پروتکل HART چیست؟

بیشتر ابزارهای هوشمند میدانی که در سراسر دنیا نصب شده اند دارای قابلیت ارتباط با HART هستند. فناوری قدرتمند HART (مخفف عبارت مبدل راه دور قابل آدرس دهی بزرگراهی یا Highway Addressable Remote Transducer) استاندارد جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات از طریق سیمهای میان ابزارهای هوشمند و سیستم کنترل یا پایش و یا اسباب ارتباطی قابل حمل است.

به عبارت فنی تر، HART یک پروتکل ارتباطی دو جهته است که بین ابزارهای میدانی هوشمند (مانند ترانسمیترهای فشار یا دمای قابل برنامه ریزی و مجهز به نمایشگر) و سیستم های میزبان (PLC یا ابزار ارتباطی قابل حمل) امکان تبادل داده را فراهم می کند. میزبان در اینجا می تواند هر نرم افزار کاربردی نصب شده روی ابزار دستی یا لپ تاپ یا کنترل فرایند یک کارخانه باشد.

فناوری HART

فناوری HART برای کالیبراسیون ابزارهای هوشمند و یا عیب یابی برخط انتخابی بسیار مناسب است. دلایل زیادی برای برقراری ارتباط میان یک میزبان و ابزارهای هوشمند وجود دارد:

-         پیکربندی ابزار

-         عیب یابی ابزار

-         رفع عیب ابزار

-         خوانش مقادیر اندازه گیری اضافی که توسط ابزار قابل تدارک است.

-         بررسی وضعیت سلامت ابزار

-         و ...

این فناوری موفق ترین پروتکل ارتباطی از نوع خود بوده و هم اکنون روی بیش از 30 میلیون ابزار هوشمند در سراسر دنیا نصب شده است.

پروتکل HART چگونه عمل می کند؟

پروتکل HART از استاندارد کلیدگذاری انتقال فرکانس (FSK=Frequency Shift Keying) از گروه بل 202 برای برهم نهی سیگنال های ارتباطی دیجیتال در سطح پایین بر فراز یک سیگنال 4-20mA استفاده می کند. سیگنال دیجیتال از دو فرکانس 1200 Hz و 2200 Hz که معرف بیتهای 1 و 0 هستند تشکیل شده است. موجهای سینوسی این دو فرکانس روی کابلهای سیگنال آنالوگ جریان مستقیم برهم نهی می شوند تا ارتباطات همزمان آنالوگ و دیجیتال ایجاد کنند. از آنجایی که مقدار متوسط سیگنال FSK همواره صفر است، سیگنال آنالوگ 4-20mA تحت تاثیر قرار نمی گیرد. سیگنال ارتباطی دیجیتال یک زمان پاسخ 2 تا 3 بروز سازی داده در ثانیه بدون ایجاد وقفه در سیگنال آنالوگ دارد. یک امپدانس حلقه حداقل 230 W برای ارتباط مورد نیاز است.

 

کلیدگذاری انتقال فرکانس

فناوری HART یک پروتکل master/slave است، بدین معنی که یک ابزار میدانی هوشمند (slave) تنها زمانی لب به شخن می‌گشاید که از جانب یک master فراخوانده شود. پروتکل HART می تواند در مودهای مختلفی مانند نقطه به نقطه یا multidrop برای مخابره اطلاعات به یا از ابزارهای میدانی هوشمند و کنترل مرکزی یا سیستم های پایش بکار رود.

پروتکل HART از دو کانال مخابراتی همزمان استفاده می کند: یک سیگنال آنالوگ 3-20mA و یک سیگنال دیجیتال. سیگنال 4-20 mA با مقدار اندازه گیری شده اولیه (در مورد یک ابزار میدانی هوشمند) با استفاده از حلق جریان 4-20mA ارتباط برقرار می‌کند. این سریعترین و قابل اعتمادترین استاندارد صنعتی است. اطلاعات اضافی در مورد ابزار با استفاده از یک سیگنال دیجیتال مخابره می شود که بر روی سیگنال آنالوگ بر هم نهی شده است.

