Comprensión de los transmisores de presión diferencial capacitivos en la automatización industrial

Los transmisores de presión diferencial capacitivos son dispositivos esenciales en la instrumentación industrial moderna y la automatización de procesos . Utilizan tecnología avanzada de detección capacitiva para medir la presión diferencial, manométrica y absoluta con alta precisión y estabilidad a largo plazo. A diferencia de los sensores de presión mecánicos tradicionales, estos transmisores no tienen mecanismos de transmisión mecánicos móviles , lo que los hace compactos, duraderos y altamente resistentes a las vibraciones. Los ajustes independientes de cero y rango garantizan la precisión sin interferencias mutuas, lo que contribuye a su uso generalizado en diversas industrias.

En China, muchas ciudades han introducido líneas de fabricación de la empresa estadounidense Rosemount , produciendo varios modelos para presión diferencial , presión manométrica y medición de presión absoluta . Algunas unidades también incluyen extracción de raíz cuadrada para la medición de caudal , junto con versiones diseñadas para aplicaciones de alta presión estática y micropresión diferencial .

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Principio de funcionamiento y construcción de los transmisores de presión diferencial capacitivos.

Un transmisor de presión diferencial capacitivo generalmente consta de dos unidades principales: una sección de medición y una sección de conversión/amplificación , como se muestra en la Figura 1 .

Figura 1: Diagrama del circuito del transmisor de presión diferencial capacitivo

1—Oscilador 2—Sensor capacitivo 3—Demodulador 4—Ajuste de rango 5—Limitador de corriente
6—Amplificador de potencia 7—Amplificador operacional 8—Ajuste de cero y migración de cero
9—Amplificador de control de oscilación 10—Fuente de tensión de referencia 11—Regulador de tensión 12—Protección contra inversión de polaridad

El sensor capacitivo convierte la presión diferencial medida (ΔP) en un cambio de capacitancia. Los capacitores diferenciales alto y bajo, C _H y C _L , son excitadas por un oscilador de alta frecuencia . Las variaciones de corriente resultantes se demodulan para producir señales diferenciales ( i _L − i _H ) y señales de modo común ( i _L + yo _H ).
La señal diferencial se compara con la señal de retroalimentación ( I _F ), luego amplificada y convertida en una salida de CC de 4-20 mA . Esta corriente de salida fluye a través de la resistencia de carga y la red de retroalimentación, manteniendo una relación lineal entre la señal diferencial y la corriente de salida.

El sensor capacitivo consta de una placa de electrodo fija y un diafragma de medición móvil, formando dos capacitores ( C _H y C _L ) conectadas a las cámaras de alta y baja presión. Cuando se aplica una presión diferencial, el diafragma se deforma, modificando las capacitancias. El oscilador de alta frecuencia (típicamente 32 kHz) convierte estas variaciones de capacitancia en variaciones de corriente, que se amplifican y rectifican para generar una señal de CC de 4-20 mA proporcional a la presión diferencial aplicada ΔP.

Cuando el transmisor se utiliza para la medición de caudal —por ejemplo, con placas de orificio, tubos Venturi o boquillas— la señal se procesa mediante un extractor de raíz cuadrada para obtener una relación lineal con el caudal. El dispositivo funciona con un sistema de dos hilos de 24 V CC , admite tensiones de alimentación de 12 a 45 V CC y resistencias de carga de hasta 600 Ω .

El sensor de presión diferencial capacitivo de dos cámaras se muestra en la Figura 2 .

Figura 2: Estructura de dos cámaras del sensor de presión diferencial capacitivo.

1, 4—Diafragma de aislamiento con patrón ondulado; 2, 3—Base de acero inoxidable; 5—Capa de vidrio; 6—Película metálica; 7—Diafragma de medición

En esta estructura, las películas metálicas (6) actúan como electrodos fijos, mientras que el diafragma de medición (7) funciona como electrodo móvil. Ambos lados del diafragma forman dos cámaras separadas llenas de aceite de silicona . El fluido incompresible transmite la presión diferencial Δp = p_H − p_L a las superficies del diafragma.

Cuando Δp = 0, las capacitancias en ambos lados ( C _H y C _L ) son iguales. Cuando Δp ≠ 0, el diafragma se desvía hacia el lado de baja presión, haciendo que C _L > C _H .
El uso de la capacitancia diferencial reduce los errores causados ​​por las variaciones de temperatura en la constante dieléctrica, mejorando así la sensibilidad, la precisión y la linealidad, factores importantes en el control de procesos industriales y la medición de presión .

Relación entre la presión diferencial y la capacitancia

Cuando Δp ≠ 0, la variación de capacitancia se ilustra en la Figura 3 .

