Nguyên lý Các cảm biến áp suất

Các cảm biến áp suất thông thường được thiết kế hoạt động dựa trên nguyên lý của sự chênh lệch điện dung. Trong thiết kế này, phần tử cảm biến là một màng kim loại đàn hồi được đặt giữa 2  bề mặt kim loại cố định, tất cả có 3 tấm kim loại tạo thành 2 tụ điện có chung 1 bản cực. Dung môi ( thường là silicone lỏng có thể chuyển động được từ màng cách li sang màng cảm biến và làm thay đổi điện dung của 2 tụ điện.

khi có bất kỳ sự chênh lệch áp suất nào sẽ khiến màng cảm biến bị cong về hướng có áp suất thấp hơn. Màng cảm biến có tính đàn hồi và là phần tử được chế tạo tinh vi,chính xác. có nghĩa là nó có chức năng phát hiện lực tác dụng. Áp lực này có thể chỉ là một hàm của sự chênh áp tác động lên một diện tích bề mặt theo công thức về lực, áp suất, tiết diện F = PA.  Trong trường hợp này chúng ta có 2 lực tác động lên màng cảm biến, do đó công thức ở trên có thể được viết lại như một hàm của chênh áp (P2-P1) và tiết diện : F = (P1 − P2)A. Do tiết diện của màng cảm biến là không đổi, và lực liên quan đến sự dịch chuyển của màng,  bây giờ chúng ta cần suy ra chênh áp dựa bằng cách đo độ dịch chuyển của màng.
Một chức năng nữa của màng cảm biến là nó như một bản cực của 2 tụ điện để có thể đo sự dịch chuyển. Do điện dung của tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực, điện dung ở phía áp suất thấp sẽ tăng lên trong khi điện dung ở phía áp suất cao sẽ giảm:

Một mạch phát hiện điện dung được kết nối vào tế bào cảm biến sử dụng một tín hiệu AC tần số cao để đo sự chênh lệch điện dung giữa 2 nửa, và chuyển thành một tín hiệu dc và biến nó trở thành tính hiệu đầu ra của thiết bị đo áp suất.

Những cảm biến áp suất này có độ chính xác rất cao, ổn định và tin cậy. một điều thú vị trong cách thiết kế này đó là sử dụng 2 màng cách ly để chuyển áp suất quá trình ( áp suất đo) đến màng cảm biến thông qua dung môi được đặt trong nó. khung nền bằng chất rắn ( solid frame) giới hạn chuyển động của 2 màng cách ly để ngăn không có bất lỳ lực nào có thể tác động màng cảm biến vượt qua giới hạn của nó. như hình minh họa, màng cách ly được đẩy về phía khung nền chất rắn,  As the illustration shows, the higher-pressure isolating diaphragm gets pushed toward the metal frame, transferring its motion to the sensing diaphragm via the fill fluid. Nếu áp lực quá lớn được đưa vào phía này, màng cách ly chỉ có thể ép vào khung chất rắn ( nó phẳng lại) If too much pressure is applied to that side, the isolating diaphragm will merely “flatten” against the solid frame of the capsule and stop moving. This positively limits the isolating diaphragm’s motion so that it cannot possibly exert any more force on the sensing diaphragm, even if additional process fluid pressure is applied. This use of isolating diaphragms and fill fluid to transfer motion to the sensing diaphragm, employed in other styles of differential pressure sensor as well, gives modern differential pressure instruments excellent resistance to overpressure damage.

It should be noted that the use of a liquid fill fluid is key to this overpressure-resistant design. In order for the sensing diaphragm to accurately translate applied pressure into a proportional capacitance, it must not contact the conductive metal frame surrounding it. In order for any diaphragm to be protected against overpressure, however, it must contact a solid backstop to limit further travel. Thus, the need for non-contact (capacitance) and for contact (overpressure protection) are mutually exclusive, making it nearly impossible to perform both functions with a single sensing diaphragm. Using fill fluid to transfer pressure from isolating diaphragms to the sensing diaphragm allows us to separate the function of capacitive measurement (sensing diaphragm) from the function of overpressure protection (isolation diaphragms) so that each diaphragm may be optimized for a separate purpose.
Một ví dụ điển hình của một thiết bị đo áp suất dựa trên cảm biến chênh lệch điện dung là model transmitter chênh áp Rosemount 1511, nó có hình dạng như ở hình dưới:

Bằng cách tháo 4 bulong từ transmitter, chúng ta có thế tháo 2 mặt bích từ  khoang áp suất, để có thế thấy được màng cách ly.

