ترانسمیترهای فشار تفاضلی
ترانسمیترهای فشار تفاضلی یکی از رایج‌ترین و مفیدترین دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار در صنعت، می‌باشند. این دستگاه اختلاف فشار بین دو پورت ورودی را حس کرده و سیگنال نشان‌دهنده‌ی آن اختلاف فشار را نسبت به رنج کالیبره شده، در خروجی خود ظاهر می‌کند. ترانسمیترهای فشار تفاضلی بر اساس تکنولوژی‌های سنجش فشار متفاوتی عمل می‌کنند.
ترانسمیترهای فشار تفاضلی‌ای که برای کاربردهای اندازه‌گیری صنعتی ساخته شده‌اند معمولاً متشکل از یک بدنه‌ی قوی ساخته شده از فولاد می‌باشند که المان سنجش در آن قرار گرفته، و در بالا دارای یک محفظه می‌باشند که اجزاء مکانیکی و یا الکتریکی لازم برای تبدیل اندازه‌گیری شده به یک سیگنال استاندارد ابزاردقیق (به عنوان مثال 3-15 PSI، 4-20 mA، و کدهای دیجیتالی فیلدباس) را در خود جای داده است.
در همه‌ی این ترانسمیترهای فشار تفاضلی المان سنجش فشار در نیمه‌ی پایینی دستگاه قرار گرفته در حالی که مدارات الکترونیکی در نیمه‌ی بالایی دستگاه قرار داده شده‌اند.
قطع نظر از سازنده یا مدل، هر ترانسمیتر فشار تفاضلی دارای دو پورت فشار برای حس‌کردن فشارهای سیال فرآیند می‌باشد. این پورت‌ها معمولاً از نوع NPT مادگی رزوه‌دار اینچ است که به آسانی می‌توان آنها را به پروسه متصل کرد. یکی از این پورت‌ها دارای برچسب High و دیگری دارای برچسب Low می‌باشد. این برچسب‌گذاری لزوماً به این معنا نیست که پورت High باید همیشه فشار بیشتری نسبت به پورت Low داشته باشد. این برچسب‌ها نشان‌می‌دهند که بر اثر افزایش فشار سیال اعمال شده به آن پورت، جهت تغییر سیگنال خروجی به چه صورت است. برای مثال، در صورتی که فشار اعمالی بر روی پورت High افزایش یابد، سیگنال خروجی نیز افزایش خواهد یافت.
رایج‌ترین المان سنجش استفاده شده در ترانسمیترهای DP دیافراگم می‌باشد. یک طرف این دیافراگم فشار سیال فرآیند را از پورت High دریافت می‌کند، در حالی که طرف دیگر دیافراگم فشار سیال فرآیند را از پورت Low می‌گیرد. هرگونه اختلاف فشار بین دو پورت سبب می‌شود که دیافراگم از موقعیت ایستای خود (وسط) خارج شده و خمیده شود. سپس این خمیدگی بواسطه‌ی تکنولوژی‌های مختلف و بسته به سازنده و مدل ترانسمیتر به یک سیگنال خروجی ترجمه می‌شود.
برچسب‌های H و L حک شده بر روی پورت‌های ترانسمیتر DP به معنای مقدار و بزرگی فشارهای ورودی نمی‌باشد. در واقع این‌طور نیست که فشار پورت H حتماً باید بزرگتر از فشار پورت L باشد. این نمادها صرفاً اثرات متفاوت ناشی از اعمال فشار روی هر پورت بر روی سیگنال خروجی را نشان می‌دهند. افزایش فشار اعمال شده به پورت High یک ترانسمیتر DP سیگنال خروجی را به یک سطح بزرگتر (بالا) سوق می‌دهد، در حالی که افزایش فشار اعمال شده به پورت Low یک ترانسمیتر DP سیگنال خروجی را به یک سطح کوچکتر (پایین) سوق می‌دهد.
دقت داشته باشید که برخی از سازندگان (مانند ABB/Bailey) برای مشخص‌کردن پورت‌های فشار High و Low از برچسب‌های + و – استفاده می‌کنند. هرچند اکثر سازندگان ترانسمیترهای فشار تفاضلی از برچسب‌های H و L برای مشخص‌کردن پورت‌های فشار High و Low استفاده می‌کنند.
