فهم أجهزة إرسال الضغط التفاضلي السعوية في الأتمتة الصناعية

تُعدّ أجهزة إرسال الضغط التفاضلي السعوية من الأجهزة الأساسية في أجهزة القياس الصناعية الحديثة وأتمتة العمليات . فهي تستخدم تقنية استشعار سعوية متطورة لقياس الضغط التفاضلي والقياسي والمطلق بدقة عالية وثبات طويل الأمد. وعلى عكس مستشعرات الضغط الميكانيكية التقليدية، لا تحتوي هذه الأجهزة على آليات نقل ميكانيكية متحركة ، مما يجعلها صغيرة الحجم ومتينة ومقاومة للاهتزازات. كما تضمن عمليات ضبط الصفر والمدى المستقلة دقة القياس دون تداخل، مما يُسهم في انتشار استخدامها على نطاق واسع في مختلف الصناعات.

في الصين، أدخلت العديد من المدن خطوط إنتاج من شركة روزماونت الأمريكية، لإنتاج نماذج مختلفة لـ الضغط التفاضلي ، وقياس الضغط النسبي ، وقياس الضغط المطلق . تتضمن بعض الوحدات أيضًا استخراج الجذر التربيعي لقياس التدفق ، إلى جانب إصدارات مصممة لتطبيقات الضغط الساكن العالي والضغط التفاضلي الصغير .

استكشف مجموعة كاملة من أنواع أجهزة إرسال الضغط >>

مبدأ عمل وبنية أجهزة إرسال الضغط التفاضلي السعوية

يتكون جهاز إرسال الضغط التفاضلي السعوي عادةً من وحدتين رئيسيتين: قسم القياس وقسم التحويل/التضخيم ، كما هو موضح في الشكل 1 .

الشكل 1: مخطط دائرة جهاز إرسال الضغط التفاضلي السعوي

1- مذبذب 2- مستشعر سعوي 3- مزيل التضمين 4- ضبط النطاق 5- محدد التيار
6- مضخم طاقة 7- مضخم عمليات 8- ضبط الصفر وهجرة الصفر
9- مضخم التحكم في التذبذب 10- مصدر جهد مرجعي 11- منظم الجهد 12- حماية من عكس القطبية

يحوّل المستشعر السعوي فرق الضغط المقاس (ΔP) إلى تغير في السعة. المكثفات ذات فرق الضغط العالي والمنخفض، C _ح و ج _ل يتم تحفيزها بواسطة مذبذب عالي التردد . يتم فك تشفير تغيرات التيار الناتجة لإنتاج إشارات تفاضلية ( i _ل - i _ح ) وإشارات الوضع المشترك ( i _ل +i _ح ).
تتم مقارنة الإشارة التفاضلية بإشارة التغذية الراجعة ( I). _و ثم يتم تضخيم الإشارة وتحويلها إلى خرج تيار مستمر 4-20 مللي أمبير . يمر تيار الخرج هذا عبر مقاومة الحمل وشبكة التغذية الراجعة، مما يحافظ على علاقة خطية بين الإشارة التفاضلية وتيار الخرج.

يتكون المستشعر السعوي من لوحة قطب كهربائي ثابتة وغشاء قياس متحرك، مما يشكل مكثفين ( C). _ح و ج _ل تتصل هذه المكونات بحجرتي الضغط العالي والمنخفض. عند تطبيق فرق الضغط، ينحرف الغشاء، مما يؤدي إلى تغيير السعات. يقوم المذبذب عالي التردد (عادةً 32 كيلوهرتز) بتحويل هذه التغيرات في السعة إلى تغيرات في التيار، والتي يتم تضخيمها وتقويمها لتوليد إشارة تيار مستمر تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير، تتناسب مع فرق الضغط المطبق ΔP.

عند استخدام جهاز الإرسال لقياس التدفق - كما هو الحال مع لوحات الفتحات، أو أنابيب فنتوري، أو الفوهات - تُمرر الإشارة عبر مُستخلص الجذر التربيعي للحصول على علاقة خطية مع معدل التدفق. يعمل الجهاز بنظام سلكين بجهد 24 فولت تيار مستمر ، ويدعم جهد تغذية يتراوح بين 12 و45 فولت تيار مستمر ، ومقاومات حمل تصل إلى 600 أوم .

يظهر مستشعر الضغط التفاضلي السعوي ذو الحجرتين في الشكل 2 .

الشكل 2: بنية الحجرتين لمستشعر الضغط التفاضلي السعوي

1، 4 - غشاء عازل ذو نمط موجي؛ 2، 3 - قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ 5 - طبقة زجاجية؛ 6 - غشاء معدني؛ 7 - غشاء قياس

في هذا التصميم، تعمل الأغشية المعدنية (6) كأقطاب كهربائية ثابتة، بينما يعمل غشاء القياس (7) كقطب كهربائي متحرك. يشكل جانبا الغشاء حجرتين منفصلتين مملوءتين بزيت السيليكون . ينقل هذا السائل غير القابل للانضغاط فرق الضغط Δp = p_H − p_L إلى سطحي الغشاء.

عندما يكون Δp = 0، فإن السعات على كلا الجانبين ( C) _ح و ج _ل تكون قيمتا Δp و C متساويتين. عندما Δp ≠ 0، ينحرف الحجاب الحاجز نحو جانب الضغط المنخفض، مما يجعل C _ل > ج _ح .
يؤدي استخدام السعة التفاضلية إلى تقليل الأخطاء الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة في ثابت العزل الكهربائي، وبالتالي تحسين الحساسية والدقة والخطية - وهي عوامل مهمة في التحكم في العمليات الصناعية وقياس الضغط .

