差壓變送器在測量液位中的應用

摘要：在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，越來越多的壓力變送器代替了現(xiàn)場就地的壓力表，加之其性能方面的優(yōu)勢，因而在工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到了非常廣泛的應用。文章對差壓變送器的工作原理、遷移方式以及生產(chǎn)中常見的幾種故障進行分析、解決。
0.引言
　　在工業(yè)化生產(chǎn)中，液位的高低直接影響生產(chǎn)的安全進行，所以對液位的不間斷監(jiān)控尤其重要。差壓變送器正是由于不間斷測量的特性，而且適合各種復雜的工況，參數(shù)調(diào)節(jié)簡單方便，對現(xiàn)場環(huán)境要求較低，可以靈活調(diào)整測量高度，在測量液位中取得了廣泛的應用。尤其是鍋爐在使用時，水位的高低是一項極其重要的指標，過高過低都是危險的，所以要對水位進行自動控制。目前，比較成熟測量水位是采用差壓變送器進行測量，使水位保持在安全的范圍內(nèi)，同時使水位的變化轉化成一個標準電流輸出。
1.工作原理
　　差壓變送器的基本原理是：將一個空間用敏感元件（如膜盒）分割為兩個壓室，即正壓室和負壓室；分別向兩個壓室中引入壓力時，傳感器在正壓和負壓的共同作用下，產(chǎn)生一定的位移或者位移的趨勢，這個位移（位移趨勢）與兩個壓室的壓力差成正比，通過內(nèi)部轉換電路將位移量轉換為反應差壓大小的標準的信號輸出，通常輸出的信號為標準的4～20m A電流信號。
　　在實際構造中，敏感元件的結構、轉換方式、標準信號等都有很多種。結構方面：有電阻應變片、壓阻式、電感式、電容式、諧振式等，但一般情況下都采用壓阻式差壓變送器，因為它具有價格低、線性好、便于維修、遷移量大、較高的精度等特性。轉換方式：根據(jù)采用不同的傳感器會有不同的轉換方式，但可以肯定的是最終都是轉換為電信號。標準信號：在目前生產(chǎn)中有電流信號、電壓信號兩種，通常采用的是4～20m A電流信號。
2.遷移方式
　　在實際測量中，變送器的安裝位置往往與被測液體的最低液面不在同一位置，根據(jù)差壓變送器安裝位置或測量容器的不同，有正遷移、負遷移和無遷移3種[2,3]。
2.1.正遷移
　　變送器的正遷移適用于敞口或非敞口容器內(nèi)液位的測量。安裝時正壓室連接容器接口，負壓室與大氣或者低壓側相通。
　　假設容器為敞口容器，差壓變送器的位置比最低液位低h距離，假設容器內(nèi)液體密度為ρ，容器內(nèi)液位高度為H，△P為變送器所受的壓力，則△P=ρg H+ρgh。
當H=0時，△P=ρgh，差壓變送器正壓室存在一個靜壓力，壓力大小為ρgh，使其輸出電流信號大于4m A。
當H=Hmax時，△P=ρg H+ρgh，變送器輸出大于20m A，所以必須把靜壓力ρgh消除掉，才能保證測量的液位高度與實際的液位相符，所以要對變送器進行調(diào)校。
　　假設變送器的量程為40KPa，遷移量為20KPa，正常的調(diào)校方法為：將變送器水平放置在地面上，正壓側通入信號，負壓側接大氣，通入24V DC電源（必要情況下可在回路中串入250Ω電阻），調(diào)整變送器壓力為20Kpa時輸出信號大小為4m A，當壓力為60Kpa時輸出信號為20m A。由于現(xiàn)場儀表多屬于支持Hart協(xié)議的智能型儀表，所以可直接用手持器對參數(shù)進行更改設置。
2.2.負遷移
　　對于密閉的容器而言，在測量液位的同時又要保證內(nèi)部的介質(zhì)不能泄露，這時就要采取負遷移的措施來實現(xiàn)液位的測量。以蒸汽汽包為例，為了防止汽包內(nèi)的雜質(zhì)堵塞導壓管或者氣泡進入正負壓室，在變送器和所測容器的中間要安裝隔離罐（隔離罐長度與取壓點距離相同），并沖入水（如果所測介質(zhì)具有腐蝕性，可在隔離罐中沖入）。假設變送器正負壓室取壓管處于同一水平面，水的密度為ρ，汽包內(nèi)壓力為F，汽包正負壓取壓點距離為H（即所測最大液位）。變送器所受靜壓力為△P（正負壓室壓力差）。
當H=0時，P+=F，P_=ρg H+F，△P=P+－P_=F－ρg H－F=－ρg H，變送器負壓側存在一個靜壓力，壓力大小為ρg H，使得變送器的輸出小于4m A。
當H=Hmax時，P+=ρg H+F，P_=ρg H+F，△P=P+－P_=ρg H+F－ρg H－F=0，變送器兩側差壓為0，輸出20m A；雖然滿量程時與實際液位相符，但當液位高度H<Hmax（最大液位高度）時，變送器負壓側壓力一直比正壓側壓力大，使得變送器的輸出一直小于實際液面所對應的信號輸出，同時變送器與液位正常的線性關系被打破。要使輸出信號與實際液位相符，必須要消除負壓側的靜壓力，即對變送器進行負遷移，遷移量為ρg H；正常情況下，負壓側充滿液體（一般是水），假設滿液位是60cm，則負遷移是-6Kpa，在沒有液位的情況下，壓變顯示-6Kpa，即P+=0，P_=6Kpa，△P=P+－P_=0-6=-6Kpa；當容器液位達到60cm時，壓變顯示0Kpa，P+=6Kpa，P_=6Kpa，△P= P+－P_=6-6=0Kpa（汽包上部的氣體壓力作用到壓變正負壓室是相同的）。
2.3.無遷移
　　在正常生產(chǎn)下，現(xiàn)場的安裝位置不可能和壓變的正負壓處于同一位置，而且生產(chǎn)過程中無遷移的情況很少能滿足復雜的生產(chǎn)情況。所以使用無遷移的情況相比其他兩種要少，這里就不再過多敘述。
3.常見故障分析及解決辦法[4,5]
1）顯示偏高或偏低。如果顯示液位比實際液位偏低，說明容器正壓壓力沒有到達變送器膜盒，有可能正壓側與取壓點之間被堵，導致被測值偏低。這種情況只要清除正壓部分的雜質(zhì)即可恢復正常。如果偏高，說明負壓引壓管里面的液體沒有達到所設定的負遷移量（比如正常有6Kpa，現(xiàn)在只有5Kpa），只要調(diào)節(jié)閥門使負壓部分的引壓管充滿液體，達到6Kpa即可。
2）顯示上下波動頻繁。出現(xiàn)上下波動，很有可能是負壓室引壓管里有汽包，導致負壓部分壓力不穩(wěn)定，只要排出氣泡并重新充滿液體即可。
3）零點漂移。由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境可能對變送器產(chǎn)生一定的干擾，從而導致變送器內(nèi)部所設定的參數(shù)發(fā)生變化，如果在重復1）、2）之后不能解決問題，就有必要停表檢查變送器的零點并校正。輕微的漂移并不影響實際的測量值。
4.小結
　　精準的測量是工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運行的前提，只有全面掌握、了解差壓變送器的工作原理、遷移方式、常見故障，才能在生產(chǎn)中進行靈活運用，及時發(fā)現(xiàn)并解決現(xiàn)場儀表的故障，快速消除因為儀表故障導致的生產(chǎn)停頓，同時又可以及時對相關的控制方案做進一步改進。