Pressure Measurement

P1.      Smart Pressure Transmitters

จุดประสงค์การเรียนรู้ (Objective)

1.       สามารถเขียนบล็อกไดอะแกรมของ smart PT ได้

2.       อธิบายหน้าที่ของแต่ละส่วนในบล็อกไดอะแกรมของ smart transmitter ได้

3.       อธิบายคุณลักษณะของโมดูลการวัดและวิธีการใช้งาน (cell characterization is and how this could be

4.       อธิบายผลของอุณหภูมิ ความดัน และความไม่เป็นเชิงเส้นของตัวแปลงความดันใน PT ได้

          การวัดปริมาณทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับตัวแปรในระบบการควบคุมในอุตสาหกรรม ความดันคือตัวแปรหนึ่งที่ต้องทำการวัดเพื่อประโยชน์ในการควบคุม การวัดความดันจะเป็นการแปรค่าปริมาณทางฟิสิกส์ให้เป็นปริมาณทางไฟฟ้าเพื่อให้สะดวกในการแสดงผลทั้งแบบอนาลอกและแบบดิจิตอล โดยเครื่องมือวัดความดันจะเปลี่ยนแปลงค่าความดันไปเป็นการแปรค่าทางไฟฟ้า เช่น ความต้านทาน ความจุของคาปาซิเตอร์ ความถี่ของสัญญาณ หรือ สนามแม่เหล็กเป็นต้น

            การวัดความดันด้วย Smart Pressure Transmitter  มีหลักการดังรูป P-1 โดยแบ่งเป็นส่วนต่าง ๆ ดังนี้

-                   Pressure Transducer(s) และ Temperature Sensor

-                   Analog to Digital Converter

-                   Microprocessor Configuration & Charaterization Memory

-                   Digital to Analog Converter

-                   Power Supply & Output Circuit

โดยการทำงานจะควบคุมด้วยระบบไมโครโปรเซสเซอร์ที่โปรแกรมการทำงานไว้ล่วงหน้า ทั้งค่าย่านการวัด

หน่วยที่ทำการวัด การปรับแต่งที่จำเป็นเช่น การปรับค่าความเป็นเชิงเส้น เป็นต้น

Smart PT Overview

2-Wire Smart Pressure Transmitter Generic Block Diagram

General Description: (ดังรูป P-1)

ความจะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณดิจิตอลซึ่งส่วนประมวลผลจะนำค่านี้และปรับแก้ค่าที่ไม่เป็นเชิงเส้น

ของเซ็นเซอร์ และผลความดันสถิตของบรรยาศและสภาพอุณหภูมิแวดล้อม สัญญาณที่ได้รับการปรับแก้แล้ว

จะส่งต่อไปให้ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาลอก(D/A Converter) โดยจะแปลงค่าเป็นสัญญาณ 4-20 mA

     การป้องกันจ่ายแรงดันกลับขั้ว (Reverse polarity protection) โดยการต่อไดโอดอนุกรมทิศทางตามรูป

 รูปที่ P-1 (Ref :NAIT Sheet RIT Staff 1995)

แหล่งกำลัง (Transmitter Power Supply)

ปรับแรงดันแหล่จ่ายให้พอเหมาะกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้ซีเนอร์ไดโอดที่จะรักษาแรงดันคงที่

ทรานสดิวเซอร์ความดัน (Pressure Transducers)

ใช้แบบคาปาซิตีฟสเตรนเกจแบบใช้ความดึงในเส้นลวด (Capacitance, Strain Gauge, Tension in a wire )

การแปลงสัญญาณอนาลอกไปเป็นดิจิตอล (Analog to Digital Converter)

เพื่อแปลงสัญญาณจากทรานสดิวเซอร์ความดันที่เป็นสัญญาณอนาลอกไปเป็นสัญญาณดิจิตอลซึ่งตัว

ประมวลผลหรือ CPU นำจะไปใช้ต่อไป

การกำหนดความจำลักษณะข้อมูล (Characterization Memory) โดยแต่ค่าของข้อมูลที่เป็นผลจากค่าความดัน

แต่ละจุดแปรผันตามค่าความดันและมีค่าเอาท์พุทแต่ละค่าซึ่งสัมพันธ์กันแต่มีค่าแปรผันไม่เป็นเส้นตรงดังรูป

(non-linear ) ตลอดย่านการวัด 0-URL (Upper Range Level) (Input WC: Water column ความสูงป็นนิ้วน้ำ)

Input Pressure Sensor Output "WC pF 0.00 0.05 10.00 8.85 20.00 18.65 30.00 29.45 40.00 41.25 50.00 54.05 60.00 67.85 70.00 82.65 80.00 98.45 90.00 115.25 100.00 133.05

Input เป็นความดัน 0-100 WC และเอาท์พุทเป็นค่าความจุของ Capacitor ของ Module Transducer (แปลงเป็นความถี่ที่แปรตาม P)

โดยค่าข้อมูลเหล่านี้จะเก็บในหน่วยความจำเพื่อใช้ในการ interpretation

          -    This information is stored in memory (generally 10 points) providing a more accurate interpretation of the process pressure from the sensor signal (i.e. Linearization of sensor signal).

          -    In addition, the effects of static pressure and temperature may be stored in memory and be used to correct the sensors signal accordingly.

          -    This memory contains this information which is unique to the individual transducer used and usually contains the program which directs the microprocessor operation.  Generally this memory is not changeable (i.e. ROM). 

Configuration Memory:

         -     This memory is used to store the configuration for the transmitter.  This memory is non-volatile but user changeable.

Microprocessor:

         -     Performs the tasks set out by the software program controlling its operation.   The microprocessor is what makes the instrument "Smart".

Modem:

         -     Allows digital communication between the transmitter and other devices.

              Communicator a device used to configure the transmitter

              DCS the plant control system

Digital to Analog converter:

         -     Changes digital signal back into an analog signal (i.e. 4 to 20 mA).

Configuration:

         -     Procedure that allows the alteration of a transmitter parameters such as:

              Damping, Lower range value, Upper range value, Units, etc.

         -     Accomplished by use of a hand held communicator, or DCS with appropriate software.

Calibration:

         -     This usually involves calibration of the input (sensor trim) and calibration of the output (4 to 20 mA trim).  These steps are completely separate and will change the transmitters interpretation of the input signal or output signal.

         -     Sensor trim provides a zero and span correction for the input. (i.e. transducer and A to D converter).

         -     4 to 20 mA trim provides a zero and span correction for the output D to A converter.

Performance Specifications of a typical "Smart"  PT

Accuracy:                           0.1% for spans from 1:1 to 15:1

                                      (0.0067 * (URL/Span)) % of span 15:1 to 30:1

Linearity:                           Not Applicable

Stability:                            0.1% of upper range limit for 12 months

Temperature Effect:             (0.066% URL + 0.166% span) per 50°F

Static Pressure Effect:           Not Applicable

Additional points:

          -    For a given range the accuracy of a "smart" transmitter is better due to less electronic circuitry drift (mostly digital) and sensor characterization.

          -    The non-linearity of the sensor is compensated for internally (Characterization)

          -    The Static Pressure Effects of the sensor is compensated for internally.

          -    The temperature of the sensor is compensated for internally, but the temperature of the transmitters circuitry may effect the transmitters overall performance.

PROBLEMS

1.       Briefly explain how cell characterization improves PT performance (accuracy).

2.       Sketch the generic block diagram for a smart pressure transmitter and label it.