Comprendre les transmetteurs de pression différentielle capacitifs dans l'automatisation industr

Les transmetteurs de pression différentielle capacitifs sont des dispositifs essentiels dans l'instrumentation industrielle moderne et l'automatisation des procédés . Ils utilisent une technologie de détection capacitive avancée pour mesurer la pression différentielle, relative et absolue avec une grande précision et une stabilité à long terme. Contrairement aux capteurs de pression mécaniques traditionnels, ces transmetteurs ne comportent aucun mécanisme de transmission mécanique mobile , ce qui les rend compacts, robustes et très résistants aux vibrations. Le réglage indépendant du zéro et de la portée garantit une précision sans interférence mutuelle, contribuant ainsi à leur utilisation généralisée dans de nombreux secteurs industriels.

En Chine, de nombreuses villes ont introduit des lignes de production de la société américaine Rosemount , fabriquant divers modèles pour pression différentielle Ils permettent la mesure de la pression relative et de la pression absolue . Certains modèles proposent également l'extraction de la racine carrée pour la mesure du débit , ainsi que des versions conçues pour les applications à haute pression statique et à micro-pression différentielle .

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Principe de fonctionnement et construction des transmetteurs de pression différentielle capacitifs

Un transmetteur de pression différentielle capacitif se compose généralement de deux unités principales : une section de mesure et une section de conversion/amplification , comme illustré sur la figure 1 .

Figure 1 : Schéma de circuit d'un transmetteur de pression différentielle capacitif

1—Oscillateur 2—Capteur capacitif 3—Démodulateur 4—Réglage de la gamme 5—Limiteur de courant
6—Amplificateur de puissance 7—Amplificateur opérationnel 8—Réglage et migration du zéro
9—Amplificateur de contrôle d'oscillation 10—Source de tension de référence 11—Régulateur de tension 12—Protection contre l'inversion de polarité

Le capteur capacitif convertit la pression différentielle mesurée (ΔP) en une variation de capacité. Les condensateurs différentiels haut et bas, C, sont représentés par C_h et C_b. _H et C _L , sont excités par un oscillateur haute fréquence . Les variations de courant résultantes sont démodulées pour produire des signaux différentiels ( i ). _L − i _H ) et les signaux de mode commun ( i _L + je _H ).
Le signal différentiel est comparé au signal de rétroaction ( I _f Le signal est ensuite amplifié et converti en un courant continu de 4 à 20 mA . Ce courant de sortie traverse la résistance de charge et le réseau de rétroaction, maintenant ainsi une relation linéaire entre le signal différentiel et le courant de sortie.

Le capteur capacitif est constitué d'une plaque d'électrode fixe et d'un diaphragme de mesure mobile, formant deux condensateurs ( C). _H et C _L ) relié aux chambres haute et basse pression. Lorsqu'une pression différentielle est appliquée, le diaphragme se déforme, modifiant ainsi les capacités. L'oscillateur haute fréquence (généralement 32 kHz) convertit ces variations de capacité en variations de courant, lesquelles sont amplifiées et redressées pour générer un signal continu de 4 à 20 mA proportionnel à la pression différentielle appliquée ΔP.

Lorsque le transmetteur est utilisé pour la mesure de débit (par exemple avec des plaques à orifice, des tubes Venturi ou des buses) , le signal est traité par un extracteur de racine carrée afin d'obtenir une relation linéaire avec le débit. L'appareil fonctionne sur un système à deux fils de 24 V CC , supportant des tensions d'alimentation de 12 à 45 V CC et des résistances de charge jusqu'à 600 Ω .

Le capteur de pression différentielle capacitif à deux chambres est illustré sur la figure 2 .

Figure 2 : Structure à deux chambres du capteur de pression différentielle capacitif

1, 4 — Diaphragme d’isolation à motif ondulé ; 2, 3 — Socle en acier inoxydable ; 5 — Couche de verre ; 6 — Film métallique ; 7 — Diaphragme de mesure

Dans cette structure, les films métalliques (6) servent d'électrodes fixes, tandis que le diaphragme de mesure (7) fait office d'électrode mobile. Les deux faces du diaphragme forment deux chambres distinctes remplies d' huile de silicone . Ce fluide incompressible transmet la pression différentielle Δp = p_H − p_L aux surfaces du diaphragme.

Lorsque Δp = 0, les capacités des deux côtés ( C _H et C _L ) sont égaux. Lorsque Δp ≠ 0, le diaphragme se déforme vers le côté basse pression, ce qui rend C _L > C _H .
L'utilisation de la capacité différentielle réduit les erreurs causées par les variations de température de la constante diélectrique, améliorant ainsi la sensibilité, la précision et la linéarité — des facteurs importants dans le contrôle des processus industriels et la mesure de la pression .

