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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar