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      差壓傳感器的工作原理及在應(yīng)用中的故障分析

      2011年05月09日 15:54:05人氣:646來源:北京賽斯維測控技術(shù)有限公司

       

      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(hù)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(jìn)行,甚至危及生產(chǎn)安全,因此對現(xiàn)場儀表維護(hù)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。

           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(jìn)行了生產(chǎn)來說是至關(guān)重要的。我們根據(jù)日常維護(hù)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(tuán)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(jìn)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(jìn)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(hù)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。

                     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(hù)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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