Memahami Pemancar Tekanan Diferensial Kapasitif dalam Otomasi Industri

Transmiter tekanan diferensial kapasitif merupakan perangkat penting dalam instrumentasi industri modern dan otomatisasi proses . Perangkat ini menggunakan teknologi penginderaan kapasitif canggih untuk mengukur tekanan diferensial, tekanan relatif, dan tekanan absolut dengan presisi tinggi dan stabilitas jangka panjang. Tidak seperti sensor tekanan mekanis tradisional, transmitter ini tidak memiliki mekanisme transmisi mekanis yang bergerak , sehingga membuatnya ringkas, tahan lama, dan sangat tahan terhadap getaran. Penyesuaian nol dan rentang yang independen memastikan akurasi tanpa interferensi timbal balik, yang berkontribusi pada penggunaannya yang luas di berbagai industri.

Di Tiongkok, banyak kota telah memperkenalkan lini produksi dari perusahaan Amerika Rosemount , yang memproduksi berbagai model untuk Tekanan diferensial , tekanan relatif , dan pengukuran tekanan absolut . Beberapa unit juga menyertakan ekstraksi akar kuadrat untuk pengukuran aliran , bersama dengan versi yang dirancang untuk aplikasi tekanan statis tinggi dan tekanan diferensial mikro .

Jelajahi berbagai pilihan lengkap Jenis-jenis pemancar tekanan >>

Prinsip Kerja dan Konstruksi Pemancar Tekanan Diferensial Kapasitif

Pemancar tekanan diferensial kapasitif biasanya terdiri dari dua unit utama: bagian pengukuran dan bagian konversi/penguatan , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 .

Gambar 1: Diagram Rangkaian Pemancar Tekanan Diferensial Kapasitif

1—Osilator 2—Sensor kapasitif 3—Demodulator 4—Pengaturan rentang 5—Pembatas arus
6—Penguat daya 7—Penguat operasional 8—Penyesuaian nol dan migrasi nol
9—Penguat kontrol osilasi 10—Sumber tegangan referensi 11—Regulator tegangan 12—Perlindungan pembalikan polaritas

Sensor kapasitif mengubah tekanan diferensial terukur (ΔP) menjadi perubahan kapasitansi. Kapasitor diferensial tinggi dan rendah, C _H dan C _L , dirangsang oleh osilator frekuensi tinggi . Variasi arus yang dihasilkan didemodulasi untuk menghasilkan sinyal diferensial ( i _L − i _H ) dan sinyal common-mode ( i _L + saya _H ).
Sinyal diferensial dibandingkan dengan sinyal umpan balik ( I). _F ), kemudian diperkuat dan diubah menjadi keluaran DC 4-20mA . Arus keluaran ini mengalir melalui resistansi beban dan jaringan umpan balik, menjaga hubungan linier antara sinyal diferensial dan arus keluaran.

Sensor kapasitif terdiri dari pelat elektroda tetap dan diafragma pengukur yang dapat digerakkan, membentuk dua kapasitor ( C). _H dan C _L ) terhubung ke ruang tekanan tinggi dan tekanan rendah. Ketika tekanan diferensial diterapkan, diafragma akan melentur, mengubah kapasitansi. Osilator frekuensi tinggi (biasanya 32 kHz) mengubah perubahan kapasitansi ini menjadi variasi arus, yang kemudian diperkuat dan diperbaiki untuk menghasilkan sinyal DC 4-20 mA yang proporsional dengan tekanan diferensial ΔP yang diterapkan.

Saat pemancar digunakan untuk pengukuran aliran —seperti pada pelat lubang, tabung venturi, atau nosel —sinyal dilewatkan melalui ekstraktor akar kuadrat untuk mendapatkan hubungan linier dengan laju aliran. Perangkat ini beroperasi pada sistem dua kawat 24 V DC , mendukung tegangan suplai dari 12–45 V DC dan resistansi beban hingga 600 Ω .

Sensor tekanan diferensial kapasitif dua ruang ditunjukkan pada Gambar 2 .

Gambar 2: Struktur dua ruang dari sensor tekanan diferensial kapasitif

1, 4—Diafragma isolasi berpola gelombang; 2, 3—Dasar baja tahan karat; 5—Lapisan kaca; 6—Film logam; 7—Diafragma pengukur

Dalam struktur ini, film logam (6) bertindak sebagai elektroda tetap, sedangkan diafragma pengukur (7) berfungsi sebagai elektroda bergerak. Kedua sisi diafragma membentuk dua ruang terpisah yang diisi dengan minyak silikon . Fluida yang tidak dapat dikompresi mentransmisikan tekanan diferensial Δp = p_H − p_L ke permukaan diafragma.

Ketika Δp = 0, kapasitansi di kedua sisi ( C _H dan C _L ) sama. Ketika Δp ≠ 0, diafragma berbelok ke arah sisi tekanan rendah, sehingga C _L > C _H .
Penggunaan kapasitansi diferensial mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh variasi suhu pada konstanta dielektrik, sehingga meningkatkan sensitivitas, akurasi, dan linearitas —faktor-faktor penting dalam pengendalian proses industri dan pengukuran tekanan .