Relation entre la pression différentielle et la capacité

Lorsque Δp ≠ 0, la variation de capacité est illustrée dans la figure 3 .

Figure 3 : Changements de capacité des deux côtés lorsqu'une pression différentielle existe

Équations :

Pour un diaphragme initialement tendu, la déflexion est proportionnelle à la pression différentielle :

Ici, K₁ est une constante structurelle qui dépend de la courbure du diaphragme, de l'espacement des électrodes et de la tension mécanique. Cette relation garantit que le courant de sortie est directement proportionnel à la pression différentielle appliquée, assurant ainsi une excellente précision de mesure.

Circuit oscillateur haute fréquence

Le capteur de pression capacitif convertit la pression différentielle en une variation de capacité proportionnelle. La mesure de cette capacité nécessite une excitation en courant alternatif à haute fréquence , généralement autour de 32 kHz .

Figure 4 : Circuit oscillateur Figure 5 : Alimentation de l’oscillateur

Circuit oscillateur (Figure 4)

Le circuit comprend des enroulements (bornes 6, 8 et 5, 7) et un condensateur C₂₀ formant une boucle résonante connectée à un transistor VT₁. La résistance de polarisation R₂₉ définit le point de fonctionnement statique. La fréquence est déterminée par l'inductance L et la capacité C.

Alimentation de l'oscillateur (Figure 5)

La mesure de capacité étant basée sur une tension alternative, la tension de l'oscillateur doit rester stable . Une boucle de régulation par rétroaction négative stabilise automatiquement la tension tout en garantissant une amplitude de démarrage suffisante.

Génération et stabilisation du courant capacitif

Comme le montre la figure 6 , le circuit de génération de courant capacitif et le réseau de formation de tension maintiennent une excitation constante.

Figure 6 : Circuit de génération de courant capacitif et tension U ₂ Circuit de formation

Lorsque Δp ≠ 0, C_H diminue et C_L augmente, et le courant total traversant les deux est exprimé comme suit :

Le retour d'information automatique garantit que je _L + Je _H = K₂ (une constante), maintenant la stabilité de la tension et une sensibilité constante.

Caractéristiques de sortie et linéarisation du signal

Dans le circuit de génération de courant capacitif :

Remplacement des relations antérieures :

Courant de sortie total :

Ainsi, le signal de sortie 4-20 mA du transmetteur de pression différentielle capacitif est directement proportionnel à la pression différentielle appliquée.
L'appareil assure également le réglage du zéro , l'étalonnage de la plage et la protection contre l'inversion de polarité , garantissant un fonctionnement stable et sûr dans les systèmes de mesure de pression industriels .

Exemple: Transmetteur de pression différentielle capacitif série SH

 

La série SH transmetteurs de pression Les transmetteurs de pression à deux fils 4-20 mA produits par silverinstrumens.com sont largement utilisés et conçus pour les environnements intrinsèquement sûrs et antidéflagrants .

Caractéristiques principales

1. Précision : 0,2 % de la pleine échelle
2. Linéarité : ±0,1 % de la plage d'étalonnage
3. Hystérésis : ≤ ±0,05 % de la plage
4. Stabilité : ±0,2 % FS sur 6 mois
5. Plage de températures :
   • Élément de mesure : −40 °C ~ +104 °C
   • Circuit amplificateur : −29 °C ~ +93 °C
6. Tension d'alimentation : 12–55 V CC
   • Résistance de charge : jusqu'à 1500 Ω (voir figure 6-19)

Figure 7 : Relation entre la tension d'alimentation et la résistance de charge

Lorsque la tension d'alimentation fluctue de ±1 V, la variation du courant de sortie reste inférieure à 0,005 %, assurant ainsi la stabilité du signal et une grande précision .

Conception du circuit du modèle de la série SH

Le circuit global du transmetteur de pression différentielle SHGP/SHDP est illustré à la figure 8.

Figure 8 : Schéma du circuit du transmetteur de pression capacitif/DP modèle SH

Composants et fonctions clés :

• R₃₂ : réglage de la plage
• R₃₅ : réglage du zéro
• R₁₂ : contrôle d'amortissement
• R₄₁ : réglage grossier de la plage
• R₂₄ : étalonnage de la linéarité
• VD₁₄ : protection contre l'inversion de polarité
• VT₂ : limitation de courant
• EZ, R₂₁ : migration à zéro négatif
• SZ, R₂₀ : migration à zéro positif
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : réseau de compensation de température

Ces éléments garantissent des performances précises et stables dans diverses conditions industrielles, faisant de la série SHGP/SHDP l'un des transmetteurs de pression différentielle capacitifs les plus fiables au monde pour le contrôle des processus et l'instrumentation .