سیگنال دیجیتال شامل اطلاعاتی از ابزار است که شامل وضعیت دستگاه، تشخیص عیب، مقادیر اندازه گیری شده یا محاسبه شده کمکی و مانند اینها می شوند. دو کانال مخابراتی به همراه یکدیگر یک راهکار کم هزینه و بسیار مقاوم برای ارتباطات میدانی کامل فراهم می‌کنند که استفاده و پیکربندی آن بسیار ساده است.

شکل زیر مثالی از اتصال یک HART به ترانسمیتر فشار را نشان می دهد. هدف در اینجا می تواند پیگربندی مجدد ترانسمیتر با مثلا تعویض گستره کاری آن باشد. منبع تغذیه می تواند هر دستگاهی مانند یک DPI 610 باشد.

 

https://instrumentationtools.com/what-is-hart-protocol/

https://www.fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology-explained#4257225834-3363075786

ترانسمیترهای تفاضلی فشار، اصول کارکرد و کاربرد آنها

فشار چیست؟

فشار وقتی تجربه می شود که نیرویی روی یک سطح اعمال می شود. بنابراین با افزایش فشار یا کاهش مساحت سطح می توان فشار را افزایش داد. یکای فشار از نوع نیرو بر سطح است بنابراین وقتی نیروی یک نیوتن بر سطحی به مساحت یک متر مربع اعمال می‌شود، فشار وارده را 1 N/mm² می دانیم که برابر 1 Pa (یک پاسکال) است. سایر یکاهای فشار عبارتند از:

·         بار که تقریبا برابر 100000 Pa یا 100 kPa است و یکای متداول در فشارسنجی است.

·         پاوند بر اینچ مربع یا psi که معادل 6894.757 Pa است و نیز داریم 1 bar = 14.5 psi.

شکل زیر جدول یکاهای مختلف و ضرایب تبدیل آنها به یکدیگر را نشان می دهد.

اتمسفر اطراف کره زمین نیز بر همه اشیای روی آن فشار وارد می کند. این فشار به فشار اتمسفری موسوم است. تغییر فشار اتمسفر باعث تغییر وضع آب و هوا می شود. فشار بالا در روزهای صاف آفتابی و فشار پایین در روزهای ابری تجربه می شود.

انواع مختلف اندازه گیری فشار

درک سه نوع اصلی اندازه گیری فشار بسیار مهم است:

1)     فشار مطلق: فشار نسبت به خلاء مطلق

2)     فشار گیج: اختلاف فشار بین فشار مطلق و فشار اتمسفر، همان مقداری که برای مثال توسط فشارسنج تایر خودرو نشان داده می‌شود.

3)     فشار تفاضلی (differential Pressure): اختلاف فشار دو منبع مختلف با یکدیگر.

فشار مطلق

فشار مطلق نسبت به خلاء کامل اندازه‌گیری می‌شود. اگر فشار اتمسفر را به فشار گیج اضافه کنیم، فشار مطلق بدست می‌آید.

فشار گیج

فشارسنج های معمولی اختلاف میان فشار یک محیط مثل فضای درون تایر خودرو را با فشار اتمسفری محیط اندازه می گیرند. این کمیت به فشار گیج موسوم است و برای مشخص شدن آن از پسوند g استفاده می‌شود (مانند 2 barg یا 29 psig).

فشار تفاضلی

فشار تفاضلی بر خلاف فشار گیج نسبت به یک مرجع ثابت اندازه گیری نمی شود. یک گیج فشار تفاضلی دارای دو ورودی برای اتصال به دو منبع مولد فشار است. گیج فشار تفاضلی، اختلاف میان فشار این دو منبع را اندازه می‌گیرد.

