Prinsip Kerja Differensial Pressure transmitter

Umumnya desain sensor tekanan listrik umum bekerja pada prinsip kapasitansi diferensial. Dalam desain ini, elemen penginderaan(sensor) adalah diafragma logam kencang yang terletak berjarak sama antara dua permukaan logam stasioner, terdiri dari tiga pelat untuk sepasang kapasitor komplementer. Cairan pengisi yang mengisolasi secara elektrik (biasanya berupa senyawa silikon cair) mentransferkan gerakan dari diafragma pengisolasi ke sensor diafragma, dan juga berfungsi ganda sebagai dielektrik yang efektif untuk dua kapasitor :

Setiap perbedaan tekanan di cell dapat menyebabkan diafragma melentur ke arah tekanan paling rendah. Sensor Diafragma adalah precision-manufactured spring element, yang berarti bahwa perpindahannya adalah fungsi yang dapat diprediksi dari gaya yang diterapkan. Gaya yang diterapkan dalam hal ini hanya dapat menjadi fungsi dari tekanan diferensial yang bekerja melawan luas permukaan diafragma sesuai dengan persamaan tekanan-tekanan-bidang standar F = PA.

Dalam hal ini, kita memiliki dua kekuatan yang disebabkan oleh dua tekanan fluida yang bekerja melawan satu sama lain, sehingga persamaan force-pressure-area dapat kita tulis ulang untuk menggambarkan gaya resultannya sebagai fungsi dari tekanan diferensial (P1 - P2) dan area diafragma: F = (P1 - P2) A. Karena daerah diafragma adalah konstan, dan gaya diduga terkait dengan perpindahan diafragma, semua yang kita butuhkan sekarang untuk menyimpulkan tekanan diferensial adalah secara akurat mengukur perpindahan diafragma.

Fungsi sekunder diafragma sebagai satu piring dari dua kapasitor menyediakan metode yang nyaman untuk mengukur perpindahan. Karena kapasitansi antar konduktor berbanding terbalik dengan jarak yang memisahkannya, kapasitansi pada sisi tekanan rendah akan meningkat sementara kapasitansi pada sisi tekanan tinggi akan berkurang:

Sebuah rangkaian detektor kapasitansi yang terhubung ke cell ini menggunakan sinyal eksitasi AC frekuensi tinggi untuk mengukur perbedaan dalam kapasitansi antara dua bagian, menerjemahkannya ke dalam sinyal DC yang akhirnya menjadi output sinyal oleh instrument yang mewakili tekanan.

Sensor tekanan ini sangat akurat, stabil, dan kasar. Fitur yang menarik dari desain ini - menggunakan dua diafragma isolasi untuk mentransfer tekanan cairan proses ke sensor diafragma tunggal melalui internal "mengisi cairan" - adalah bahwa bingkai padat membatasi gerak dari dua diafragma mengisolasi sedemikian rupa sehingga tidak ada yang mampu memaksa. diafragma penginderaan melewati batas elastisnya.

Seperti yang ditunjukkan ilustrasi, diafragma pengisolasi tekanan tinggi terdorong ke arah bingkai logam, mentransfer gerakannya ke diafragma penginderaan melalui cairan pengisi. Jika terlalu banyak tekanan diterapkan ke sisi itu, maka diafragma yang mengisolasi hanya akan "meratakan" pada kerangka solid kapsul dan berhenti bergerak. Ini secara positif membatasi gerakan diafragma dan  mengisolasinya sehinga tidak mungkin mengerahkan kekuatan lebih kepada sensor diafragma, bahkan jika tekanan cairan proses tambahan diterapkan. Penggunaan diafragma mengisolasi dan mengisi cairan untuk mentransfer gerakan ke sensor diafragma, digunakan dalam gaya lain dari sensor tekanan diferensial juga, memberikan instrumen tekanan diferensial modern dengan ketahanan yang sangat baik terhadap kerusakan tekanan berlebih.

Perlu dicatat bahwa penggunaan cairan pengisi cairan adalah kunci untuk desain tahan terhadap tekanan tinggi ini. Agar sensor diafragma dapat secara akurat menerjemahkan tekanan yang diterapkan ke dalam kapasitansi proporsional, maka dari itu tidak boleh menghubungi bingkai logam konduktif di sekitarnya. Agar setiap diafragma terlindung dari tekanan berlebih, bagaimanapun, ia harus menghubungi backstop yang solid untuk membatasi perjalanan lebih lanjut. Dengan demikian, kebutuhan untuk non-kontak (kapasitansi) dan untuk kontak (perlindungan overpressure) adalah saling eksklusif, sehingga hampir tidak mungkin untuk melakukan kedua fungsi dengan diafragma penginderaan tunggal. Menggunakan mengisi cairan untuk mentransfer tekanan dari mengisolasi diafragma ke sensing diafragma memungkinkan kita untuk memisahkan fungsi pengukuran kapasitif (penginderaan diafragma) dari fungsi perlindungan overpressure (diafragma isolasi) sehingga setiap diafragma dapat dioptimalkan untuk tujuan yang terpisah.