در دنیای الکترونیک، می‌توان به قابلیت‌های یک سنسور ولتاژ تفاضلی (مثل تقویت‌کننده‌ی عملیاتی) در سنجش تفاوت‌های کوچک ولتاژ اشاره کرد، به‌طوری که پتانسیل بزرگ انـدازه‌گـیـری شـده نـسبت بـه زمین را تـوسط عـبارت حـذف مـد مـشترک (Common-mode rejection) نادیده می‌گیرد. یک تقویت‌کننده‌ی عملیاتی ایده‌آل، یک مقدار مشترک ولتاژ اعمال شده به هر دو ترمینال ورودی را کاملاً نادیده می‌گیرد، و تنها به تفاوت در ولتاژ بین دو ترمینال واکنش نشان می‌دهد. این دقیقاً همان کاری است که یک طراحی خوب از ترانسمیتر DP انجام می‌دهد، با این تفاوت که باید به‌جای ولتاژ الکتریکی فشار سیال را در نظر گرفت. یک ترانسمیتر DP فشار مشترک و یکسان اعمال شده به هر دو پورت را نادیده می‌گیرد، در حالی که تنها به اختلاف در فشار بین دو پورت پاسخ می‌دهد. به بیان دیگر، یک ترانسمیتر فشار تفاضلی (به طور ایده‌آل) تنها به فشار تفاضلی (اختلاف فشار) پاسخ می‌دهد، در حالی که فشار مد مشترک را نادیده می‌گیرد.
برای نشان دادن این مطلب، ما می‌توانیم پورت‌های High و Low یک ترانسمیتر فشار تفاضلی را توسط لوله یا تیوب به یکدیگر متصل کرده، و سپس هر دو پورت را به‌طور همزمان در معرض یک منبع فشار سیال همچون هوای فشرده‌ی یک کمپرسور هوا قرار دهیم. اگر ترانسمیتر فشار تفاضلی دایر و مشغول به کار باشد، باید به‌طور پیوسته و مداوم فشار تفاضلی صفر را ثبت و ارسال کند، حتی اگر ما فشار استاتیک اعمال شده به هر دو پورت را تغییر دهیم. تا زمانی که فشارهای اعمال شده به هر دو پورت با هم برابر هستند، دیافراگم سنجش ترانسمیتر باید نیروی برآیند صفر را تجربه کند. در واقع تمام نیروی اعمال شده به دیافراگم از طرف فشار سیال پورت High باید دقیقاً با نیروی اعمال شده به دیافراگم از طرف فشار سیال پورت Low مقابله کرده و آن را خنثی کند.
در نتیجه یک دستگاه اندازه‌گیری تفاضلی مقدار مد مشترک را حذف کرده و تنها مقدار تفاضل بین نقاط سنجش را ثبت کرده و نشان می‌دهد.
همین اصل حذف مد مشترک (Common-mode rejection) خود را در سیالات و مدارات پیچیده‌تر نیز نشان می‌دهد. یک ترانسمیتر DP و یک ولتمتر را در نظر بگیرید که در یک مدار تقسیم‌کننده از هر دو آنها برای اندازه‌گیری مقدار تفاضلی استفاده شده است.
هر کدام از این دستگاه‌های اندازه‌گیری تفاضلی تنها به اختلاف بین دو نقطه‌ی اندازه‌گیری پاسـخ داده و مقدار مد مشترک را حذف می‌کنند (97.5 PSI برای ترانسمیتر فشار، و 97.5 volts برای ولتمتر). تنها نکته‌ی جالب توجه در این مثال این است که طرف High هر دو دستگاه اندازه‌گیری به نقطه‌ای با ارزش کمتر متصل شده است، به‌طوری که تفاضل اندازه‌گیری شده یک مقدار منفی می‌باشد. ترانسمیترهای فشار تفاضلی مدرن نیز همانند ولتمترهای دیجیتال قادر به اندازه‌گیری دقیق اختلاف فشار منفی و همچنین اختلاف فشار مثبت می‌باشند.
برگرفته از کتاب ترانسمیتر فشار و کاربردهای آن در ابزاردقیق
نویسنده: مهندس عبدالکریم ماندگاری
