu đến điện năng: Hai công nghệ cốt lõi

Khi chất lỏng được bơm vào tạo áp suất cho cảm biến bên trong, bộ phát phải chuyển đổi biến dạng cơ học thành tín hiệu mà mạch điện tử có thể đọc được. Hai công nghệ chính chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp:

1. Cảm biến áp suất điện trở (Silicon khuếch tán)

Một tấm silicon được gia công vi mô để tạo ra một màng mỏng. Bốn điện trở áp điện được phân tán lên màng này theo một quy trình nhất định. Cầu Wheatstone Cấu hình như sau: Khi áp suất làm uốn cong silicon, các điện trở sẽ thay đổi giá trị tỷ lệ thuận. Mạch cầu xuất ra tín hiệu ở mức milivolt — thường là 100 mV hoặc cao hơn ở mức tối đa.

Mạch điện tử tích hợp khuếch đại tín hiệu yếu này, áp dụng bù nhiệt độ và tuyến tính hóa tín hiệu đầu ra. Kết quả là một tín hiệu ổn định từ 4-20 mA thay đổi mượt mà từ 0 đến toàn thang đo. Công nghệ này tiết kiệm chi phí, mang lại độ lặp lại tuyệt vời và chiếm ưu thế trong các ứng dụng quy trình chung.

2. Cảm biến điện dung

Trong các thiết kế tụ điện, áp suất làm biến dạng một màng kim loại đóng vai trò là một bản cực của tụ điện. Bản cực còn lại được cố định. Khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi, điện dung thay đổi theo tỷ lệ nghịch. Một mạch tần số cao sẽ đo sự thay đổi điện dung này và chuyển đổi nó thành điện áp tỷ lệ thuận.

Cảm biến điện dung có ưu điểm vượt trội ở các khía cạnh sau: đo áp suất thấp và áp suất chênh lệch Trong trường hợp cần phải giải quyết những biến dạng nhỏ với độ chính xác cao. Chúng cũng chịu được các sự kiện quá áp tốt hơn so với các thiết kế điện trở áp suất trong một số cấu hình.

Chuỗi này luôn luôn giống nhau: Áp suất quá trình → dịch chuyển màng ngăn → truyền chất lỏng làm đầy → biến dạng cảm biến → thay đổi điện → tín hiệu đầu ra 4-20 mA hoặc tín hiệu số được khuếch đại và xử lý.

Điểm 0, Khoảng đo và Giảm âm lượng: Thiết lập cửa sổ đo

Mỗi bộ truyền áp suất được chế tạo cho một phạm vi đo cụ thể được xác định bởi hai giá trị:

• Số không (LRV — Giá trị phạm vi dưới): Áp suất tạo ra dòng điện 4 mA. Trong bộ truyền tín hiệu đo áp suất 0-1 MPa, điểm 0 tương ứng với áp suất khí quyển (0 MPaG).
• Nhịp (URV – LRV): Sự khác biệt giữa giá trị phạm vi trên và phạm vi dưới. Một bộ truyền tín hiệu 0-1 MPa có dải đo 1 MPa.

Ngõ ra 4-20 mA biến thiên tuyến tính trên toàn dải này. Ở vị trí 0,% của dải đo, bạn nhận được 4 mA. Ở vị trí 10,0%, bạn nhận được 20 mA. Ở vị trí 50,0%, bạn nhận được 12 mA. Đơn giản, dễ dự đoán, phổ quát.

Tỷ lệ giảm tải: Tính linh hoạt có giới hạn

Các thiết bị phát tín hiệu thông minh cho phép bạn sắp xếp lại Thiết bị được điều chỉnh điện tử. Một bộ phát tín hiệu có định mức 0-1 MPa có thể được cấu hình lại cho dải đo 0-100 kPa — tỷ lệ điều chỉnh 10:1. Một số thiết bị hiện đại cung cấp tỷ lệ điều chỉnh 100:1, với các thiết kế chuyên dụng đạt tỷ lệ cao hơn.

Nhưng có một sự đánh đổi. Khi bạn thu hẹp dải đo, bạn cũng làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Tỷ lệ thu hẹp 100:1 có nghĩa là mạch điện tử phải phân giải được 1% của thang đo đầy đủ với cùng độ chính xác tuyệt đối. Độ chính xác tham chiếu, thường được biểu thị bằng phần trăm của dải đo đã hiệu chuẩn, sẽ giảm theo tỷ lệ thuận. Bạn có được sự linh hoạt; nhưng phải hy sinh một chút độ chính xác.

Áp suất tương đối, áp suất tuyệt đối và áp suất chênh lệch: Ba cách đo áp suất.

Đây là điểm mà các kỹ sư hiện trường thường gặp khó khăn. Cùng một tín hiệu 4-20 mA lại mang ý nghĩa hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào tín hiệu mà bộ phát đang so sánh.

Kiểu	Điểm tham chiếu	Ứng dụng điển hình	Quy ước đơn vị
Thước đo (G)	Áp suất khí quyển	Áp suất trong bồn, áp suất đường ống, lưu lượng bơm	MPaG, barG, psig
Tuyệt đối (A)	Chân không hoàn hảo (áp suất bằng không)	Hệ thống chân không, đo áp suất khí quyển, áp suất hơi	MPaA, barA, psia
Vi phân (DP)	Một điểm áp lực khác của quy trình	Đo lưu lượng qua lỗ, giám sát bộ lọc, mức chất lỏng	kPaDP, mbarDP, inH2O

Mối quan hệ quan trọng nhất

Áp suất dư = Áp suất tuyệt đối – Áp suất khí quyển

Chênh lệch áp suất: Yếu tố then chốt trong việc xác định lưu lượng và mức độ.

Các bộ truyền tín hiệu DP xứng đáng được đề cập đặc biệt vì chúng giải quyết hai trong số những vấn đề đo lường phổ biến nhất trong các nhà máy chế biến:

• Đo lưu lượng: Một tấm chắn lỗ, ống Venturi hoặc ống Pitot tạo ra sự giảm áp suất tỷ lệ thuận với bình phương lưu lượng. Bộ truyền tín hiệu DP đo sự giảm áp suất đó. Phép lấy căn bậc hai (được thực hiện trong bộ truyền tín hiệu hoặc DCS) chuyển đổi DP thành lưu lượng.
• Đo mức: Trong một bể kín, chiều cao chất lỏng tạo ra áp suất thủy tĩnh. Bộ truyền tín hiệu chênh lệch áp suất (DP transmitter) so sánh áp suất ở đáy bể với áp suất khí ở đỉnh bể. Sự khác biệt này chính là cột áp chất lỏng. Khi biết mật độ chất lỏng, bạn có thể tính toán mực chất lỏng trực tiếp.

Mạch vòng hai dây: Nguồn và tín hiệu trên cùng một cặp dây.

Hầu hết các bộ truyền áp suất trong thực tế sử dụng hai dây 4-20 mA Kết nối. Hai dây dẫn chạy từ thẻ đầu vào analog của hệ thống DCS đến bộ phát. Hệ thống DCS cung cấp điện áp 24 VDC. Bộ phát lấy dòng điện từ mạch này để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử của nó — thông thường tối thiểu là 3,6-4 mA. Lượng dòng điện còn lại, từ 4 mA đến 20 mA, được dùng để truyền tín hiệu đo.

Thiết kế này rất thanh lịch. Không cần dây nguồn riêng. Không có hiện tượng nhiễu vòng nối đất do nhiều bộ nguồn gây ra. Chỉ cần một cặp dây là đủ.

Bên trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS), một điện trở chính xác 250 Ω chuyển đổi dòng điện 4-20 mA thành điện áp 1-5 V. Bộ chuyển đổi tương tự sang số sẽ đọc điện áp đó. Ở dòng điện 4 mA, bạn sẽ thấy 1 V. Ở dòng điện 20 mA, bạn sẽ thấy 5 V. Hệ thống DCS sẽ chuyển đổi giá trị này sang các đơn vị kỹ thuật — MPa, bar, inch cột nước — cho người vận hành.

Tại sao 4 mA là mức tối thiểu, chứ không phải 0 mA?

