Якщо ви хоч раз спілкувалися з промисловими приладами, ви майже напевно чули, як люди міняють місцями «перетворювач» і «передавач». Нові технічні спеціалісти змішують їх, відділи закупівель просять одне, маючи на увазі інше, і навіть деякі каталоги продуктів використовують ці терміни як синоніми. Ця плутанина спричиняє реальні проблеми на сайті - Я бачив затримки проектів і повернення поставок просто тому, що ніхто не зупинився, щоб уточнити, що саме робить кожен пристрій і як вони працюють разом.
Правда в тому, що це не одне й те саме. Перетворювач і передавач працюють як пара, ікожен датчик тискупокладається на обидві частини, щоб зняти показники фізичного тиску та надіслати їх через установку до системи керування.
У цьому посібнику пояснюється основна різниця між ними, крок за кроком описано, як працює типовий датчик тиску, пояснено три найпоширеніші типи вимірювання тиску та охоплено стандартні вихідні сигнали, які ви побачите на кожному технологічному підприємстві. Зрештою ви зможете відрізнити їх, зрозуміти, що відбувається всередині корпусу передавача, і приймати кращі рішення щодо розмірів для власних застосувань.
Передавач проти перетворювача: у чому фактична різниця?
Найпростіший спосіб тримати їх прямо: датчик відчуває тиск, а передавач надсилає сигнал. Це дві окремі функції, які часто упаковані разом в одному пристрої -, тому так багато людей плутають терміни.
Що робить перетворювач
Перетворювач - це пристрій, який перетворює одну форму енергії в іншу. Під час вимірювання тиску він використовує фізичну механічну силу від тиску рідини чи газу та перетворює її на крихітний слабкий електричний сигнал.
Цей необроблений електричний вихід дуже малий - зазвичай у мілівольтах - і не стандартизований. Він відрізняється від конструкції датчика до іншого, і він занадто слабкий, щоб подолати більш ніж коротку відстань, не вловлюючи шуму та не втрачаючи точності. Сам по собі необроблений сигнал перетворювача не корисний для надсилання на ПЛК або РСУ з іншого боку об’єкта.
Перетворювачі бувають різних сенсорних технологій: тензодатчики, ємнісні, п’єзоелектричні, потенціометричні та інші. Який із них використовувати, залежить від діапазону тиску, типу середовища, температури та вимог до точності застосування.
Що робить передавач
Передавач приймає слабкий, не-стандартний електричний сигнал від перетворювача, підсилює та перетворює його на стандартизований галузевий вихідний сигнал, який надійно поширюється на великі відстані.
Робота передавача полягає в тому, щоб перетворити крихітний змінний сигнал у постійний, загальновизнаний діапазон - найчастіше 4–20 мА для контурів струму або 1–5 В для виходів напруги -, де нижня межа діапазону дорівнює 0% виміряного тиску, а верхня – 100%. Цей стандартизований сигнал може проходити сотні метрів через електропроводку підприємства без втрати точності, і кожна система керування у світі знає, як його інтерпретувати.
Чому терміни так часто плутають
Майже всі сучасні перетворювачі тиску, що продаються сьогодні, містять як чутливий елемент перетворювача, так і схему передавача в одному корпусі. Для більшості польових інструментів ви не купуєте їх окремо - ви купуєте повну збірку.
Згодом промисловість почала називати весь підрозділ будь-яким іменем. Деякі постачальники називають це перетворювачем тиску, інші – перетворювачем тиску, а для більшості--стандартних польових пристроїв обидві назви стосуються одного повного продукту. Ця відмінність має значення лише тоді, коли ви ремонтуєте внутрішні компоненти, підбираєте необроблені датчики для індивідуальних збірок або порівнюєте частини-рівня компонентів.
Як насправді працює датчик тиску (крок за кроком)
Усередині кожного промислового перетворювача тиску є три основних етапи: розділювальна діафрагма, чутливий перетворювач і ланцюг сигналу передавача. Ось що відбувається на кожному етапі, коли ви застосовуєте технологічний тиск.
Етап 1: Вимірювальна діафрагма встановлює перший контакт
Технологічна рідина або газ ніколи не торкаються делікатного чутливого елемента безпосередньо. Спочатку він притискається до тонкої, надійної вимірювальної діафрагми, привареної або закріпленої на передавальній поверхні передавача.
Ця діафрагма виготовлена з нержавіючої сталі, хастелоя або іншого стійкого до корозії-матеріалу, що відповідає технологічному середовищу. Він дуже злегка згинається під тиском і передає цю силу через рідину, що наповнює (зазвичай силіконову олію або іншу інертну рідину), на фактичний елемент датчика з іншого боку.
Це розділення служить двом важливим цілям:
- Він захищає крихкий чутливий матеріал від корозійних, абразивних або брудних технологічних середовищ
- Це дозволяє відкалібрувати датчик і запечатати його на заводі, тому він залишається точним роками в суворих польових умовах
Етап 2: перетворювач перетворює силу в електричний сигнал
За наповнювальною рідиною розташований датчик - фактичного датчика тиску. У промислових процесах найбільш поширені три технології:
Тензодатчикиє найбільш широко використовуваними. Зразок крихітних-резисторів, чутливих до деформації, приєднаний до жорсткої діафрагми. Коли тиск відхиляє діафрагму, резистори розтягуються або стискаються, змінюючи свій електричний опір. Ця зміна дуже мала й вимірюється за допомогою мостової схеми Уїтстона, що створює вихідний рівень у мілівольтах-, пропорційний тиску.
