Защищенный от избыточного давления контроллер потока – гибкость как результат оцифровки
Наибольший уровень оптимизации решений достигается тогда, когда на этапе разработки продукта устанавливается тесное взаимодействие между производителем отдельных компонентов и производителем готовых устройств. Подтверждающим это примером служит модуль измерения дифференциального давления, который был разработан в ответ на запрос клиента и который позднее был использован при производстве нового контроллера потока. Гибкость обоих сторон и, что самое важное, цифровая обработка сигнала, принесла в данном случае замечательные результаты.
Изначально, для обработки листового металла возникла необходимость создания системы распыления, позволявшей проводить точное дозирование смазочных материалов. Данная задача стала для Bürkert пилотным проектом и послужила отправной точкой в разработке серии контроллеров жидких потоков. В одном компактном приборе, приспособленном для продолжительной бесперебойной работы (что является стандартным требованием для измерительных технологий), необходимо было объединить чувствительный элемент, управляющую технологию, активатор и стандартные интерфейсы электронных процессов.
Измерение расхода при помощи дифференциального давления
Так как особенности рабочей среды требовали наличия достаточно прочной конструкции и высокой эксплуатационной надежности, было решено проводить расчет расхода методом измерения перепада давления среды при ее проходе через сужающее отверстие заданного диаметра. Для этой цели были установлены два независимых датчика давления. К тому времени у Bürkert уже были очень хорошие отношения с немецким филиалом Keller AG и в данной ситуации это обстоятельство сыграло крайне положительную роль. «Тогда мы уже представили свой преобразователь дифференциального давления (Серия PD-39X), который обладал всеми качествами, необходимыми для решения данной задачи – главным из которых была устойчивость к перегрузкам давления» – вспоминает исполнительный директор Вольфганг Браун.
Разница давлений или преобразователь дифференциального давления
В стандартных преобразователях дифференциального давления с измерительной средой контактируют обе стороны измерительной мембраны, представляя собой один вход для «высокого» и один вход для «низкого» давления. При стандартных диапазонах измерения дифференциального давления в 500 мбар и стандартном опорном давлении в 10 бар, кратковременное исчезновение давления на высоком или низком входе может привести к двадцатикратной перегрузке мембраны. Чтобы выдержать подобную нагрузку датчик должен обладать специальной сложной конструкцией (и, следовательно, быть дорогим). Специалисты Bürkert, разрабатывавшие систему контроля жидкостей, хотели исключить риски подобного рода, поэтому серьезно заинтересовались модулем измерения дифференциального давления KELLER.
Преобразователи дифференциального давления KELLER состоят из двух герметизированных кремниевых сенсоров давления, установленных на расстоянии 20 мм друг от друга. Они отдельно отправляют выходные сигналы на входы микропроцессора: после проведения прямого 16-битного аналого-цифрового преобразования вычислительные мощности микропроцессора позволяют устранить практически любые воспроизводимые отклонения от линейности и температурные зависимости. Благодаря этому методу, преобразователи дифференциального давления Keller обладают суммарной погрешностью менее чем ±0,1% ВПИ в широком температурном диапазоне. Аналоговый выходной сигнал модуля обновляется 200 раз в секунду, а хороший запас по динамике становится доступен для последующей обработки. Можно сказать, что диапазон измерения дифференциального давления в этом случае должен составлять приблизительно 20% от опорного давления.
В дополнение к стандартным аналоговым сигналам 4…20 мА и 0…10 В, процессор выдает цифровой сигнал по полудуплексному интерфейсу RS485. Данный интерфейс может быть использован, к примеру, для вывода значений температуры и давления с отдельных сенсоров, так что выходные значения не будут ограничены только значениями дифференциального давления. Оцифровка обеспечивает гибкую адаптацию интервала аналогового выходного сигнала к желаемому интервалу входного сигнала (дифференциальное давление).
Механическое соединение между сенсорами давления и основным каналом контроллера потока осуществляется посредством капиллярной трубки (продуваемой в ходе специального процесса очистки), которая также выполняет роль фильтра нижних частот для пиковых значений давления. Все части, вступающие в контакт со средой (кроме уплотнительных колец) изготовлены из высококачественной нержавеющей стали.
Тесное сотрудничество между инженерами Keller и Bürkert обеспечило результат, полностью удовлетворяющий совместно разработанной спецификации. Кроме этого инженеры Keller внесли некоторые дополнительные изменения в соответствии с желаниями клиента. Так вариативность исполнений для гибких печатных плат с электрически подключаемыми деталями и механической интеграцией была согласована совместно, как и выходной сигнал при минимальном значении расхода, который при значении напряжения в 2,5 В значительно варьируется у различных продуктов Keller.
Интеграция
Bürkert по запросу производит контроллеры расхода жидкостей, как специализированные измерительные устройства для специфических применений. Используя только три преобразователя дифференциального давления с различным оборудованием, можно достичь итоговых значений расхода от 0,9 л/ч до 36 л/ч, в зависимости от величины опорного давления. Измерительные диапазоны тонко настроены с помощью специальных отверстий в канале потока; необходимая разница между входным и выходным давлениями стандартно составляет около 500 мбар.
По мере работы над проектом особенности цифровой обработки сигнала, а также особенности наличия отдельных сигналов для входного и выходного давлений привели к появлению неожиданных преимуществ. Так стало возможным использовать данные особенности для задания диапазонов, обнаружения перегрузок или для внедрения прочих инструментов диагностики. Кроме этого, в ходе калибровки измерения расхода (обычно производимой с использованием воды или другой жидкости, обладающей той же скоростью, что рабочая среда) стало возможным переопределять данные калибровки в процессоре преобразователя давления, таким образом осуществляя прямую калибровку контроллера потока, а не только сенсора давления.
Рабочий принцип измерения: измерение основано на принципе перепада давления. Сужение в основном канале вызывает падение давления в потоке, что фиксируется датчиками дифференциального давления. Датчик выдает точный, температурно-компенсированный сигнал с данными измерения, позволяющий произвести последующий расчет расхода.
Краткое содержание/выводы
Двое специалистов – один в области контроля расхода и один в сфере измерения давления – тесно и плодотворно сотрудничали для того, чтобы найти совместное решение крайне специфической задачи, поставленной клиентом. Обработка сигнала, производимая микропроцессором преобразователя дифференциального давления Keller, имеющего два сенсора, упростила интеграцию прибора в контроллер потока, предназначенный для непрерывной и продолжительной работы в сфере технологических процессов; кроме того, это позволило внедрить в контроллер целый ряд новых функций. К настоящему времени прибор был использован для решения большого количества разнообразных задач и продемонстрировал значительные преимущества перед стандартными преобразователями дифференциального давления, имеющими только одну мембрану – в особенности в том, что касается сопротивления перегрузкам. В частности, для нестандартных задач цифровая обработка сигнала предлагает множество преимуществ, внедрение которых отразится на конечной стоимости прибора.
Модель двойного сенсора KELLER, серия PD-9 FLX, с электронными компонентами