4 mA không phải là con số ngẫu nhiên. Đó là sống không Mạch này duy trì nguồn điện cho máy phát ở mức tín hiệu tối thiểu. Nếu dòng điện giảm xuống dưới 3,6 mA, hệ thống DCS sẽ biết có vấn đề — dây bị đứt, cầu chì bị cháy hoặc máy phát bị hỏng. cảnh báo lỗi mức thấp Điều này đã được tích hợp vào tiêu chuẩn. Dòng điện 0 mA thực sự sẽ không thể phân biệt được với một vòng lặp chết.

Các bộ phát thông minh hiện đại cũng có thể điều khiển dòng điện sự cố — thường là 3,6 mA hoặc 22 mA — để báo hiệu rõ ràng lỗi cảm biến, tình trạng vượt quá phạm vi hoặc cảnh báo chẩn đoán.

Khi màng ngăn bị hỏng: Chẩn đoán tại chỗ

Màng ngăn cách ly vừa là điểm mạnh vừa là điểm yếu của máy phát. Đây là bộ phận duy nhất tiếp xúc với chất lỏng và lại rất mỏng. Các lỗi thường gặp bao gồm:

• Ăn mòn: Các hóa chất mạnh tấn công vật liệu màng ngăn. Một lỗ nhỏ rò rỉ cho phép chất lỏng tràn vào hệ thống. Bộ truyền tín hiệu bị lệch, sau đó bị kẹt, do mất kết nối thủy lực.
• Áp suất quá cao: Áp suất tăng đột ngột vượt quá giới hạn của cảm biến sẽ làm biến dạng vĩnh viễn màng ngăn. Hiện tượng dịch chuyển điểm 0. Dải đo thay đổi. Bộ phát có thể vẫn phát ra tín hiệu, nhưng tín hiệu đó không còn đáng tin cậy nữa.
• Lớp phủ và sự bám bẩn: Các chất có độ nhớt hoặc kết tinh tích tụ trên màng ngăn. Khối lượng tăng thêm làm giảm độ nhạy. Bộ truyền tín hiệu phản hồi chậm hơn so với sự thay đổi áp suất thực tế. Trong trường hợp nghiêm trọng, lớp phủ hoạt động như một lớp cứng và bộ truyền tín hiệu trở nên không phản hồi.
• Hư hỏng cơ học: Các tia lửa hàn, mảnh vụn kim loại hoặc thao tác không đúng cách có thể làm lõm hoặc xước màng ngăn. Sự tập trung ứng suất cục bộ tạo ra hành vi khó lường.

Kiểm tra nhanh tại hiện trường

Khi kết quả đo áp suất có vẻ bất thường, hãy cách ly bộ truyền tín hiệu và xả khí từ đường ống kết nối ra môi trường. Bộ truyền tín hiệu đo áp suất phải hiển thị giá trị bằng không (hoặc rất gần bằng không). Nếu nó hiển thị một giá trị lệch cố định, màng ngăn có thể bị hỏng hoặc cảm biến đã bị dịch chuyển về 0.

Sử dụng bộ hiệu chuẩn vòng lặp để đưa trực tiếp tín hiệu 4-20 mA đã biết vào kênh DCS. Nếu DCS đọc đúng, vấn đề nằm ở phía trước — bộ phát, đường dây xung hoặc kết nối quy trình. Nếu DCS vẫn đọc sai, vấn đề nằm ở bo mạch, cấu hình hoặc dây dẫn.

Quy tắc xử lý

• Khi tháo bộ phát, hãy bảo vệ màng loa bằng một lớp vỏ mềm. Lau sạch nhẹ nhàng bằng vải không xơ và dung môi phù hợp.

Câu hỏi thường gặp: Các câu hỏi thường gặp trong thực địa

Hỏi: Bộ truyền tín hiệu đo độ cao có cho kết quả khác nhau ở độ cao lớn không?

Không. Bộ truyền tín hiệu đo áp suất tham chiếu áp suất khí quyển tại chỗ, vì vậy nó luôn hiển thị số 0 khi xả khí — dù ở mực nước biển hay độ cao 3.000 mét. Bộ truyền tín hiệu tuyệt đối sẽ hiển thị giá trị thấp hơn ở độ cao vì áp suất tuyệt đối của khí quyển đã giảm.

