ตัวส่งสัญญาณแรงดันอัจฉริยะเป็นเครื่องมืออัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่ผสานรวมการตรวจจับแรงดัน การประมวลผลสัญญาณ และการสื่อสารอัจฉริยะ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดและควบคุมแรงดันในด้านต่างๆ เช่น ปิโตรเลียม เคมี และพลังงาน หลักการทำงานของมันสามารถแบ่งออกเป็นสี่ลิงค์หลัก: การตรวจจับแรงกด, การแปลงสัญญาณ, การประมวลผลอัจฉริยะ และการส่งข้อมูล ดังนี้:
1 การรับรู้ความดัน: การแปลงความกดดันทางกายภาพเป็นการกระจัดทางกล
แกนหลักของเครื่องส่งสัญญาณความดันอัจฉริยะคือเซ็นเซอร์ความดัน ซึ่งจะแปลงสัญญาณความดันของตัวกลางที่วัดได้ (ของเหลว ก๊าซ หรือไอ) ให้เป็นการเคลื่อนที่เชิงกลที่วัดได้หรือการเปลี่ยนแปลงปริมาณทางกายภาพ
ประเภทเซ็นเซอร์ทั่วไป:
เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ: ชนิดที่พบบ่อยที่สุด ประกอบด้วยไดอะแฟรมการวัดและอิเล็กโทรดคงที่ เมื่อแรงดันถูกนำไปใช้กับเมมเบรน จะเกิดการเสียรูปเล็กน้อย ส่งผลให้ค่าความจุระหว่างเมมเบรนและอิเล็กโทรดคงที่เปลี่ยนแปลงไป (ยิ่งความดันมากขึ้น ระยะห่างก็จะน้อยลง และความจุก็จะมากขึ้น)
เซ็นเซอร์ Piezoresistive: การใช้เอฟเฟกต์ Piezoresistive ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ความดันจะเปลี่ยนค่าความต้านทานของความต้านทานภายในของชิป ซึ่งจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าผ่านสะพานวีทสโตน
เซ็นเซอร์ลวดเหนี่ยวนำ/สั่น: สะท้อนขนาดของความดันโดยอ้อมผ่านการเปลี่ยนแปลงของตัวเหนี่ยวนำหรือความถี่การสั่นสะเทือนที่เกิดจากความดัน
2, การแปลงสัญญาณ: การแปลงปริมาณทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้า
สัญญาณดิบที่เอาต์พุตโดยเซ็นเซอร์ (เช่น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความจุ ความต้านทาน และแรงดันไฟฟ้า) จำเป็นต้องแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้ามาตรฐาน (เช่น กระแสไฟฟ้า 4-20mA DC หรือแรงดันไฟฟ้า 0-5V DC) ผ่านวงจรปรับสภาพสัญญาณ:
การกระตุ้นและการตรวจจับ: วงจรนี้จะจ่ายไฟกระตุ้นที่เสถียร (เช่น แรงดันไฟฟ้าคงที่หรือกระแสคงที่) สำหรับเซ็นเซอร์ ในขณะที่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในปริมาณทางกายภาพของเซ็นเซอร์ (เช่น การเปลี่ยนแปลงความจุ)
การขยายและการกรอง: สัญญาณดั้งเดิมมักจะอ่อน (ในช่วงมิลลิโวลต์) และจำเป็นต้องขยายโดยเครื่องขยายสัญญาณเพื่อกรองเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม (เช่น การรบกวนของอุณหภูมิและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า)
การแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (การแปลง A/D): แปลงสัญญาณไฟฟ้าแอนะล็อกที่ขยายให้เป็นสัญญาณดิจิทัลสำหรับการประมวลผลชิปอัจฉริยะในภายหลัง
3, การประมวลผลอัจฉริยะ: คอมพิวเตอร์ดิจิตอลและการชดเชย
"ความฉลาด" ของเครื่องส่งสัญญาณแรงดันอัจฉริยะสะท้อนให้เห็นในการประมวลผลข้อมูลแบบดิจิทัลโดยไมโครโปรเซสเซอร์ (MCU) และฟังก์ชันหลักประกอบด้วย:
การชดเชยแบบไม่เชิงเส้น: สัญญาณเอาท์พุตของเซนเซอร์อาจมีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้นกับแรงดันจริง ไมโครโปรเซสเซอร์จะแก้ไขความเบี่ยงเบนผ่านกราฟการปรับเทียบที่ตั้งไว้ล่วงหน้า (เช่น การปรับพหุนาม) เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัด
การชดเชยอุณหภูมิ: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ (เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ความยืดหยุ่นของเมมเบรน ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิความต้านทาน) โปรเซสเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิแวดล้อมแบบเรียลไทม์-ผ่านเซ็นเซอร์อุณหภูมิในตัว- และแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดจากอุณหภูมิโดยอัตโนมัติ
การปรับช่วง: รองรับการตั้งค่าระยะไกลของช่วงการวัดผ่านซอฟต์แวร์ (เช่น การสื่อสารโปรโตคอล HART) โดยไม่จำเป็นต้องปรับกลไก และสามารถปรับให้เข้ากับสถานการณ์ต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น (เช่น การปรับจาก 0-1MPa ถึง 0-5MPa)
การวินิจฉัยข้อผิดพลาด: การตรวจสอบเซ็นเซอร์และสถานะของวงจรแบบเรียลไทม์ (เช่น การตัดการเชื่อมต่อ โอเวอร์โหลด) และส่งสัญญาณแจ้งเตือนเมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้น (เช่น สัญญาณกระแสกระโดดไปที่ 22mA)
4, การส่งข้อมูล: สัญญาณและการสื่อสารมาตรฐาน
เครื่องส่งสัญญาณอัจฉริยะรองรับทั้งเอาต์พุตสัญญาณอะนาล็อกและการสื่อสารแบบดิจิทัล ทำให้ความเข้ากันได้กับระบบแบบดั้งเดิมและข้อกำหนดอัจฉริยะสมดุลกัน
เอาต์พุตสัญญาณอะนาล็อก: สัญญาณดิจิทัลที่ประมวลผลจะถูกคืนค่าเป็นสัญญาณกระแสมาตรฐาน 4-20mA (หรือแรงดันไฟฟ้า 0-10V) ผ่านการแปลง D/A และเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบควบคุมแบบดั้งเดิม เช่น PLC และ DCS (4mA สอดคล้องกับขีดจำกัดช่วงล่าง, 20mA สอดคล้องกับขีดจำกัดช่วงบน)
การสื่อสารแบบดิจิทัล: การส่งข้อมูลแบบสองทิศทางทำได้ผ่านโปรโตคอลบัสอุตสาหกรรม เช่น HART, Profibus, FF fieldbus ซึ่งสามารถอ่านค่าความดันเวลาจริง- พารามิเตอร์อุปกรณ์ (เช่น ช่วงและความแม่นยำ) จากระยะไกล หรือแก้ไขการตั้งค่า (เช่น การสอบเทียบและเกณฑ์การแจ้งเตือน)
ตัวอย่างเช่น โปรโตคอล HART ใช้วิธีซ้อนทับของ "สัญญาณอะนาล็อก+สัญญาณดิจิทัล" (การซ้อนทับสัญญาณดิจิทัลความถี่สูง-บนกระแสไฟ 4-20mA) ซึ่งยังคงการส่งสัญญาณอนาล็อกแบบดั้งเดิมและสนับสนุนการสื่อสารดิจิทัล