Ємнісні датчикивикористовуйте дві паралельні металеві пластини, одну нерухому, а іншу прикріплену до гнучкої діафрагми. Під час тиску на діафрагму змінюється зазор між пластинами, що змінює електричну ємність. Ця конструкція дуже стабільна при дуже низьких діапазонах тиску та добре працює при значних коливаннях температури.
П'єзоелектричні датчикигенерують невелику напругу безпосередньо, коли кристалічний матеріал піддається механічній напрузі. Вони відмінно підходять для вимірювання швидких стрибків тиску та динамічних змін тиску, але менш поширені для вимірювання тиску в стаціонарному-стані.
У кожному разі кінцевий результат однаковий: дуже малий електричний сигнал, який змінюється зі зміною тиску. Сам по собі цей сигнал надто слабкий і надто легко спотворюється, щоб передавати його через рослину.
Етап 3: Схема передавача створює стандартний вихід
Необроблений сигнал перетворювача надходить на електронну плату передавача. Ця дошка виконує три ключові речі:
1. Формування сигналу: фільтрує електричний шум, компенсує дрейф температури та лінеаризує вихід, щоб сигнал рівномірно відповідав тиску в усьому діапазоні.
2.Посилення: Підсилює крихітний сигнал у мілівольтах до потужного, придатного для використання рівня.
3.Стандартизація: він перетворює сигнал на загальновизнаний вихідний діапазон - майже завжди 4–20 мА для дво-промислових установок або 1–5 В для використання в шафі на меншій відстані.
Остаточний стандартизований сигнал надходить через термінали передавача до системи керування, де ПЛК або РСУ зчитує значення струму або напруги та повертає його на фактичне значення тиску.
3 типові типи вимірювання тиску
Датчики тиску не всі вимірюють тиск однаково. Те, що вони називають своєю «нульовою точкою», змінює те, як слід інтерпретувати прочитане. Є три основні типи, і неправильний вибір є дуже поширеною помилкою при виборі розміру.
Манометричний тиск
Манометричний тиск є найпоширенішим типом, який використовується в технологічних установках. Він вимірює тиск відносно поточного атмосферного тиску.
Коли датчик манометричного тиску показує 0, це означає, що внутрішній тиск дорівнює зовнішньому тиску навколишнього повітря. Показання зазвичай позначаються суфіксом (g), наприклад psi(g) або bar(g).
Манометричний тиск використовується для більшості загальних вимірювань тиску в резервуарах, тиску в лінії та випуску насоса. Якщо у вас немає конкретної причини вимірювати абсолютний або диференціальний тиск, вам майже напевно потрібен манометричний тиск.
Абсолютний тиск
Абсолютний тиск вимірюється відносно ідеального вакууму - 0 psi(a)=загального вакууму. Він включає атмосферний тиск як частину читання.
На рівні моря нормальний атмосферний тиск становить приблизно 14,7 psi(a). Це означає, що резервуар, відкритий для атмосфери, показуватиме 14,7 psi (a) на датчику абсолютного тиску та 0 psi (g) на датчику манометричного тиску.
Абсолютний тиск використовується для вакуумних процесів, герметичних газових систем, вимірювань тиску пари та будь-яких застосувань, де вам потрібні показання незалежно від змін місцевого атмосферного тиску.
Перепад тиску
Передавачі диференціального тиску (DP) вимірюють різницю тиску між двома окремими вхідними портами. Вони не говорять вам про тиск у будь-якій точці - лише про те, наскільки одна сторона вища за іншу.
Це надзвичайно універсальний тип вимірювання. Передавачі диференціального тиску використовуються для:
- Вимірювання потоку через діафрагми, трубки Вентурі та проточні сопла
- Вимірювання рівня в резервуарах під тиском шляхом порівняння напірного тиску з тиском газової оболонки
- Виявлення засмічення фільтра та сітчастого фільтра шляхом вимірювання перепаду тиску
- Контроль перепаду тиску насоса
Датчик усередині працює так само, але він піддається тиску з обох боків чутливої діафрагми, а не лише з одного.
Стандартні вихідні сигнали: 4–20 мА проти . 1–5 В
Ви побачите два вихідних стандарти, які використовуються майже в усіх промислових перетворювачах тиску. Кожен має свій власний найкращий варіант використання.
4–20 мА струмова петля (найпоширеніший)
Сигнал 4–20 мА є робочою конячкою керування промисловим процесом. 4 мА відповідає 0% діапазону тиску, а 20 мА відповідає 100%.
Найбільшою перевагою сигналу струму є те, що він не погіршується під час довгих проводів, і він дуже стійкий до електричних перешкод від двигунів, частотно-частотних частот та іншого обладнання заводу. Він також підтримує роботу з двома-дротами, коли та сама пара проводів подає живлення на передавач і передає сигнал вимірювання.