Figura 3: Cambios en la capacitancia en ambos lados cuando existe presión diferencial.

Ecuaciones:

Para un diafragma con tensión inicial, la deflexión es proporcional a la presión diferencial:

Aquí, K₁ es una constante estructural que depende de la curvatura del diafragma, la distancia entre electrodos y la tensión mecánica. Esta relación garantiza que la corriente de salida sea directamente proporcional a la presión diferencial aplicada, lo que proporciona una excelente precisión de medición.

Circuito oscilador de alta frecuencia

El sensor de presión capacitivo convierte la presión diferencial en un cambio de capacitancia proporcional. La medición de esta capacitancia requiere una excitación de CA de alta frecuencia , normalmente alrededor de 32 kHz .

Figura 4: Circuito oscilador Figura 5: Fuente de alimentación del oscilador

Circuito oscilador (Figura 4)

El circuito consta de bobinados (terminales 6, 8 y 5, 7) y un condensador C₂₀ que forman un bucle resonante conectado a un transistor VT₁. La resistencia de polarización R₂₉ define el punto de operación estático. La frecuencia viene determinada por la inductancia L y la capacitancia C.

Fuente de alimentación del oscilador (Figura 5)

Dado que la medición de capacitancia depende de la tensión alterna, la tensión del oscilador debe permanecer estable . Un bucle de control de retroalimentación negativa estabiliza automáticamente la tensión, asegurando al mismo tiempo una amplitud inicial suficiente.

Generación y estabilización de corriente capacitiva

Como se muestra en la Figura 6 , el circuito de generación de corriente capacitiva y la red de formación de voltaje mantienen una excitación constante.

Figura 6: Circuito de generación de corriente capacitiva y voltaje U ₂ Circuito de formación

Cuando Δp ≠ 0, C_H disminuye y C_L aumenta, y la corriente total a través de ambos se expresa como:

La retroalimentación automática garantiza que yo _L + yo _H = K₂ (una constante), que mantiene la estabilidad del voltaje y una sensibilidad constante.

Características de salida y linealización de la señal

En el circuito de generación de corriente capacitiva:

Sustituyendo relaciones anteriores:

Corriente de salida total:

Por lo tanto, la señal de salida de 4-20 mA del transmisor de presión diferencial capacitivo es directamente proporcional a la presión diferencial aplicada.
El dispositivo también ofrece ajuste de cero , calibración de rango y protección contra polaridad inversa , lo que garantiza un funcionamiento estable y seguro en sistemas de medición de presión industriales .

Ejemplo: Transmisor de presión diferencial capacitivo de la serie SH

 

La serie SH transmisores de presión Los transmisores de presión de dos hilos y 4-20 mA fabricados por silverinstrumens.com son ampliamente utilizados y están diseñados para entornos intrínsecamente seguros y a prueba de explosiones .

Especificaciones clave

1. Precisión: 0,2 % FS
2. Linealidad: ±0,1 % del rango calibrado
3. Histéresis: ≤ ±0,05 % del rango
4. Estabilidad: ±0,2 % FS en 6 meses
5. Rango de temperatura:
   • Elemento de medición: −40 °C ~ +104 °C
   • Circuito amplificador: −29 °C ~ +93 °C
6. Tensión de alimentación: 12–55 V CC
   • Resistencia de carga: hasta 1500 Ω (véase la figura 6-19)

Figura 7: Relación entre la tensión de la fuente de alimentación y la resistencia de carga.

Cuando la tensión de alimentación fluctúa en ±1 V, la variación de la corriente de salida se mantiene por debajo del 0,005 %, lo que garantiza la estabilidad de la señal y una alta precisión .

Diseño de circuitos del modelo de la serie SH

El circuito general del transmisor de presión diferencial SHGP/SHDP se muestra en la Figura 8.

Figura 8: Diseño del circuito del transmisor de presión capacitivo/DP modelo SH serie

Componentes y funciones clave:

• R₃₂ : ajuste de rango
• R₃₅ : ajuste cero
• R₁₂ : control de amortiguación
• R₄₁ : ajuste de rango grueso
• R₂₄ : calibración de linealidad
• VD₁₄ : protección contra polaridad inversa
• VT₂ : limitación de corriente
• EZ, R₂₁ : migración cero negativa
• SZ, R₂₀ : migración cero positiva
• R₂₆–R₂₈, R₁–R₄ : red de compensación de temperatura

Estos elementos garantizan un rendimiento preciso y estable en diversas condiciones industriales, lo que convierte a la serie SHGP/SHDP en uno de los transmisores de presión diferencial capacitivos más fiables del mundo para el control de procesos y la instrumentación .