Một bức ảnh phóng to cho thấy rõ cấu tạo của màng cách ly , nó không được thiết kế như màng cảm biến, các nếp gấp đồng tâm bằng kim loại của màng cách ly giúp nó dễ dàng uốn cong khi có áp lực tác dụng lên, truyền áp suất quá trình qua chất dung môi lỏng tới màng cảm ứng. 

The interior of the same differential capacitance sensor (revealed by cutting a Rosemount model 1151 sensor in half with a chop saw) shows the isolating diaphragms, the sensing diaphragm, and the ports connecting them together:

Here, the left-side isolating diaphragm is clearer to see than the right-side isolating diaphragm. A feature clearly evident in this photograph is the small clearance between the left-side isolating diaphragm and the internal metal frame, versus the spacious chamber in which the sensing diaphragm resides. Recall that these internal spaces are normally occupied by fill fluid, the purpose of which is to transfer pressure from the isolating diaphragms to the sensing diaphragm. As mentioned before, the solid metal frame limits the travel of each isolating diaphragm in such a way that the higher pressure isolating diaphragm “bottoms out” on the metal frame before the sensing diaphragm can be pushed past its elastic limit. In this way, the sensing diaphragm is protected against damage from overpressure because the isolating diaphragms are simply not allowed to move any farther.

The differential capacitance sensor inherently measures differences in pressure applied between its two sides. In keeping with this functionality, this pressure instrument has two threaded ports into which fluid pressure may be applied. A later section in this chapter will elaborate on the utility of differential pressure transmitters. All the electronic circuitry necessary for converting the sensor’s differential capacitance into an electronic signal representing pressure is housed in the blue-colored structure above the capsule and flanges. A more modern realization of the differential capacitance pressure-sensing principle is the Rosemount model 3051 differential pressure transmitter:

As is the case with all differential pressure devices, this instrument has two ports through which fluid pressure may be applied to the sensor. The sensor, in turn, responds only to the difference in pressure between the ports.

The differential capacitance sensor construction is more complex in this particular pressure instrument, with the plane of the sensing diaphragm perpendicular to the plane of the two isolating diaphragms. This “coplanar” design is more compact than the older style of sensor, and more importantly it isolates the sensing diaphragm from flange bolt stress.

Take particular note of how the sensor assembly is not embedded in the solid metal frame as was the case with the original Rosemount design. Instead, the sensor assembly is relatively isolated from the frame, connected only by two capillary tubes joining it to the isolating diaphragms. This way, stresses inside the metal frame imparted by flange bolts have virtually no effect on the sensor.

A cutaway model of a Rosemount model 3051S (“supermodule”) DP transmitter shows how this all looks in real life:

Process fluid pressure applied to the isolating diaphragm(s) transfers to fill fluid inside the capillary tubes, conveying pressure to the taut diaphragm inside the differential capacitance sensor. Like the classic Rosemount model 1151 design, we see the fill fluid performing multiple functions:

• The fill fluid protects the delicate sensing diaphragm from contact with unclean or corrosive process fluids
• The fill fluid allows the isolating diaphragms to provide overpressure protection for the sensing diaphragm
• The fill fluid provides a medium of constant permittivity for the differential capacitance circuit to function

The “supermodule” series of Rosemount pressure transmitters shares the same coplanar design as the earlier 3051 models, but adds a new design feature: inclusion of the electronics within the stainless-steel module rather than the blue-painted upper housing. This feature allows the transmitter size to be significantly reduced if needed for applications with limited space.