Hubungan antara Tekanan Diferensial dan Kapasitansi

Ketika Δp ≠ 0, variasi kapasitansi diilustrasikan pada Gambar 3 .

Gambar 3: Perubahan Kapasitansi di Kedua Sisi Ketika Terdapat Tekanan Diferensial

Persamaan:

Untuk diafragma dengan tegangan awal, defleksi berbanding lurus dengan perbedaan tekanan:

Di sini, K₁ adalah konstanta struktural yang bergantung pada kelengkungan diafragma, jarak antar elektroda, dan tegangan mekanis. Hubungan ini memastikan bahwa arus keluaran berbanding lurus dengan tekanan diferensial yang diterapkan, sehingga memberikan akurasi pengukuran yang sangat baik.

Rangkaian Osilator Frekuensi Tinggi

Sensor tekanan kapasitif mengubah perbedaan tekanan menjadi perubahan kapasitansi yang proporsional. Pengukuran kapasitansi ini membutuhkan eksitasi AC frekuensi tinggi , biasanya sekitar 32 kHz .

Gambar 4: Rangkaian Osilator Gambar 5: Catu Daya Osilator

Rangkaian Osilator (Gambar 4)

Rangkaian ini terdiri dari kumparan (terminal 6, 8 dan 5, 7) dan kapasitor C₂₀ yang membentuk loop resonansi yang terhubung ke transistor VT₁. Resistor bias R₂₉ menentukan titik operasi statis. Frekuensi ditentukan oleh induktansi L dan kapasitansi C.

Catu Daya Osilator (Gambar 5)

Karena pengukuran kapasitansi bergantung pada tegangan AC, tegangan osilator harus tetap stabil . Sebuah loop kontrol umpan balik negatif secara otomatis menstabilkan tegangan sambil memastikan amplitudo awal yang cukup.

Pembangkitan dan Stabilisasi Arus Kapasitif

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 , rangkaian pembangkit arus kapasitif dan jaringan pembentukan tegangan mempertahankan eksitasi konstan.

Gambar 6: Rangkaian Pembangkit Arus Kapasitif dan Tegangan U ₂ Sirkuit Formasi

Ketika Δp ≠ 0, C_H menurun dan C_L meningkat, dan arus total melalui keduanya dinyatakan sebagai:

Umpan balik otomatis memastikan bahwa saya _L + Saya _H = K₂ (suatu konstanta), menjaga stabilitas tegangan dan sensitivitas yang konsisten.

Karakteristik Keluaran dan Linearisasi Sinyal

Pada rangkaian pembangkit arus kapasitif:

Menggantikan hubungan sebelumnya:

Arus keluaran total:

Dengan demikian, sinyal keluaran 4-20 mA dari pemancar tekanan diferensial kapasitif berbanding lurus dengan tekanan diferensial yang diterapkan.
Perangkat ini juga menyediakan penyesuaian nol , kalibrasi rentang , dan perlindungan polaritas terbalik , memastikan pengoperasian yang stabil dan aman dalam sistem pengukuran tekanan industri .

Contoh: Pemancar Tekanan Diferensial Kapasitif Seri SH

 

Seri SH pemancar tekanan Transmiter tekanan dua kabel 4-20 mA yang diproduksi oleh silverinstrumens.com banyak digunakan, dirancang untuk lingkungan yang aman secara intrinsik dan tahan ledakan .

Spesifikasi Utama

1. Akurasi: 0,2 % FS
2. Linearitas: ±0,1 % dari rentang kalibrasi
3. Histeresis: ≤ ±0,05 % dari rentang
4. Stabilitas: ±0,2 % FS dalam 6 bulan
5. Kisaran suhu:
   • Elemen pengukuran: −40 °C ~ +104 °C
   • Rangkaian penguat: −29 °C ~ +93 °C
6. Tegangan suplai: 12–55 V DC
   • Resistansi beban: hingga 1500 Ω (lihat Gambar 6-19)

Gambar 7: Hubungan antara Tegangan Catu Daya dan Resistansi Beban

Ketika tegangan suplai berfluktuasi sebesar ±1 V, variasi arus keluaran tetap di bawah 0,005 %, sehingga menjamin stabilitas sinyal dan akurasi tinggi .

Desain Sirkuit Model Seri SH

Rangkaian keseluruhan pemancar tekanan diferensial SHGP/SHDP ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8: Desain Sirkuit Pemancar Tekanan Kapasitif/DP Model Seri SH

Komponen dan Fungsi Utama:

• R₃₂ : penyesuaian rentang
• R₃₅ : penyesuaian nol
• R₁₂ : kontrol peredaman
• R₄₁ : penyesuaian rentang kasar
• R₂₄ : kalibrasi linearitas
• VD₁₄ : perlindungan polaritas daya
• VT₂ : pembatas arus
• EZ, R₂₁ : migrasi nol negatif
• SZ, R₂₀ : migrasi nol positif
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : jaringan kompensasi suhu

Elemen-elemen ini memastikan kinerja yang presisi dan stabil di berbagai kondisi industri, menjadikan Seri SHGP/SHDP sebagai salah satu pemancar tekanan diferensial kapasitif yang paling andal untuk kontrol proses dan instrumentasi di seluruh dunia.