Hỏi: Tôi có thể sử dụng đầu ra áp suất thấp của bộ phát DP làm đường thoát khí ra môi trường không?

Vâng, nhưng hãy hiểu rõ những gì bạn đang đo. Khi đầu ra áp suất thấp hở ra môi trường, bộ truyền tín hiệu sẽ đo áp suất tương đối — sự khác biệt giữa áp suất quá trình và áp suất môi trường xung quanh. Nếu áp suất quá trình giảm xuống dưới áp suất khí quyển, sự chênh lệch sẽ trở thành âm và tín hiệu đầu ra có thể giảm xuống dưới 4 mA. Một số bộ truyền tín hiệu có thể xử lý trường hợp này; một số khác sẽ bị bão hòa ở mức 4 mA. Hãy bảo vệ đầu ra áp suất thấp khỏi mưa, mảnh vụn và côn trùng.

Hỏi: Cảm biến áp suất có thể đo chân không không?

Có, nếu lựa chọn đúng. Các bộ truyền áp suất tiêu chuẩn có thể chịu được áp suất âm nhẹ (-0,1 barG hoặc tương tự). Đối với chân không sâu, hãy sử dụng bộ truyền áp suất tuyệt đối được thiết kế cho môi trường chân không. Màng ngăn phải có khả năng chịu được độ lệch hướng vào trong, và chất lỏng bên trong không được thoát khí dưới áp suất thấp. Không phải tất cả các bộ truyền áp suất đều đối xứng — hãy kiểm tra khả năng chịu áp suất âm trong bảng thông số kỹ thuật.

Những điểm chính cần ghi nhớ

• Bộ truyền áp suất chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện tiêu chuẩn thông qua một chuỗi: màng ngăn → chất lỏng bên trong → chip cảm biến → mạch điều chỉnh tín hiệu → đầu ra 4-20 mA hoặc tín hiệu số.
• Cảm biến áp suất điện trở chiếm ưu thế trong các ứng dụng thông thường. Cảm biến điện dung lại vượt trội trong các phép đo ở áp suất thấp và độ chính xác cao.
• Các khái niệm về áp suất tương đối, áp suất tuyệt đối và áp suất chênh lệch không thể thay thế cho nhau. Hãy xác định điểm tham chiếu của bạn trước khi lựa chọn bộ truyền tín hiệu.
• Mạch vòng hai dây 4-20 mA vừa là nguồn cấp điện vừa là đường dẫn tín hiệu. Mạch ngắt mạch 4 mA cho phép phát hiện dây bị đứt.
• Màng ngăn cách ly là bộ phận dễ bị tổn thương nhất. Cần bảo vệ nó khỏi sự ăn mòn, áp suất quá cao và hư hỏng cơ học.

Bài đọc liên quan

• Vì sao 4-20mA là ngôn ngữ chung của tự động hóa công nghiệp
• Hướng dẫn lựa chọn bộ truyền áp suất Rosemount 3051: Thông số kỹ thuật
• Hiểu về áp suất tương đối và áp suất tuyệt đối: Hướng dẫn kỹ thuật toàn diện
• Hướng dẫn về quá trình di chuyển máy phát số 0: Giải thích về sự khác biệt giữa di chuyển tích cực và tiêu cực
• Cách các bộ truyền tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi nhiệt năng thành dữ liệu

Bạn cần trợ giúp trong việc lựa chọn cảm biến áp suất phù hợp?

YUNRUI cung cấp các bộ truyền áp suất chính hãng từ... Rosemount, Endress+Hauser, Yokogawa, Honeywell, và các thương hiệu hàng đầu khác dành cho các ngành công nghiệp chế biến trên toàn thế giới. Cho dù bạn cần đo áp suất tương đối, tuyệt đối hay chênh lệch, các kỹ sư ứng dụng của chúng tôi có thể giúp bạn lựa chọn bộ truyền tín hiệu phù hợp với điều kiện quy trình của bạn.

Liên hệ với chúng tôi tại sales@yunrui-controls.com hoặc WhatsApp 18710784030 Để được tư vấn kỹ thuật và báo giá.