ประเภทของเครื่องส่งสัญญาณความดัน

การแนะนำเครื่องส่งสัญญาณแรงดันแบบง่าย

ในฐานะเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่มีเอาต์พุตเป็นสัญญาณมาตรฐาน เครื่องส่งสัญญาณแรงดันเป็นเครื่องมือที่รับตัวแปรแรงดันและแปลงเป็นสัญญาณเอาต์พุตมาตรฐานตามสัดส่วน เครื่องส่งสัญญาณแรงดันสามารถแปลงค่าพารามิเตอร์แรงดันทางกายภาพของก๊าซ ของเหลว ฯลฯ ที่เซ็นเซอร์โหลดเซลล์รับรู้เป็นสัญญาณไฟฟ้ามาตรฐาน (เช่น 4-20mADC เป็นต้น) เพื่อใช้เป็นอุปกรณ์สำรอง เช่น สัญญาณเตือนภัย เครื่องบันทึก ตัวควบคุม ฯลฯ สำหรับการวัดและบ่งชี้ และการควบคุมกระบวนการ

การจำแนกประเภทของเครื่องส่งสัญญาณความดัน

โดยทั่วไปเครื่องส่งสัญญาณแรงดันที่เราพูดถึงจะแบ่งตามหลักการดังต่อไปนี้:
เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบคาปาซิทีฟ เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบต้านทาน เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบเหนี่ยวนำ เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบเซมิคอนดักเตอร์ และเครื่องส่งสัญญาณความดันแบบเพียโซอิเล็กทริกสำหรับการวัดความถี่สูง ในบรรดาเครื่องส่งสัญญาณความดันแบบต้านทานมีการใช้งานมากที่สุด เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบคาปาซิทีฟใช้เครื่องส่งสัญญาณรุ่น 3051S ของ Rosemount เป็นตัวแทนของผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์

เครื่องส่งสัญญาณความดันสามารถแบ่งออกได้เป็นโลหะ เซรามิก ซิลิกอนกระจายตัว ซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ แซฟไฟร์ ฟิล์มสปัตเตอร์ ฯลฯ ตามส่วนประกอบที่ไวต่อแรงดัน

• เครื่องส่งสัญญาณแรงดันโลหะมีความแม่นยำต่ำ แต่มีอิทธิพลต่ออุณหภูมิเพียงเล็กน้อย และเหมาะสำหรับพื้นที่ที่มีช่วงอุณหภูมิกว้างและต้องการความแม่นยำต่ำ
• เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเซรามิกมีความแม่นยำสูงกว่า แต่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิมากกว่า นอกจากนี้ เซรามิกยังมีข้อได้เปรียบในเรื่องความทนทานต่อแรงกระแทกและการกัดกร่อน ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการตอบสนองได้
• ซิลิคอนแบบกระจายมีความแม่นยำในการส่งผ่านความดันสูงมาก และค่าความคลาดเคลื่อนของอุณหภูมิก็สูงเช่นกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องชดเชยอุณหภูมิก่อนใช้งาน ยิ่งไปกว่านั้น แม้หลังจากชดเชยอุณหภูมิแล้ว ก็ไม่สามารถวัดความดันที่สูงกว่า 125°C ได้ อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์ความไวของซิลิคอนแบบกระจายมีค่าสูงกว่าเซรามิกถึง 5 เท่า จึงนิยมใช้ในงานวัดที่มีความแม่นยำสูง
• เครื่องส่งสัญญาณความดันซิลิคอนผลึกเดี่ยวเป็นเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำสูงสุดในอุตสาหกรรม เป็นรุ่นอัพเกรดของซิลิคอนแบบกระจาย แน่นอนว่าราคาก็ถูกปรับขึ้นเช่นกัน ปัจจุบัน โยโกกาวะ ประเทศญี่ปุ่น เป็นตัวแทนด้านแรงดันซิลิคอนผลึกเดี่ยว
• เครื่องส่งสัญญาณแรงดันแซฟไฟร์ไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และมีลักษณะการทำงานที่ดีแม้ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง แซฟไฟร์มีความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่งมาก ไม่มีการดริฟท์ pn สามารถทำงานได้ตามปกติภายใต้สภาวะการทำงานที่เลวร้ายที่สุด และมีความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพสูง ความแม่นยำดี ข้อผิดพลาดของอุณหภูมิต่ำที่สุด และประสิทธิภาพด้านต้นทุนโดยรวมสูง
• เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบฟิล์มบางแบบสปัตเตอร์ริ่งไม่มีกาวใดๆ และมีเสถียรภาพและความน่าเชื่อถือในระยะยาวสูงกว่าเซ็นเซอร์วัดความเครียดแบบเหนียว ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิน้อยกว่า โดยเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 100 องศาเซลเซียส ค่าดริฟท์ศูนย์จะอยู่ที่เพียง 0.5% ประสิทธิภาพด้านอุณหภูมิเหนือกว่าเซ็นเซอร์ความดันแบบซิลิคอนแบบกระจายตัวมาก นอกจากนี้ยังสามารถสัมผัสกับสารกัดกร่อนทั่วไปได้โดยตรง