کاربردهای اندازه‌گیری فشار تفاضلی

اندازه گیری فشار تفاضلی (DP) معمولا اساس اندازه گیری کمیت های صنعتی مانند جریان، سطح مایعات، چگالی، گرانروی (ویسکوزیته) و حتی دما است. اندازه گیری نرخ جریان به کمک فشار تفاضلی یکی از متداولترین کاربردهای ترانسمیتر فشار تفاضلی است. جریان سنج ها (فلومترها)ی فشار تفاضلی دارای یک عنصر اولیه و ثانویه هستند. عنصر اولیه برای ایجاد یک اختلاف فشار به هنگام افزایش سرعت جریان طراحی شده است. مهمترین نوع عنصر اولیه در این فلومترها عبارتند از صفحه اوریفیس، ونتوری، نازل جریان و لوله پیتوت.

عنصر ثانویه فلومتر یک ترانسمیتر فشار تفاضلی است. این ترانسمیتر اختلاف فشار تولید شده توسط عنصر اولیه را با حداکثر دقت ممکن اندازه گیری می کند. بویژه مهم است که فشار، دمای سیال یا سایر خواص محیطی بر اندازه گیری فشار تفاضلی تاثیر نگذارند.

سیگنال خروجی از یک ترانسمیتر DP معمولا در محدوده 4-20 mA است اما ممکن است پروتکل ارتباطی آن شامل ارتباطات دیجیتالی مانند HART، Profibusm، Fieldbus، Modbus 485 RTU یا سایر پروتکلهای ارتباطی باشد. هدف در اینجا ارسال یک سیگنال الکتریکی برای یک بزار کنترل فرایند از راه دور است.

ترانسمیتر تفاضل فشار چیست؟

این تجهیز یکی از پراستفاده ترین ابزار آلات سنجش فشار در صنعت است که اختلاف فشار بین دو درگاه را سنجیده و یک سیگنال خروجی در ارتباط با یک گستره فشار کالیبره شده تولید می کند. ترانسمیتر صنعتی از دو اتاقک ساخته شده است. عنصر سنجش فشار در نیمه پایینی قرار دارد و بخش الکترونیکی در نیمه بالایی قرار داده شده است. این ابزار دارای دو درگاه فشار با علامت بالا و پایین است. لازم نیست که درگاه بالایی به فشار بالا و درگاه پایینی به فشار پایین وصل باشد.

ساختار ترانسمیتر تفاضل فشار

یک ترانسمیتر تفاضل فشار دارای سه بخش کارکردی است:

1) عنصر سنجش مستقیم فشار (مستقر در اتاقک پایین)

عنصر سنجش فشار در بیشتر ترانسمیترها یک دیافراگم است. این دیافراگم یک اسباب مکانیکی است که بین دو درگاه ورودی فشار قرار داده شده است. بر اثر اعمال فشار این دیافراگم دچار تغییر شکل می شود. این تغییرشکل یک سیگنال الکتریکی تولید می کند. این عمل معمولا توسط یک حسگر ایجاد می شود. حسگرهای متداول در این رابطه عبارتند از کرنش سنج (strain gauge)، خازن تفاضلی و سیم مرتعش. خروجی حسگر متناسب با فشار اعمالی است.

2) واحد الکترونیکی: سیگنال الکتریکی تولید شده توسط حسگر در اتاقک پایینی تنها در گستره هزارم ولت است.

سیگنال تولیدی به گستره 0-5V یا 0-10V تقویت شده و به 4-20mA تبدیل می شود.

3) ترانسمیتر جریان 4-20mA دو سیمه

یک جریان خروجی مستقیم تولید می شود که مستقیما متناسب با گستره فشار ترانسمیتر است. حد پایینی 4mA و حد بالایی 20mA است. این خروجی جریان کنترل شده تحت تاثیر تغییرات امپدانس بار و نوسانات ولتاژ تغذیه قرار نمی گیرد. خروجی 4-20mA با ارتباطات دیجیتالی پروتکل BRAIN یا HART FSK برهم نهی می شود.

منبع:

https://www.coulton.com/beginners_guide_to_differential_pressure_transmitters.html