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差壓傳感器的工作原理及在應(yīng)用中故障分析

2011-5-6  閱讀(877)

 

在工業(yè)自動化生產(chǎn)中,,差壓變送器用于壓力壓差流量的測量,得到了非常廣泛應(yīng)用,,在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用,。隨著石化、鋼鐵,、造紙,、食品、醫(yī)藥企業(yè)自動化水平的不斷提高,差壓變送器的應(yīng)用范圍越來越廣泛,,生產(chǎn)中遇到的問題也越來越多,,加之安裝、使用,、維護人員的水平差異,,使得出現(xiàn)的問題不能迅速解決,一定程度上影響了生產(chǎn)的正常進行,,甚至危及生產(chǎn)安全,,因此對現(xiàn)場儀表維護人員的技術(shù)水平提出了更高要求。 

 

1,、工作原理與故障診斷 

 

1.1 差壓變送器工作原理

來自雙側(cè)導(dǎo)壓管的差壓直接作用于變送器傳感器雙側(cè)隔離膜片上,,通過膜片內(nèi)的密封液傳導(dǎo)至測量元件上,測量元件將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號傳遞給轉(zhuǎn)換器,,經(jīng)過放大等處理變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號輸出,。差壓變送器的幾種應(yīng)用測量方式:

  

(1) 與節(jié)流元件相結(jié)合,利用節(jié)流元件的前后產(chǎn)生的差壓值測量液體流量,,如圖1所示,。 

(2) 利用液體自身重力產(chǎn)生的壓力差,測量液體的高度,,如圖2所示,。 

(3) 直接測量不同管道、罐體液體的壓力差值,,如圖3所示,。

差壓傳感器的工作原理及在應(yīng)用中的故障分析

     圖一                            圖二                       圖三

 

圖1 流體流量測量 圖2 液位高度測量 圖3 管路間差壓測量

差壓變送器的安裝包括導(dǎo)壓管的敷設(shè)、電氣信號電纜的敷設(shè),、差壓變送器的安裝,。 

 

1.2 差壓變送器故障診斷 

變送器在測量過程中,常常會出現(xiàn)一些故障,,故障的及時判定分析和處理,,對正在進行了生產(chǎn)來說是至關(guān)重要的,。我們根據(jù)日常維護中的經(jīng)驗,,總結(jié)歸納了一些判定分析方法和分析流程,。 

(1) 調(diào)查法:回顧故障發(fā)生前的打火,、冒煙,、異味、供電變化,、雷擊,、潮濕、誤操作,、誤維修,。 

(2) 直觀法:觀察回路的外部損傷、導(dǎo)壓管的泄漏,,回路的過熱,,供電開關(guān)狀態(tài)等。 

(3) 檢測法: 

斷路檢測:將懷疑有故障的部分與其它部分分開來,,查看故障是否消失,,如果消失,則確定故障所在,,否則可進行下一步查找,,如:智能差壓變送器不能正常Hart遠(yuǎn)程通訊,可將電源從儀表本體上斷開,,用現(xiàn)場另加電源的方法為變送器通電進行通訊,,以查看是否電纜是否疊加約2kHz的電磁信號而干擾通訊。 

短路檢測:在保證安全的情況下,,將相關(guān)部分回路直接短接,,如:差變送器輸出值偏小,可將導(dǎo)壓管斷開,,從一次取壓閥外直接將差壓信號直接引到差壓變送器雙側(cè),,觀察變送器輸出,以判斷導(dǎo)壓管路的堵,、漏的連通性,。 

替換檢測:將懷疑有故障的部分更換,判斷故障部位,。如:懷疑變送器電路板發(fā)生故障,,可臨時更換一塊,以確定原因,。 

分部檢測:將測量回路分割成幾個部分,,如:供電電源,、信號輸出、信號變送,、信號檢測,,按分部分檢查,由簡至繁,,由表及里,,縮小范圍,找出故障位置,。 

 

2,、典型故障案例 

 

2.1 導(dǎo)壓管堵塞 

以正導(dǎo)壓管堵塞為例來分析導(dǎo)壓管堵塞出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。在儀表維護中,,由于差壓變送器導(dǎo)壓管排放不及時,,或介質(zhì)臟、粘等原因,,容易發(fā)生正負(fù)導(dǎo)壓管堵塞現(xiàn)象,,其表現(xiàn)特征為:變送器輸出下降、上升或不變,。當(dāng)流量增加時,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響: 

設(shè)原流量為F1,, P1= P1+- P1- ,,F(xiàn)’1=K ,F(xiàn)’1為變化前的變送器輸出值,, 

設(shè)增加后的流量為F2,,(即:F2> F1), P2= P2+- P2- ,,F(xiàn)’2=K ,,F(xiàn)’2為流量增加后的變送器輸出值。 

由于正壓管堵塞,,則當(dāng)實際流量分別為F1,、F2時,P1+= P2+,; 

當(dāng)流量增加時,,P2-出現(xiàn)如下變化:因為實際流量增加為F2,則與原流量F1時相比,,管道內(nèi)的靜壓力也相應(yīng)增加,,設(shè)增加值為P0,同時P2- 因管道中流體流速的增加而產(chǎn)生的靜壓減小,,減小值為P0?,,此時P2-與P1- 的關(guān)系為: 

P2- P1-+ P0- P0? 

則: P2= P2+- P2- P1+-( P1-+ P0- P0?)= P1+( P0?-P0) 

則: F’現(xiàn)=K 

這樣: 

當(dāng) P0=P0?時 則:F’2=K =K F’2= F’1 變送器輸出不變,。 

當(dāng) P0>P0?時 則: F’2=K =K ,F’2< F’1,變送器輸出變大。 

當(dāng) P0 F’1 ,變送器輸出變小,。 

當(dāng)流量減小時,,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響。 

設(shè)原流量為F1,, P1= P1+- P1- ,,F(xiàn)’1=K ,,F(xiàn)’1為變化前的變送器輸出值,。 

設(shè)減小后的流量為F2,(即:F2> F1),, P2= P2+- P2- ,,F(xiàn)’2=K ,F(xiàn)’2為流量減小后的變送器輸出值,。 

由于正壓管堵塞,,則當(dāng)實際流量分別為F1、F1時,,P1+= P2+,; 

當(dāng)實際流量由F1減小到F2時,管道中的靜壓也相應(yīng)的降低,,設(shè)降低值為P0,;同時,當(dāng)實際流量下降至F2時,,P2-值也要因為管內(nèi)流體流速的降低而升高,,設(shè)升高值為P0’。 

此時,,P2-與P1-的關(guān)系為:- 

P2-= P1-- P0+ P0’ 

P2= P2+- P2-= P1+-( P1-- P0+ P0’)= P1+( P0- P0’) 

F’2=K 

這樣: 

當(dāng) P0=P0?時 則:F’2=K =K F’2= F’2 變送器輸出不變,; 

當(dāng) P0>P0?時 則: F’2=K =K ,F’2> F’1,變送器輸出變大; 

當(dāng) P0 

一般情況下,,導(dǎo)壓管的堵原因主要是由于測量導(dǎo)壓管不定期排污或測量介質(zhì)粘稠,、帶顆粒物等原因造成。 

 

2.2 導(dǎo)壓管泄漏 

以正導(dǎo)壓管泄漏來分析導(dǎo)壓管泄漏出現(xiàn)的故障現(xiàn)象,。如圖1所示,,萊鋼集團公司某加熱爐儀表控制閥用凈化風(fēng)總管線的流量測量方式為:節(jié)流孔板+差壓變送器。裝置生產(chǎn)正常時的用風(fēng)流量基本是穩(wěn)定的,,但在后期的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)用風(fēng)流量比正常值下降了很多,。 

經(jīng)過檢查,二次儀表(DCS)組態(tài)及電信號回路工作正常,,變送器送檢定室標(biāo)定正常,,于是懷疑問題出現(xiàn)出導(dǎo)壓上,,經(jīng)過檢查,由于正導(dǎo)壓管焊接不好造成泄漏所至,,經(jīng)過補焊堵漏后,,流量測量恢復(fù)正常。 

下面我們分析正導(dǎo)壓管泄漏時反映出的故障現(xiàn)象,。 

正導(dǎo)壓管泄漏的現(xiàn)象是:變送器輸出下降,、上升及不變 

分析: 

當(dāng)流量上升時,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響 

設(shè)原流量為F1,, P1= P1+- P1- ,,F(xiàn)’1=K ,F(xiàn)’1為變化前的變送器輸出值,, 

設(shè)增加后的實際流量為F2,,(即:F2>F1),F(xiàn)’2=K ,,F(xiàn)’2為流量增加后的變送器輸出值,。 

因流量增加,管道靜壓增加為P0,,隨著流速的增大,,實際壓管靜壓減小為P0?,正壓管泄漏降壓下降為Ps 

則:P2+= P1++P0-Ps,,P2- P1- +P0- P0? 

    P2= P2+- P2- P1+( P0? Ps) 

那么 

當(dāng):P0?=Ps 正壓導(dǎo)管泄漏,,而流量上升時,變送器輸出不變 

當(dāng):P0?>Ps 正壓導(dǎo)管泄漏,,而流量上升時,,變送器輸出增加 

當(dāng):P0? 

當(dāng)流量下降時,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響 

設(shè)下降后的實際流量為F2,,即:F2 

因流量下降,,管道靜壓下降值P0,同時由于流體流速下降,,負(fù)壓管靜壓增加P0?,,正壓管泄漏降壓下降為Ps 

則:P2+= P1+-P0-Ps,P2- P1- -P0+ P0? 

    P2= P2+- P2- P1-( Ps P0’) 

    F’2=K =K 

即:當(dāng)流量下降時,,變送器輸出總是小于實際流量,。 

實際上,當(dāng)泄漏量非常小的時候,,由于種種原因,,工藝操作或儀表維修護人員很難發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)泄漏量大,所測流量與實際流量相比有較大誤差時才會發(fā)現(xiàn),,這時即使是實際流量上升,,總是P0’ 

即: P2<< P1, 

     F’2< 

上述儀表控制閥用凈風(fēng)管線的流量測量就這屬于這種情況,。

 

2.3 平衡閥泄漏 

設(shè)流量為F,, P1= P1+- P1- ,F(xiàn)’1=K ,,F(xiàn)’1為平衡閥泄漏前的變送器(帶開方)輸出值 

我們假設(shè)管道內(nèi)流體流量在沒有變化的情況下做分析 

設(shè)泄漏的壓力為PS,, 

則:泄漏后的正負(fù)導(dǎo)壓管的靜壓為: 

P2+= P1+-PS,P2-= P1-+ PS 

P2= P2+- P2- P1-2 PS,,則 

F’2=K 

即:F’2 

 

2.4 氣體流量導(dǎo)壓管積液情況下的變送器測量誤差 

由于氣體流量取壓方式不對或?qū)汗馨惭b不符合要求(與水平成不小于1:12的斜度連續(xù)下降) 時,常常造成導(dǎo)壓管內(nèi)部積存液體的現(xiàn)象,。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),往往會致使測量不準(zhǔn),,如果在變送器量程很小的情況下,,甚至?xí)斐勺兯推鬏敵龅囊恍┎▌印?nbsp;

如圖4,萊鋼大型1#1880高爐的煤氣流量測量系統(tǒng),,系統(tǒng)為節(jié)流孔板+差變送器,取壓方式為環(huán)室取壓,,煤氣流動方向為向下,,放空方式為安全考慮,設(shè)為集中式排放,。

差壓傳感器的工作原理及在應(yīng)用中的故障分析

               圖4

本測量系統(tǒng)剛投用時工作正常,,運行一段時間以后,測得的流量逐漸變大,,放空后正常,,工作一段時間后,測得的流量又逐漸變大,。 

經(jīng)過檢查,,二次儀表(DCS)組態(tài)及電信號回路工作正常,變送器送檢定室標(biāo)定正常,,用側(cè)漏儀表查雙側(cè)導(dǎo)管正常,。經(jīng)過分析,為煤氣脫水干燥不凈,,煤氣中含水,,由于液體自上而下流動,部分水聚集于孔板正壓測,,并逐漸沿正壓導(dǎo)壓管流動集中至zui下端,,造成正負(fù)導(dǎo)壓管中積液高度不一至,差壓變送器測量出現(xiàn)正向誤差,顯示為流量增大,。 

分析: 

設(shè)正導(dǎo)壓管取壓點壓力為P+,,負(fù)導(dǎo)壓管取壓點壓力為P-,差壓變送器正端壓力為P+?,,差壓變送器負(fù)端壓力為P-?,。 

P= P+- P- 

P’= P+?- P-? 

正常測量下: 

P= P? 

設(shè)正常測量狀態(tài)下的流量為F,則 F=K 

這里 K為常系數(shù),。 

設(shè)液體水的密度為ρ,,則在正導(dǎo)壓管積液高度為h+,負(fù)導(dǎo)壓管積液高度為h-的情況下: 

P+?= P++ρgh+ 

P-?= P-+ρgh- 

P?= P+?- P-?= P++ρ h+-( P-+ρ h-)= P+ρ (h+-h-) 

則變送器輸出為: 

F?=K 

當(dāng)h+>h-時 變送器實際測得的差壓增大,輸出流量信號變大,, 

當(dāng)h+ 

即:變送器測量輸出的流量信號與實際流量不符,,產(chǎn)生測量誤差。 這里,,由于正壓導(dǎo)管取壓方式的原因,,隨著時間的增加,h+逐漸大于h-,,測得的流量也增大,。 

經(jīng)過典型故障案例,對使用差壓變送器的測量回路由于導(dǎo)壓管原因造成回路測量故障做了一些分析,,這幾種故障都是在儀表設(shè)備維護中非常常見的,,通過分析可以看到,無論是導(dǎo)壓管堵塞,、還是導(dǎo)壓管中積水,,同樣的故障,其表征出來的現(xiàn)象有時并不同,,所以我們在分析問題時應(yīng)該是辯證的,,具體情況具體分析。 

 

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