«Живий нуль» 4 мА є навмисним: якщо сигнал падає до 0 мА, система керування негайно розпізнає це як обірваний дріт або несправний передавач, а не як нульове значення тиску. Це важлива функція безпеки та діагностики.
Вихідна напруга 1–5 В
Виходи напруги менш поширені в польових установках, але широко використовуються в шафах керування, випробувальних стендах і на коротких відстанях. 1 В=0% діапазон, 5 В=100% діапазон.
Сигнали напруги простіші та дешевші для коротких пробігів, але вони втрачають точність на великих відстанях через опір дроту, і вони набагато легше вловлюють електричні перешкоди. Вони також потребують окремої електропроводки. Для всього за межами контрольованого середовища 4–20 мА майже завжди є кращим вибором.
Швидкі поради щодо вибору та поширені помилки
Після роботи з цими інструментами на технологічних підприємствах я бачу кілька помилок, які повторюються частіше, ніж інші.
1. Не купуйте абсолютний тиск випадково. Якщо ви замовляєте датчик абсолютного значення для застосування стандартного манометричного тиску, усі ваші показники будуть відхилені приблизно на 14,7 фунтів на квадратний дюйм. Завжди двічі-перевіряйте тип посилання перед розміщенням замовлення.
2,4–20 мА не є застарілим. Навіть з усіма цифровими протоколами польової шини, доступними сьогодні, звичайний 4–20 мА все ще є найбільш універсально підтримуваним, найпростішим у вирішенні несправностей і найнадійнішим стандартом сигналу для базового вимірювання тиску.
3. Точність залежить не лише від датчика. Високоточний-датчик усе одно даватиме погані показання, якщо його неправильно встановлено, піддано екстремальним температурам, які не відповідають номінальним значенням, або підібрано до неправильного матеріалу діафрагми для робочого середовища.
Якщо ви підбираєте розмір датчика тиску для свого процесу та не впевнені, який тип тиску, вихідний сигнал або матеріал діафрагми підходить для вашого застосування, завжди варто спочатку підтвердити це у спеціаліста з приладів. Правильна специфікація на початковому етапі дозволяє уникнути тижневих затримок у термінах виконання та повернення пізніше.
Часті запитання
Датчик тиску – це те саме, що трансмітер?
Не точно. Перетворювач перетворює тиск у необроблений електричний сигнал. Передавач приймає цей необроблений сигнал і перетворює його на стандартизований вихід-дальнього діапазону. Більшість польових перетворювачів тиску, що продаються сьогодні, містять обидві частини в одному корпусі, тому ці терміни часто використовуються як синоніми.
Чому використовується 4–20 мА замість 0–20 мА?
Живий нуль на 4 мА служить двом цілям: живить передавач у дво-дротяній петлі та дозволяє системі керування визначити різницю між справжнім нульовим показником тиску та обірваним дротом або несправним передавачем. Якщо сигнал падає до 0 мА, це негайно розпізнається як несправність.
Які є три види вимірювання тиску?
Трьома основними типами є манометричний тиск (відносно атмосфери), абсолютний тиск (відносно вакууму) і диференціальний тиск (вимірювання різниці між двома точками).
Чи може перетворювач працювати без передавача?
Необроблений перетворювач вироблятиме електричний сигнал, але він буде дуже слабким, не-стандартним і непридатним для передачі на великі відстані. Для загального використання керування процесом потрібен передавач для кондиціювання та стандартизації сигналу.
Заключні думки
Перетворювачі тиску є одними з найпоширеніших приладів на будь-якому технологічному підприємстві, але з ними легко поводитися, як із чорною скринькою. Розуміння різниці між перетворювачем і передавачем, як працює чутливий елемент і що означають різні типи тиску та сигналу, допоможе вам правильно вказати їх, швидше усунути несправності та уникнути найпоширеніших помилок у розмірі.
Зрештою, найкращий трансмітер тиску – це не той, який має найвишуканіші характеристики - це той, який правильно підібраний до середовища процесу, діапазону тиску, температури та середовища встановлення.
Якщо вам потрібна допомога у виборі відповідного перетворювача тиску для вашої програми або у вас є запитання щодо вихідних сигналів, матеріалів діафрагми чи типів тиску, наша технічна команда може переглянути ваші параметри процесу та порекомендувати конфігурацію належного розміру.
Список літератури
- Міжнародне товариство автоматизації (ISA). (2022).Вимірювання тиску: принципи, встановлення та калібрування. Research Triangle Park, NC: ISA.
- Rosemount Inc. (2024).Основи датчика тиску: Посібник із технології та застосування. Рішення для автоматизації Emerson.
- WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG. (2023).Перетворювачі тиску проти трансмітерів: Технічне пояснення. Промислове приладобудування WIKA.
- Національний інститут стандартів і технологій (NIST). (2021).Калібрування приладів для вимірювання тиску. Довідник NIST 150.
- ABB Measurement & Analytics. (2024).Промислові перетворювачі тиску: посібник із вибору технології.