หลักการของเครื่องส่งสัญญาณความดันชนิดต่างๆ

• หลักการของเครื่องส่งสัญญาณความดันแบบคาปาซิทีฟ

เมื่อแรงดันกระทำโดยตรงบนพื้นผิวของไดอะแฟรมวัด ไดอะแฟรมจะทำให้เกิดการเสียรูปเล็กน้อย วงจรความแม่นยำสูงบนไดอะแฟรมวัดจะเปลี่ยนการเสียรูปเล็กน้อยนี้ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นสูงที่แปรผันตามแรงดันและแรงดันกระตุ้น จากนั้นใช้ชิปเฉพาะเพื่อแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้านี้เป็นสัญญาณกระแสไฟฟ้ามาตรฐานอุตสาหกรรม 4-20mA หรือสัญญาณแรงดันไฟฟ้า 1-5V

• หลักการของเครื่องส่งสัญญาณแรงดันซิลิกอนแบบกระจาย

แรงดันของตัวกลางที่วัดจะส่งผลโดยตรงต่อไดอะแฟรมของเซนเซอร์ (โดยปกติจะเป็นไดอะแฟรม 316L) ส่งผลให้ไดอะแฟรมสร้างการเคลื่อนตัวในระดับไมโครที่เป็นสัดส่วนกับแรงดันของตัวกลาง ส่งผลให้ค่าความต้านทานของเซนเซอร์เปลี่ยนไป และตรวจจับด้วยวงจรวีทสโตน การเปลี่ยนแปลงนี้จะทำให้เซ็นเซอร์แปลงและส่งสัญญาณการวัดมาตรฐานที่สอดคล้องกับแรงดันนี้ออกไป

• หลักการของเครื่องส่งสัญญาณความดันซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์

เซ็นเซอร์วัดแรงดันแบบเพียโซรีซิสทีฟสร้างขึ้นโดยใช้ปรากฏการณ์เพียโซรีซิสทีฟของซิลิคอนผลึกเดี่ยว โดยใช้เวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวเป็นองค์ประกอบความยืดหยุ่น เมื่อความดันเปลี่ยนแปลง ซิลิคอนผลึกเดี่ยวจะก่อให้เกิดความเครียด ทำให้ความต้านทานความเครียดที่กระจายตัวโดยตรงบนเซ็นเซอร์เกิดการเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของความดันที่วัดได้ จากนั้นวงจรบริดจ์จะรับสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สอดคล้องกัน

• หลักการของเครื่องส่งสัญญาณแรงดันเซรามิก

แรงดันจะกระทำโดยตรงบนพื้นผิวด้านหน้าของไดอะแฟรมเซรามิก ทำให้เกิดการเสียรูปเล็กน้อยของไดอะแฟรม ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนาถูกพิมพ์ไว้ด้านหลังของไดอะแฟรมเซรามิก และเชื่อมต่อกับสะพานวีทสโตน (สะพานปิด) เนื่องจากผลต้านทานแบบเพียโซรีซิสทีฟของวาริสเตอร์ สะพานนี้สร้างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นสูงที่แปรผันตามแรงดันและแปรผันตามแรงดันกระตุ้น โดยทั่วไปจะใช้สำหรับการวัดแรงดันของเครื่องอัดอากาศ เซรามิกส่วนใหญ่จะใช้

