ترانسمیتر های اختلاف فشار، که به آن ها ترانسمیتر های فشار دیفرانسیل (DP) نیز می گویند، به عنوان یکی از ابزار های مهم در دنیای اندازه گیری شناخته می شود. این ترانسمیتر ها، علاوه بر اندازه گیری فشار، در صنایع متعددی به منظور اندازه گیری سطح و جریان به کار می روند و حتی در شرایط دمایی بالا نیز می توانند بر روی انواع مختلفی از سیالات استفاده شوند. در این مقاله به طرز کار ترانسمیتر اختلاف فشار می پردازیم.
ترانسمیتر اختلاف فشار (Differential Pressure Transmitter)
ترانسمیتر فشار یک تجهیز الکترونیکی است که برای اندازه گیری فشار، پارامتر مکانیکی فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.
ترانسمیتر اختلاف فشار یا ترانسمیتر فشار تفاضلی (Differential Pressure Transmitter) نوعی از ترانسمیتر فشار است که اختلاف فشار بین دو نقطه فشار (نقطه های ورودی) که هر دو به صورت همزمان به سنسور وارد می شوند، را اندازه گیری می کند.به طور دقیق تر، ترانسمیتر اختلاف فشار قادر به اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه در یک سیستم است. از این ترانسمیتر می توان برای اندازه گیری جریان مایع یا گاز در لوله ها یا مجاری استفاده کرد. همچنین می توان از آن برای تشخیص انسداد یا گرفتگی در ولوها (شیرها) استفاده نمود. به عنوان مثال، اگر فشار قبل از یک ولو بیشتر از فشار بعد از آن باشد (در جهت جریان)، این نشان دهنده وجود مانعی در مسیر جریان سیال بین دو نقطه اندازه گیری شده است.
اجزای ترانسمیتر اختلاف فشار
یک ترانسمیتر اختلاف فشار از اجزای مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از: یک ماژول الکترونیکی قدرتمند و دو دیافراگم حسگر که نیروهای اعمال شده در یک مخزن مهار را به شکل سیگنال الکترونیکی تبدیل می کنند. این اجزا به شکل فیزیک در محیطی که به نیاز های برنامه ارتباط دارد متصل می شوند.
دیافراگم ها، فشار اعمال شده را به صورت تغییر شکل سطحی ثبت می کنند و این تغییر شکل را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می نمایند. این سیگنال سپس به ماژول فشار دیفرانسیل منتقل می شود که اختلاف فشار را به واحد های اندازه گیری معمولی مانند پوند بر اینچ مربع (psi) یا کیلو پاسکال (kPa) تبدیل می کند. این دیافراگم ها برای حفظ یکپارچگی در شرایط خلا و نیز برای کاربرد های مرتبط با محیط های مرطوب مانند اندازه گیری سطح در کارخانه های تقطیر نفت خام، به صورت کاملا محکم و قدرتمند ساخته شده اند.
طرز کار ترانسمیتر اختلاف فشار
اگرچه امروزه تجهیزات مختلفی برای اندازه گیری های متنوع وجود دارند، اکثر مهندسان میدانی همچنان به ترانسمیتر های اختلاف فشار اعتماد می کنند. ترانسمیتر اختلاف فشار از دو مولفه اصلی تشکیل شده است: یک سلول حسگر (سنسور فشار) و یک ترانسمیتر. این سلول دارای دو محفظه فشار جداگانه است که توسط یک دیافراگم از هم جدا می شوند.
یکی از سمت های ترانسمیتر اختلاف فشار را به عنوان فشار بالا و دیگری را به عنوان فشار پایین در نظر بگیرید، به یاد داشته باشید که این تعبیر فقط به معنای تاثیر فشار بر سیگنال خروجی است و نیازی به تفسیر دقیق معنای واقعی ندارد. این تعبیر فقط جهت تاثیر فشار بر سیگنال خروجی را نشان می دهد.
بنابراین، فرض کنید یک فرآیند با 20 بار تا 20 بار و بدون فشار در هیچ یک از محفظه ها داریم. در این نقطه، سیگنال 12 میلی آمپر را نشان می دهد که معادل صفر بار یا 50 درصد از محدوده است. اگر فشار را روی سمت فشار بالا اعمال کنیم، مقدار سیگنال به 20 میلی آمپر افزایش می یابد و اطلاعات مثبتی را ارائه می دهد. از طرف دیگر، اگر به سمت فشار پایین فشار اعمال کنیم، سیگنال به 4 میلی آمپر کاهش می یابد و مقادیر منفی را نشان می دهد.
