Compreendendo os transmissores de pressão diferencial capacitivos na automação industrial

Os transmissores capacitivos de pressão diferencial são dispositivos essenciais na instrumentação industrial moderna e na automação de processos . Eles utilizam tecnologia avançada de detecção capacitiva para medir pressão diferencial, manométrica e absoluta com alta precisão e estabilidade a longo prazo. Ao contrário dos sensores de pressão mecânicos tradicionais, esses transmissores não possuem mecanismos de transmissão mecânica móveis , o que os torna compactos, duráveis ​​e altamente resistentes à vibração. Os ajustes independentes de zero e de escala garantem precisão sem interferência mútua, contribuindo para seu uso generalizado em diversos setores industriais.

Na China, muitas cidades introduziram linhas de produção da empresa americana Rosemount , fabricando diversos modelos para pressão diferencial Medição de pressão manométrica e pressão absoluta . Algumas unidades também incluem extração da raiz quadrada para medição de vazão , além de versões projetadas para aplicações de alta pressão estática e micropressão diferencial .

Explore uma gama completa de Tipos de transmissores de pressão >>

Princípio de funcionamento e construção de transmissores capacitivos de pressão diferencial

Um transmissor capacitivo de pressão diferencial normalmente consiste em duas unidades principais: uma seção de medição e uma seção de conversão/amplificação , conforme mostrado na Figura 1 .

Figura 1: Diagrama do circuito do transmissor de pressão diferencial capacitivo

1—Oscilador 2—Sensor capacitivo 3—Demodulador 4—Ajuste de faixa 5—Limitador de corrente
6 — Amplificador de potência 7 — Amplificador operacional 8 — Ajuste de zero e migração de zero
9 — Amplificador de controle de oscilação 10 — Fonte de tensão de referência 11 — Regulador de tensão 12 — Proteção contra inversão de polaridade

O sensor capacitivo converte a pressão diferencial medida (ΔP) em uma variação de capacitância. Os capacitores diferenciais de alta e baixa pressão, C, são representados pelos capacitores de alta e baixa pressão. _H e C _L , são excitados por um oscilador de alta frequência . As variações de corrente resultantes são demoduladas para produzir sinais diferenciais ( i _L − i _H ) e sinais de modo comum ( i _L + i _H ).
O sinal diferencial é comparado ao sinal de realimentação ( I) _f ), então amplificado e convertido em uma saída CC de 4-20mA . Essa corrente de saída flui através da resistência de carga e da rede de realimentação, mantendo uma relação linear entre o sinal diferencial e a corrente de saída.

O sensor capacitivo consiste em uma placa de eletrodo fixa e um diafragma de medição móvel, formando dois capacitores ( C). _H e C _L ) conectado às câmaras de alta e baixa pressão. Quando uma pressão diferencial é aplicada, o diafragma se deflete, alterando as capacitâncias. O oscilador de alta frequência (tipicamente 32 kHz) converte essas mudanças de capacitância em variações de corrente, que são amplificadas e retificadas para gerar um sinal CC de 4-20 mA proporcional à pressão diferencial aplicada ΔP.

Quando o transmissor é usado para medição de vazão — como com placas de orifício, tubos Venturi ou bicos — o sinal é processado por um extrator de raiz quadrada para obter uma relação linear com a taxa de fluxo. O dispositivo opera em um sistema de dois fios de 24 V CC , suportando tensões de alimentação de 12 a 45 V CC e resistências de carga de até 600 Ω .

O sensor de pressão diferencial capacitivo de duas câmaras é mostrado na Figura 2 .

Figura 2: Estrutura de duas câmaras do sensor capacitivo de pressão diferencial

1, 4—Diafragma de isolamento com padrão ondulado; 2, 3—Base de aço inoxidável; 5—Camada de vidro; 6—Filme metálico; 7—Diafragma de medição

Nesta estrutura, os filmes metálicos (6) atuam como eletrodos fixos, enquanto o diafragma de medição (7) serve como eletrodo móvel. Ambos os lados do diafragma formam duas câmaras separadas preenchidas com óleo de silicone . O fluido incompressível transmite a pressão diferencial Δp = p_H − p_L para as superfícies do diafragma.

Quando Δp = 0, as capacitâncias em ambos os lados ( C) _H e C _L ) são iguais. Quando Δp ≠ 0, o diafragma se deflete em direção ao lado de baixa pressão, fazendo com que C _L > C _H .
O uso da capacitância diferencial reduz os erros causados ​​pelas variações de temperatura na constante dielétrica, melhorando assim a sensibilidade, a precisão e a linearidade — fatores importantes no controle de processos industriais e na medição de pressão .