Contoh klasik dari instrumen tekanan berdasarkan pada sensor kapasitansi diferensial adalah pemancar tekanan diferensial Rosemount model 1151, ditunjukkan dalam bentuk rakitan dalam foto berikut:

Dengan melepas empat baut dari pemancar, kita dapat menghapus dua flensa dari kapsul tekanan, mengekspos diafragma isolasi ke tampilan polos:

Foto close-up menunjukkan konstruksi dari salah satu diafragma yang terisolasi, yang tidak seperti sensor diafragma yang dirancang untuk menjadi sangat fleksibel. Kerutan konsentris dalam logam diafragma memungkinkan untuk dengan mudah melenturkan dengan tekanan yang diberikan, memancarkan proses tekanan cairan melalui cairan pengisian silikon ke sensor diafragma yang kencang di dalam sel kapasitansi diferensial:

Bagian dalam sensor diferensial kapasitansi yang sama (diungkapkan dengan memotong sensor 1151 model Rosemount menjadi dua dengan menggunakan gergaji untuk memotongnya) gambar diatas menunjukkan diafragma pengisolir, sensor diafragma, dan port yang menghubungkannya bersama:

Di sini, diafragma mengisolasi sisi sebelah kiri lebih jelas untuk dilihat dari pada diafragma isolasi sisi sebelah kanan. Sebuah fitur yang jelas terlihat dalam foto diatas adalah jarak yang kecil antara diafragma isolasi sisi kiri dan kerangka logam internal, versus ruang yang luas di mana sensor diafragma berada.

Perlu diketahui bahwa ruang-ruang internal ini biasanya ditempati oleh cairan pengisi, tujuannya adalah untuk mentransfer tekanan dari diafragma isolasi ke sensor diafragma. Seperti yang disebutkan sebelumnya, kerangka logam padat membatasi pergerakkan setiap diafragma dan mengisolasi sedemikian rupa sehingga tekanan yang lebih tinggi mengisolasi diafragma "bottoms out" pada bingkai logam sebelum sensor diafragma dapat didorong melewati batas elastisnya. Dengan cara ini, sensor diafragma dilindungi terhadap kerusakan akibat overpressure karena isolasi diafragma tidak diperbolehkan untuk bergerak lebih jauh.

Sensor kapasitansi diferensial berkaitan dengan mengukur perbedaan tekanan yang diterapkan antara kedua sisinya. Sesuai dengan fungsi ini, instrumen tekanan ini memiliki dua port berulir di mana tekanan fluida dapat diterapkan. Bagian selanjutnya dalam bab ini akan menguraikan kegunaan pemancar tekanan diferensial. Semua sirkuit elektronik yang diperlukan untuk mengubah kapasitansi diferensial sensor menjadi sinyal elektronik yang mewakili tekanan dan ditempatkan dalam struktur berwarna biru di atas kapsul dan flensa. Realisasi yang lebih modern dari prinsip tekanan-sensing diferensial kapasitansi adalah pemancar tekanan diferensial Rosemount model 3051:

Seperti halnya dengan semua perangkat tekanan diferensial, instrumen ini memiliki dua port yang mana melalui tekanan fluida dapat diterapkan ke sensor. Sensor, pada gilirannya, hanya menanggapi perbedaan tekanan antara port.

Konstruksi sensor kapasitansi diferensial lebih kompleks dalam bagian yang khususnya dalam hal ini pressure instrument, dengan bidang sensor diafragma tegak lurus terhadap bidang dari dua isolasi diafragma. Desain "coplanar" ini lebih kompak dari pada gaya sensor yang lebih lama, dan lebih penting lagi mengisolasi sensor diafragma dari tekanan baut flange.

Perhatikan secara khusus bagaimana perakitan sensor tidak tertanam dalam bingkai logam padat seperti halnya dengan desain Rosemount asli. Sebaliknya, perakitan sensor relatif terisolasi dari frame, hanya dihubungkan oleh dua tabung kapiler bergabung dengan isolasi dari diafragma. Dengan cara ini, tekanan di dalam bingkai logam yang diberikan oleh baut flens hampir tidak berpengaruh pada sensor.

Model cutaway model Rosemount 3051S ("supermodule") DP transmitter menunjukkan bagaimana semua ini terlihat dalam kehidupan nyata:

Proses tekanan cairan yang diterapkan pada isolasi diafragma(s) untuk mentransfer mengisi cairan di dalam tabung kapiler, membawa tekanan ke diafragma di dalam sensor kapasitansi diferensial. Seperti desain Rosemount model 1151 klasik, kami melihat cairan mengisi dan melakukan beberapa fungsi:

Cairan pengisi melindungi sensor diafragma dengan halus dari kontak dari cairan  proses yang kotor atau korosif

Cairan pengisi memungkinkan isolasi diafragma untuk memberikan perlindungan dari tekanan berlebih untuk meindungi senosor diafragma

Cairan pengisi menyediakan media permitivitas konstan untuk rangkaian kapasitansi diferensial function

Seri "supermodule" pemancar tekanan Rosemount berbagi desain coplanar yang sama seperti model 3051 sebelumnya, tetapi menambahkan fitur desain baru: penyertaan elektronik dalam modul baja-baja daripada rumah bagian atas yang dicat biru. Fitur ini memungkinkan ukuran pemancar dikurangi secara signifikan jika diperlukan untuk aplikasi dengan ruang terbatas.