العلاقة بين الضغط التفاضلي والسعة الكهربائية

عندما يكون Δp ≠ 0، يتم توضيح تغير السعة في الشكل 3 .

الشكل 3: تغيرات السعة على كلا الجانبين عند وجود فرق في الضغط

المعادلات:

بالنسبة للحجاب الحاجز ذي التوتر الأولي، يكون الانحراف متناسبًا مع فرق الضغط:

هنا، K₁ ثابت هيكلي يعتمد على انحناء الغشاء، والمسافة بين الأقطاب الكهربائية، والشد الميكانيكي. تضمن هذه العلاقة أن يكون تيار الخرج متناسبًا طرديًا مع فرق الضغط المطبق، مما يوفر دقة قياس ممتازة.

دائرة مذبذب عالي التردد

يحوّل مستشعر الضغط السعوي فرق الضغط إلى تغير متناسب في السعة. ويتطلب قياس هذه السعة إثارة تيار متردد عالي التردد ، عادةً حوالي 32 كيلوهرتز .

الشكل 4: دائرة المذبذب، الشكل 5: مصدر طاقة المذبذب

دائرة المذبذب (الشكل 4)

تتألف الدائرة من ملفات (الأطراف 6 و8 و5 و7) ومكثف C₂₀ تُشكل حلقة رنين متصلة بترانزستور VT₁. يُحدد المقاوم R₂₉ نقطة التشغيل الثابتة. ويُحدد التردد بواسطة المحاثة L والسعة C.

مصدر طاقة المذبذب (الشكل 5)

بما أن قياس السعة يعتمد على جهد التيار المتردد، يجب أن يظل جهد المذبذب مستقرًا . تعمل حلقة التحكم ذات التغذية الراجعة السالبة على تثبيت الجهد تلقائيًا مع ضمان سعة بدء كافية.

توليد التيار السعوي وتثبيته

كما هو موضح في الشكل 6 ، تحافظ دائرة توليد التيار السعوي وشبكة تشكيل الجهد على إثارة ثابتة.

الشكل 6: دائرة توليد التيار السعوي والجهد U 2 دائرة التكوين

عندما يكون Δp ≠ 0، تنخفض C_H وتزداد C_L، ويتم التعبير عن التيار الكلي المار عبر كليهما على النحو التالي:

تضمن التغذية الراجعة التلقائية أنني _ل + أنا _ح = K₂ (ثابت)، مما يحافظ على استقرار الجهد وحساسية متسقة.

خصائص الإخراج وخطية الإشارة

في دائرة توليد التيار السعوي:

استبدال العلاقات السابقة:

إجمالي تيار الخرج:

وبالتالي، فإن إشارة الخرج 4-20 مللي أمبير لجهاز إرسال الضغط التفاضلي السعوي تتناسب طرديًا مع الضغط التفاضلي المطبق.
يوفر الجهاز أيضًا إمكانية ضبط الصفر ، ومعايرة النطاق ، والحماية من عكس القطبية ، مما يضمن التشغيل المستقر والآمن في أنظمة قياس الضغط الصناعية .

مثال: جهاز إرسال الضغط التفاضلي السعوي من سلسلة SH

 

سلسلة SH أجهزة إرسال الضغط تُنتج شركة silverinstrumens.com أجهزة إرسال ضغط ثنائية الأسلاك 4-20 مللي أمبير تُستخدم على نطاق واسع، وهي مصممة للبيئات الآمنة بطبيعتها والمقاومة للانفجار .

المواصفات الرئيسية

1. الدقة: 0.2% من النطاق الكامل
2. الخطية: ±0.1% من النطاق المعاير
3. التخلف: ≤ ±0.05% من النطاق
4. الاستقرار: ±0.2% من القيمة الكاملة خلال 6 أشهر
5. نطاق درجة الحرارة:
   • عنصر القياس: من -40 درجة مئوية إلى +104 درجة مئوية
   • دائرة مكبر الصوت: من -29 درجة مئوية إلى +93 درجة مئوية
6. جهد التغذية: 12-55 فولت تيار مستمر
   • مقاومة الحمل: تصل إلى 1500 أوم (انظر الشكل 6-19)

الشكل 7: العلاقة بين جهد مصدر الطاقة ومقاومة الحمل

عندما يتذبذب جهد الإمداد بمقدار ±1 فولت، يظل تغير تيار الخرج أقل من 0.005%، مما يضمن استقرار الإشارة ودقة عالية .

تصميم الدائرة الكهربائية لطراز سلسلة SH

يوضح الشكل 8 الدائرة الكهربائية الكاملة لجهاز إرسال الضغط التفاضلي SHGP/SHDP

الشكل 8: تصميم دائرة جهاز إرسال الضغط السعوي/DP من سلسلة SH

المكونات والوظائف الرئيسية:

• R₃₂ : ضبط المدى
• R₃₅ : لا يوجد تعديل
• R₁₂ : التحكم في التخميد
• R₄₁ : ضبط النطاق التقريبي
• R₂₄ : معايرة الخطية
• VD₁₄ : حماية من عكس قطبية الطاقة
• VT₂ : تحديد التيار
• EZ، R₂₁ : الهجرة الصفرية السالبة
• SZ، R₂₀ : هجرة صفرية موجبة
• R₂₆–R₂₈، R₁–R₄ : شبكة تعويض درجة الحرارة

تضمن هذه العناصر أداءً دقيقًا ومستقرًا في ظل ظروف صناعية متنوعة، مما يجعل سلسلة SHGP/SHDP واحدة من أكثر أجهزة إرسال الضغط التفاضلي السعوي موثوقية للتحكم في العمليات والأجهزة في جميع أنحاء العالم.