Relação entre pressão diferencial e capacitância

Quando Δp ≠ 0, a variação da capacitância é ilustrada na Figura 3 .

Figura 3: Variações de capacitância em ambos os lados quando existe pressão diferencial.

Equações:

Para um diafragma com tensão inicial, a deflexão é proporcional à pressão diferencial:

Aqui, K₁ é uma constante estrutural que depende da curvatura do diafragma, do espaçamento entre os eletrodos e da tensão mecânica. Essa relação garante que a corrente de saída seja diretamente proporcional à pressão diferencial aplicada, proporcionando excelente precisão de medição.

Circuito oscilador de alta frequência

O sensor de pressão capacitivo converte a pressão diferencial em uma variação proporcional da capacitância. A medição dessa capacitância requer excitação CA de alta frequência , tipicamente em torno de 32 kHz .

Figura 4: Circuito oscilador Figura 5: Fonte de alimentação do oscilador

Circuito oscilador (Figura 4)

O circuito compreende enrolamentos (terminais 6, 8 e 5, 7) e um capacitor C₂₀ formando um circuito ressonante conectado a um transistor VT₁. O resistor de polarização R₂₉ define o ponto de operação estático. A frequência é determinada pela indutância L e pela capacitância C.

Fonte de alimentação do oscilador (Figura 5)

Como a medição de capacitância depende da tensão CA, a tensão do oscilador deve permanecer estável . Um circuito de controle de realimentação negativa estabiliza automaticamente a tensão, garantindo ao mesmo tempo amplitude inicial suficiente.

Geração e estabilização de corrente capacitiva

Conforme mostrado na Figura 6 , o circuito de geração de corrente capacitiva e a rede de formação de tensão mantêm a excitação constante.

Figura 6: Circuito de geração de corrente capacitiva e tensão U ₂ Circuito de Formação

Quando Δp ≠ 0, C_H diminui e C_L aumenta, e a corrente total através de ambos é expressa como:

O feedback automático garante que eu _L + Eu _H = K₂ (uma constante), mantendo a estabilidade da tensão e a sensibilidade consistente.

Características de saída e linearização do sinal

No circuito de geração de corrente capacitiva:

Substituindo relacionamentos anteriores:

Corrente de saída total:

Assim, o sinal de saída de 4-20 mA do transmissor capacitivo de pressão diferencial é diretamente proporcional à pressão diferencial aplicada.
O dispositivo também oferece ajuste de zero , calibração de faixa e proteção contra inversão de polaridade , garantindo uma operação estável e segura em sistemas industriais de medição de pressão .

Exemplo: Transmissor de Pressão Diferencial Capacitivo da Série SH

 

A Série SH transmissores de pressão Os transmissores de pressão de dois fios de 4-20 mA produzidos pela silverinstrumens.com são amplamente utilizados e projetados para ambientes intrinsecamente seguros e à prova de explosão .

Especificações principais

1. Precisão: 0,2% FS
2. Linearidade: ±0,1% da faixa calibrada
3. Histerese: ≤ ±0,05% da amplitude
4. Estabilidade: ±0,2% FS em 6 meses
5. Faixa de temperatura:
   • Elemento de medição: −40 °C ~ +104 °C
   • Circuito amplificador: −29 °C ~ +93 °C
6. Tensão de alimentação: 12–55 V CC
   • Resistência de carga: até 1500 Ω (ver Figura 6-19)

Figura 7: Relação entre a tensão da fonte de alimentação e a resistência da carga

Quando a tensão de alimentação flutua em ±1 V, a variação da corrente de saída permanece abaixo de 0,005%, garantindo a estabilidade do sinal e alta precisão .

Projeto de circuito do modelo da série SH

O circuito completo do transmissor de pressão diferencial SHGP/SHDP é mostrado na Figura 8.

Figura 8: Projeto do circuito do transmissor de pressão capacitivo/DP da série SH

Componentes e funções principais:

• R₃₂ : ajuste de alcance
• R₃₅ : ajuste de zero
• R₁₂ : controle de amortecimento
• R₄₁ : ajuste de alcance grosso
• R₂₄ : calibração de linearidade
• VD₁₄ : proteção contra inversão de polaridade da alimentação
• VT₂ : limitação de corrente
• EZ, R₂₁ : migração zero negativa
• SZ, R₂₀ : migração zero positiva
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : rede de compensação de temperatura

Esses elementos garantem um desempenho preciso e estável em diversas condições industriais, tornando a série SHGP/SHDP um dos transmissores de pressão diferencial capacitivos mais confiáveis ​​para controle de processos e instrumentação em todo o mundo.