• หลักการของเครื่องส่งสัญญาณความดันเกจวัดความเครียด

เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบสเตรนเกจที่ใช้กันมากที่สุด ได้แก่ เกจวัดความเครียดแบบต้านทานโลหะและเกจวัดความเครียดแบบเซมิคอนดักเตอร์ เกจวัดความเครียดแบบต้านทานโลหะเป็นอุปกรณ์ที่มีความไวสูงชนิดหนึ่งที่แปลงการเปลี่ยนแปลงความเครียดบนชิ้นงานทดสอบเป็นสัญญาณไฟฟ้า เกจวัดความเครียดแบบลวดมีสองชนิดและเกจวัดความเครียดแบบฟอยล์โลหะ โดยทั่วไปแล้ว เกจวัดความเครียดจะยึดติดกับเมทริกซ์ความเครียดเชิงกลอย่างแน่นหนาด้วยกาวชนิดพิเศษ เมื่อเมทริกซ์ได้รับการเปลี่ยนแปลงความเค้น เกจวัดความเครียดแบบต้านทานจะเสียรูป ทำให้ค่าความต้านทานของเกจวัดความเครียดเปลี่ยนแปลงไป และแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวต้านทานก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย เครื่องส่งสัญญาณความดันแบบสเตรนเกจวัดความเครียดนั้นค่อนข้างหายากในท้องตลาด

• เครื่องส่งสัญญาณความดันแซฟไฟร์

เครื่องส่งสัญญาณแรงดันแซฟไฟร์ใช้หลักการทำงานต้านทานความเครียด ใช้ส่วนประกอบที่ไวต่อแซฟไฟร์-ซิลิคอนที่มีความแม่นยำสูง และแปลงสัญญาณแรงดันเป็นสัญญาณไฟฟ้ามาตรฐานผ่านวงจรขยายสัญญาณเฉพาะ

• เครื่องส่งสัญญาณแรงดันฟิล์มสปัตเตอร์

ชิ้นส่วนไวต่อแรงกดแบบสปัตเตอร์ริ่งผลิตขึ้นด้วยเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เกิดสะพานวีทสโตนที่มั่นคงและมั่นคงบนพื้นผิวของไดอะแฟรมสเตนเลสสตีลแบบยืดหยุ่น เมื่อแรงดันของตัวกลางที่วัดกระทำกับไดอะแฟรมสเตนเลสสตีลแบบยืดหยุ่น สะพานวีทสโตนอีกด้านหนึ่งจะส่งสัญญาณไฟฟ้าที่แปรผันตามแรงดัน เนื่องจากฟิล์มสปัตเตอร์ริ่งมีความทนทานต่อแรงกระแทกที่ดี จึงมักถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องรับแรงกระแทกจากแรงดันบ่อยครั้ง เช่น อุปกรณ์ไฮดรอลิก

ข้อควรระวังในการเลือกเครื่องส่งสัญญาณความดัน

• การเลือกค่าช่วงความดันเครื่องส่งสัญญาณ:

ขั้นแรก ให้กำหนดค่าสูงสุดของความดันที่วัดได้ในระบบ โดยทั่วไปแล้ว คุณต้องเลือกเครื่องส่งสัญญาณที่มีช่วงความดันสูงกว่าค่าสูงสุดประมาณ 1.5 เท่า หรือปล่อยให้ช่วงความดันปกติของเครื่องส่งสัญญาณความดันลดลง 1/3~2/3 ของช่วงความดันปกติก็เป็นวิธีที่นิยมใช้เช่นกัน

• ชนิดของตัวกลางความดัน:

ของเหลวหนืดและโคลนจะปิดกั้นช่องรับแรงดัน ตัวทำละลายหรือสารกัดกร่อนจะทำลายวัสดุในเครื่องส่งสัญญาณที่สัมผัสกับสื่อเหล่านี้โดยตรงหรือไม่
วัสดุของเครื่องส่งสัญญาณความดันทั่วไปที่สัมผัสกับตัวกลางคือสแตนเลส 316 หากตัวกลางไม่กัดกร่อนสแตนเลส 316 โดยทั่วไปแล้วเครื่องส่งสัญญาณความดันทั้งหมดจะเหมาะสำหรับการวัดความดันของตัวกลาง
หากวัสดุนั้นกัดกร่อนสแตนเลส 316 ควรใช้ซีลเคมีและการวัดทางอ้อม หากใช้ท่อแคปิลลารีที่บรรจุน้ำมันซิลิโคนเพื่อควบคุมแรงดัน จะสามารถป้องกันการกัดกร่อนของเครื่องส่งสัญญาณแรงดันและยืดอายุการใช้งานของเครื่องส่งสัญญาณแรงดันได้

• ความแม่นยำที่เครื่องส่งสัญญาณต้องการ:

ความแม่นยำถูกกำหนดโดย: ความไม่เชิงเส้น, ฮิสเทอรีซิส, การไม่เกิดการซ้ำ, อุณหภูมิ, สเกลออฟเซ็ตศูนย์ และอุณหภูมิ ยิ่งความแม่นยำสูง ราคาก็จะยิ่งสูงขึ้น โดยทั่วไป ความแม่นยำของเครื่องส่งสัญญาณความดันซิลิคอนแบบกระจายตัวอยู่ที่ 0.5 หรือ 0.25 และเครื่องส่งสัญญาณความดันซิลิคอนแบบคาปาซิทีฟหรือโมโนคริสตัลไลน์มีความแม่นยำ 0.1 หรือ 0.075

• กระบวนการเชื่อมต่อเครื่องส่งสัญญาณ:

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องส่งสัญญาณความดันจะติดตั้งบนท่อหรือถัง แน่นอนว่าบางส่วนจะติดตั้งและใช้งานร่วมกับมาตรวัดอัตราการไหล โดยทั่วไปเครื่องส่งสัญญาณความดันมีสามรูปแบบการติดตั้ง ได้แก่ แบบเกลียว แบบหน้าแปลน และแบบแคลมป์ ดังนั้น ก่อนเลือกเครื่องส่งสัญญาณความดัน จำเป็นต้องพิจารณาการเชื่อมต่อของกระบวนการด้วย หากเป็นแบบเกลียว จำเป็นต้องกำหนดคุณสมบัติของเกลียว สำหรับหน้าแปลน จำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติของหน้าแปลนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนด

บทนำอุตสาหกรรมเครื่องส่งสัญญาณความดัน

มีประเทศต่างๆ ทั่วโลกราว 40 ประเทศที่มีส่วนร่วมในการวิจัยและผลิตเซ็นเซอร์ โดยสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และเยอรมนีเป็นภูมิภาคที่มีผลผลิตเซ็นเซอร์มากที่สุด ทั้งสามประเทศมีส่วนแบ่งตลาดเซ็นเซอร์รวมกันมากกว่า 50% ของโลก

ปัจจุบัน ตลาดเครื่องส่งสัญญาณแรงดันในประเทศของผมเป็นตลาดที่เติบโตเต็มที่และมีความเข้มข้นสูง อย่างไรก็ตาม ผู้นำตลาดคือประเทศต่างๆ เช่น Emerson, Yokogawa, Siemens เป็นต้น ผลิตภัณฑ์แบรนด์เนมมีส่วนแบ่งตลาดประมาณ 70% และมีความได้เปรียบอย่างชัดเจนในโครงการวิศวกรรมขนาดใหญ่และขนาดกลาง

สาเหตุนี้เป็นผลมาจากการที่ประเทศของผมเริ่มใช้กลยุทธ์ “ตลาดเทคโนโลยี” ในระยะแรก ซึ่งส่งผลกระทบต่อรัฐวิสาหกิจของประเทศอย่างมาก และเคยประสบความล้มเหลว แต่ในขณะเดียวกัน ผู้ผลิตบางรายที่เป็นบริษัทเอกชนของจีนก็ค่อยๆ ปรากฏตัวขึ้นและแข็งแกร่งขึ้น ตลาดเครื่องส่งสัญญาณแรงดันในอนาคตของจีนเต็มไปด้วยสิ่งใหม่ๆ ที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก