1151智能壓力變送器的實際應用

摘要:介紹了新一代1151智能壓力變送器的原理、特點、性能，及其在廠”一級能源計量中與DCS相結合的實際應用。
　　化纖滌綸關口表是對進廠中低壓蒸汽、氮氣、壓縮空氣等能源介質的瞬時量和累積流量進行統計的儀表,是該廠能源核算的重要依據。隨著公司對降低生產成本考核,要求一級能源計量儀表測量精度高,故障率低,投運率高,長期穩定地提供準確數據。
　　過去該廠進廠關口表安裝于室外,采用1151差壓變送器進行流量測量，現場指示累積量。因壓力波動大,濕度大,環境溫度變化大等因素,關口表故障率高,投運率較低,不能保證長期穩定地提供準確數據。同時存在以下問題:1)故障率高;2)該表校準周期一年,因零點漂移問題,經常超標;3)調校麻煩。針對這種現象,提出采用1151智能變送器與DCS結合的改造方案。
1差壓式流量計的測量原理
　　流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關系的公式,是根據流體力學中的伯努利方程和連續性方程推導出來的,即
 
式中
α---流量系數;
?---流束的膨脹校正系數;
a---孔板節流截面積;
△p---節流元件前后的壓差,Pa;
?---工作狀態下流體密度,kg/m³。
　　由式(1)、(2)可知,當α,?,a,ρ一定時,流量與差壓的平方根成比例。
2智能變送器的測量t原理及特點
　　通過比較，選用羅斯蒙特公司的4臺1151Alphaline和1臺3051C智能變送器(3051C智能變送器作為3.5MPa蒸汽的流量測量)。
2.11151Alphaline和3051C智能變送器工作原理
1)1151Alphaline智能變送器仍然使用與普通型變送器一樣的δ室傳感器,工作時,過程壓力(流量差壓)通過變送器膜盒高、低壓側的隔離膜片和填充液傳遞到δ室傳感器中心的傳感膜片(可動電.容極板)上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件,其位移隨所受差壓而變化,其最大位移量為0.1mm且位移量與壓力成正比。兩側的固定電容極板檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和固定電容極板之間電容的差值由轉換電路轉換為相應的電流信號或數字Hart輸出信號。
測量轉換基于如下關系式。
 
式中p一被測壓力(或差壓);
K1一常數;
CH一高壓側(測量壓力側)極板和測量膜片之間的電容;
CL一低壓側(參考壓力側)極板和測量膜片之間的電容。
　　1151Alphaline智能變送器使用代碼為S的智能電路板。轉換電路線路板采用專用集成電路(ASICS)和表面封裝技術,接收傳感器的數字信號并進行修正和線性化處理,輸出部分將數字信號轉換為模擬輸出信號。并可與Hart通信器(如275型通信手操器)通信,Hart通信器可直接存取傳感器的數字信號和對變送器進行組態、測試。組態數據存儲在非易失性EEPROM存儲器中，即使變送器斷電,數據仍能保存。過程變量則以數字數據方式保存,可進行正確地修正和工程單位換算。
2)3051C智能變送器采用新型的共面(Copla-nar)傳感膜頭,具有很高的靈活性,傳感器遠離過程法蘭,移至外殼的頸部,從而實現了機械隔離和熱隔離。傳感膜頭還可進行溫度測量,用于補償溫.度影響。出廠測試時的數據和修正系數都存儲在傳感膜頭的內存中,便于使用,在更換線路板時無需重新校驗或拆下獨立的儲存修正系數的PROM。傳感膜頭內置線路板用于將電容信號與溫度信號直接轉換為可供轉換電路板進一步處理的數字格式信號。
2.2主要技術數據
　　1151Alphaline除選用S代碼的智能電路板和智能功能外,其余與普通1151變送器基本相同,技術參數不再多述。3051C是一個系列,型號較多，此處僅介紹3051CD變送器的主要技術數據。
1)精度:±0.075%FS..
2)穩定性:0.25%URL,5a,(28℃)。
3)量程比:100:1。
4)更新速率:最少每秒20次。
5)多種輸出:標準4~20mADC疊加Hart數字信號,線性或平方根,工作電源10.5~55VDC,通訊要求至少有250Ω回路電阻;低功耗(3mA)3線1~5VDC或0.8~3.2VDC,電壓信號疊加Hart數字信號,工作電源6~12VDC,最小負載100kΩ.
6)指示:可選兩行5位液晶顯示表頭。
7)環境溫度:一40~85℃。
8)變送器外部有量程與零點按鈕用于校驗。
9)電源:24VDC;不帶負載時,工作電源可為12~45VDC。
10)單向超負荷極限:0~13.79MPa。
31151變送器與DCS組成測量t回路
　　圖1給出1151變送器與DCS組成測量回路的簡單示意圖。
 
　　原來1151由現場配電箱提供24VDC供電，現在由控制室DCS供電。采用供電單元安全柵，進行供電隔離，然后這些AI信號送到DCS的FTA接線端子。真正流量顯示，流量累積還需要DCS通過組態,進行壓力補償,才能完成。流量現場顯示改為中央控制室CRT顯示。
　　差壓式流量計常規設計時,由式(1)和式(2)可以看出,把α,ρ,?均作為不變常數來考慮,則qv正比于△p的平方根。但在實際測量中,p,T不可能不變，例如該廠用的800kPa蒸汽,當壓力波動達.10%時,qv的誤差可達到5%~15%。由此可見，對壓力作自動修正是必不可少的。
引用公式進行修正后的流量qv'為
 
式中qv'一修正流量;
qv一計算流量;
p一計算壓力;
p'一實際測量壓力;
K一-實際測量溫度;
K'一實際測量溫度;
?一計算流束膨脹系數;
?'一實際流束膨脹系數。
因為溫度、壓力變化引起密度變化,引人密度校正公式。
ρ=ρk+△p(p-pk)(5)
△p=(ρmax-ρk)/(pmax一pk)
式中ρ一工作狀態下的流體密度;
ρk一最低壓力下的流體密度;
△ρ一修正范圍內的平均流體密度;
p一工作壓力;
Pk一修正范圍內的最低壓力。
　　因為環境惡劣,管道流體壓力變化大,引起波動,累積量誤差較大。根據原理進行壓力補償,通過乘以系數。夏冬兩季量程改變,壓力量程改變，系數也不同。.
4安裝調校
　　智能差壓變送器測量精度與普通1151差壓變送器一樣,在很大程度上取決于變送器和導壓管的正確安裝。
4.1導壓管安裝
　　造成導壓管不能夠正確地傳遞過程壓力的常見原因有5個:泄漏、磨擦損失、液體管道中有氣體、氣體管道中有積液、導壓管內因溫度或其他因素造成的密度變化。在測量蒸汽時，導壓管道要充一定的隔離液(蒸汽冷凝液水),以阻止變送器和熱的蒸汽接觸。.
1)導壓管應按最短距離垂直或傾斜(傾斜度不得小于1:12)安裝,管彎曲處應是均勻的圓角,總長度不應小于3m和大于50m。
2)導壓管應不受外界熱源的影響，應防止凍結,進行保溫。
3)蒸汽導壓管采用冷凝液作隔離液，要求兩管冷凝液面水平，即導壓管水平一致。否則受隔離液靜壓影響產生偏差,量程越小影響越大。
4)導壓管應保證密封,不能出現滲透現象。導壓管上應裝有必要的切斷、沖洗、排污等所需的閥門。
4.2差壓式變送器的安裝
　　差壓式變送器的安裝主要考慮安裝地點環境條件，如溫度、濕度、腐蝕性、振動等。盡量減小振動和溫度影響。如果安裝現場的環境條件與規定的條件有明顯差別時，應采取相應的措施,盡可能減少附加測量誤差。在現場安裝儀表保溫(護)箱，在測量蒸汽流量的變送器儀表箱中,增加伴熱管，減小溫度對測量值的影響，保證冬天冷凝水不結冰,以免凍壞變送器。
　　安裝位置影響:測量膜片未垂直安裝時,可能產生小于0.24kPa的零點誤差,達到3.1484mA,手操器無法通訊，因此正確安裝變送器十分重要。要求變送器校驗與使用的位置是一致的。
4.3組態
　　1151Alphaline智能變送器和3051C智能變送器都是通過Hart手操器或Rosemount的268型手操器進行通信組態、測試。組態由兩部分組成，一是設定變送器的工作參數,包括零點與量程設定點、線性或平方根輸出、阻尼、工程單位選擇;二是信息性數據,包括儀表的位號(8個字母數字字符)、說明(16個字母數字字符)、信息(32個字母數字字符)、日期、一體化表頭安裝、法蘭類型、排液/排氣閥材料、0型環材料、遠傳信息等。
4.4調試
　　安裝完畢后,進行在線調試,主要進行零點調試和量程調試。調試和現場施工可在不停車的情況下進行。接線如圖2所示。
 
穩壓電源:直流24V(1±10%)FS,連續可調;
標準電阻:250Ω(1±0.005%)FS;
數字電壓表:0~5V(1±0.05%)FS;
　　標準壓力表:視被校表量程定，標準表的允許誤差應小于被校表允許誤差的33%;
　　壓力信號源或壓力發生器:應3~10倍于所需.校驗精度。
1)零點量程調整:按圖2連接,接通電源通電15min后調校。
　　找到變送器面盤上Zero和Span按鈕,同時按下兩按鈕至少10s,向變送器高壓側加輸人壓力(壓差)信號0,輸出應為4mA,即電壓表指示(1土0.010)V。按下“Zero”5s,核對輸出確為4mA.
　　向變送器高壓側加滿量程輸人壓力(壓差)信號100%,輸出應為20mA,即電壓表指示(5±0.010)V。按下“Span”5s以設定20mA點,核對輸出確為20mA。
加0,25%,50%,75%,100%的上下行程的輸人壓力信號,記錄數據,計算被校表精度。
2)線性調整:通常變送器在出廠時已將線性調整好,一般不做調整,如要求線性度較高而且具備精密標準儀器時也可進行。
5性能分析
5.1經濟效益分析
　　從1999年8月大修期間完成改造至今,智能變送器維護工作量很少,主要進行定期校驗，一.直正常運行。長時間的運行表明，故障率很低,減少了維護費用,降低了運行成本。即使發生故障,也不需要停車,通過截止閥即可檢修,更換十分方便。因為測量精度提高,減少計量糾紛，為節能提供準確依據。
5.2技術先進性分析
　　1151智能變送器無任何可動部件,維護工作量很少,精度高,運行可靠。通過手操器對零點和量程的改變、設定、校正和調試都非常方便,該流量計具有很強的操作性和兼容性,調試方便。如夏冬兩季用氣量相差很大,通過手操器對量程改變、變送器測試和回路測試十分方便,解決了變送器和回路故障。經過實際運行證明,情況良好,是一種成熟和比較先進的流量測量儀表。
5.3存在問題分析
　　1151智能變送器存在的問題是:1)該表本身零點經常漂移,但通過手操器十分容易校準。2)測量蒸汽的表如果冬季伴熱不好,易結冰,凍壞膜頭。應保證伴熱良好。3)在室內校驗時一定與現場安裝位置保持--致,否則產生較大的零點誤差。
6結束語
　　經該廠實際使用表明,1151智能變送器在今后化工生產中有著廣泛的用途,已成為主要的流量測量儀表。對減少維護工作量,降低備件成本,提高經濟效益有著重要意義。