برای تبدیل فشار در سلول حسگر به یک سیگنال الکترونیکی، می توان از گزینه های مختلفی از جمله روش های پیزوالکتریک(فشار سنج)، پیزوالکتریک، رزونانس و روش های خازنی استفاده کرد. همه این روش ها به ما این امکان را می دهند که تغییرات اختلاف فشار در دو طرف محفظه نمونه برداری را ثبت نماییم.
با توجه به توضیحات طرز کار ترانسمیتر اختلاف فشار، ترانسمیتر های اختلاف فشار قادر هستند اختلاف فشار را در یک محیط نمونه برداری رصد کرده و تغییرات آن را ثبت کنند.
کاربردهای ترانسمیتر اختلاف فشار
یکی از کاربرد های ترانسمیتر اختلاف فشار، اندازه گیری سطح مخزن مایع است که در کارخانه ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و اهمیت بسیار زیادی دارد. اندازه گیری نادرست سطح می تواند منجر به مشکلات جدی از جمله سرریز مخزن که منجر به از دست رفتن محصول، خطرات ایمنی یا مشکلات زیست محیطی شود. همچنین اندازه گیری نادرست سطح می تواند باعث مشکلات در کنترل موجودی محصولات شود.
اگرچه فناوری های مختلفی برای اندازه گیری سطح مخزن وجود دارند، اما پرکاربردترین و موثرترین آن ها از ترانسمیتر اختلاف فشار استفاده می کنند. این ترانسمیتر قادر به اندازه گیری اختلاف فشار بین دو نقطه است و به عنوان یکی از بهترین روش های کنترل و اندازه گیری سطح مخزن در صنعت شناخته می شود. در ادامه به دیگر کاربرد های ترانسمیتر اختلاف فشار در صنعت می پردازیم:
اندازه گیری سطح با پوشش مخزن
فرآیند بلنکتینگ مخزن (Tank Blanketing) به معنای ارسال گاز بی اثر به داخل فضای خالی جهت ذخیره سازی است. از بلنکتینگ مخزن در بسیاری از فرآیندها به دلایل مختلف استفاده می شود. این کاربردها ممکن است به دلایل مختلفی انجام شوند، اما سیستم های بلنکتینگ معمولا با یک فشار کمتر از فشار اتمسفر عمل می کنند. از فشار های بالاتر استفاده نمی شود زیرا این امکان وجود دارد که مقادیر زیادی از گاز ارزشمند هدر رود و همچنین اضافه کردن فشار بیشتر مزایای خاصی به همراه نداشته باشد.
برای نظارت بر سطح و فشار در بلنکتینگ مخزن، معمولا از دو ترانسمیتر اختلاف فشار استفاده کرد که هم سطح را اندازه گیری کند و هم فشار گاز بی اثر را نظارت کند. این اقدام به حذف نیاز به ترانسمیتر فشار دوم منجر می شود.
نمایش فلو (جریان) در فرآیند
ترانسمیتر اختلاف فشار به طور گسترده در سیستم های جریان خطی، به ویژه در مواردی که سیال باید از عواملی مانند فیلتر عبور کند، مورد استفاده قرار می گیرد.
در شرایط معمول، اختلاف فشار بین فشار بالادست (که اغلب به آن فشار خط یا فشار داخلی می گویند) و فشار پایین دست (یا فشار خارجی) باید صفر یا حداقل مقداری باشد. اما با انسداد فیلتر به وسیله آلاینده ها، فشار در سمت پایین دست کاهش می یابد که منجر به افزایش اختلاف فشار بین دو طرف می شود و در نتیجه، اختلاف فشار اندازه گیری شده افزایش می یابد.
خروجی سنسور را می توان برای نمایش حداکثر اختلاف فشار مجاز در مقیاس کامل تنظیم کرد. به عنوان مثال، در شرایطی که اختلاف فشار به حداکثر مجاز می رسد، خروجی می تواند 20 میلی آمپر باشد و در شرایطی که اختلاف فشار صفر باشد، خروجی می تواند 4 میلی آمپر را نمایش دهد.
به عبارت دیگر، ترانسمیتر اختلاف فشار تفاوت بین فشار ورودی (فشار بالا دست) و فشار خروجی (فشار پایین دست) را اندازه گیری می کند که در شرایط عادی باید صفر باشد، اما با انسداد فیلتر، این تفاوت افزایش می یابد.