差壓變送器在應用中的故障診斷與分析

[摘要]探討了差壓變送器的安裝方法.注意事項,并介紹了在實際應用中幾個典型的故障診斷方法。
1引言
　　差壓變送器是工業(yè)生產中最為常用的一種變送器,廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境。涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍事工業(yè)、石油化工等眾多行業(yè),用于測量液體、.氣體和蒸汽的液位、密度和壓力、流量等變量。由于受使用環(huán)境和安裝、維護人員技術水平的影響,差壓變送器在使用過程中不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的問題,在-定程度上影響了生產過程的正常進行，甚至危及設備和人身安全。這就對企業(yè)自動化儀表維護人員的技術水平提出了更高的要求。本文就差壓變送器的安裝方法、注意事項進行了描述,并就差壓變送器.在實際應用過程中出現(xiàn)的常見故障的診斷方法進行研究和探討。
2差壓變送器的工作原理及其應用
2.1差壓變送器發(fā)展過程
　　差壓變送器常常在高溫,低溫,腐蝕,震動.沖擊等環(huán)境中工作，變送器的其可靠性已經成為影響差壓變送器需求持續(xù)增長的重要因素之一。差壓變送器的發(fā)展大體經歷了主要有以下4個階段:
(1)早期差壓變送器采用大位移式工作原理，如水銀浮于式差壓計及膜盒式差壓變送器，這些變送器精度低且笨重。
(2)20世紀50年代中期有了精度稍高的水平橫式差壓變送器,但由于反饋力小,結構復雜,可靠性,穩(wěn)定性和抗震性均較差。
(3)20世紀70年代中期隨著新工藝，新材料，新技術的出現(xiàn),尤其是電子技術的迅猛發(fā)展,出現(xiàn)體積小巧,結構簡單的位移式變送器。從那時開始差壓變送器逐漸走向成熟化。
(4)20世紀90年代科學技術迅猛發(fā)展,變送器測量精度提高而且逐漸向智能化發(fā)展，數(shù)字信號傳輸更有利于數(shù)據(jù)采集,出現(xiàn)了擴散硅壓阻式變送器，電容式變送器,差動電感式變送器新型變送器。
2.2差壓變送器的分類
　　差壓變送器的種類繁多，按差壓的大小可分為DP型(基型),HP型(高靜壓)和DR型(微差壓)三種類型;按安全等級可分為隔爆型和本安型;按其測壓元件的工作原理不同可以分為電阻應變片差壓變送器.半導體應變片差壓變送器、壓阻式差壓變送器、電感式差壓變送器、電容式差壓變送器、諧振式差壓變送器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式差壓變送器,它具有極低的價格、較高的精度以及較好的線性特性。
2.3差壓變送器的工作原理
　　如圖1和圖2所示，差壓變送器被測介質的兩種壓力通入兩個壓力室，作用在敏感元件兩側的隔離膜片上，通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容。當兩側壓力不一致時,致使測量膜片產生位移,其位移量和壓力差成正比,測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器.經過放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵觥?br />  
 
 
2.4差壓變送器的應用范圍
　　由于變送器測量膜片不直接接觸被測介質(隔離液),使得差壓變送器可以適用于許多特殊的測控情況,主要包括:
(1)高溫下粘稠介質
(2)易結晶的介質
(3)帶有固體顆粒或懸浮物的沉淀性介質
(4)強腐蝕或劇毒性介質
(5)連續(xù)測量界面和密度
(6)]衛(wèi)生清潔要求很高的場合
2.5差壓變送器的幾種應用測量方式
(1)與節(jié)流元件相結合,利用節(jié)流元件的前后產生的差壓值測量流量,如圖3所示。
 
(2)利用液體自重力產生的壓差測量液體的高度,如圖4所示。
 
(3)直接測量不同管道、罐體液體的壓力差值,如圖5所示。
 
3差壓變送器的選型與安裝
3.1差壓變送器的選型
　　差壓變送器設備的選型關系到設備在安裝后能否實現(xiàn)既定的檢測功能，能否達到正常的設計使用標準。總的來看,差壓變送器的選型主要遵循以下幾個原則:.
(1)測量范圍、需要的測量精度及測量功能。
(2)測量儀表面對的工作環(huán)境條件,如金屬冶煉工業(yè)環(huán)境,有高溫和爆炸危險氣氛的存在,有較高的環(huán)境溫度等。
(3)被測介質的物理化學性質和狀態(tài),如強酸、強堿、粘稠、易凝固結晶和汽化等工況。
(4)操作條件的變化，如介質溫度、壓力、濃度的變化。
(5)被測對象容器的結構、形狀、尺寸、容器內的設備附件及各種進出口料管口等。
(6)實際的工藝情況。
(7)盡可能地減少規(guī)格品種,減少備品備件,以利管理。
(8)其他要求,如環(huán)保及衛(wèi)生等要求。
3.2差壓變送器的安裝注意事項
　　差壓變送器的安裝包括導壓管的敷設、電氣信號電纜的敷設、安裝位置的選擇等。主要注意以下幾個方面:
(1)切勿用高于36V電壓加到變送器上,導致變送器損壞;
(2)切勿用硬物碰觸膜片,導致隔離膜片損壞;
(3)被測介質不允許結冰,否則將損傷傳感器元件隔離膜片,導致變送器損壞,必要時需對變送器采取保溫措施。
(4)在測量蒸汽或其他高溫介質時,其溫度不應超過變送器使用時的極限溫度，高于變送器使用的極限溫度必須使用散熱裝置。
(5)測量蒸汽或其他高溫介質時,應使用隔離罐使變送器和管道連在一起，使管道上的壓力傳至變壓器。當被測介質為水蒸氣時,隔離罐內要注入適量的水以防蒸汽直接與變送器接觸,損壞傳感器;隔離罐內充裝的隔離液在被測介質溫度范圍內，不應有密度變化。
(6)保證整個取壓回路暢通、無泄漏。
(7)開始使用前,按正確的順序緩慢地打開三閥組,以免被測介質直接沖擊傳感器膜片,從而損壞傳感器。
安裝示意圖見圖6。
 
4差壓變送器的故障分析與調試方法
4.1差壓變送器的故障分析
變送器在測量使用過程中，常常會出現(xiàn)一些故障,故障的及時判定分析和處理故障，對正在維持工業(yè)保證生產的正常進行來說是至關重要的。我們根據(jù)日常維護中的經驗，總結歸納了一些判定分析方法和分析流程。
(1)調查法: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、誤維修等。
(2)直觀法:觀察回路的外部損傷、導壓管的泄漏，回路的過熱,供電開關狀態(tài)等。
(3)檢測法:
(a)斷路檢測:將懷疑有故障的部分與其它部分分開,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，以查看電纜是否因疊加電磁信號而干擾通訊。圖7為3051系列智能變送器的斷路檢測示意圖。
 
(b)短路檢測:在保證安全的情況下,將相關部.分回路直接短接,如:差變送器輸出值偏小，可將導壓管斷開，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,觀察變送器輸出,以判斷導壓管路的堵、漏的連通性。
(c)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。
(d)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,分部進行檢查,由簡至繁,由表及里,縮小范圍,找出故障位置。
4.2差壓變送器的調試步驟
(1)查看差壓變送器的電源接線是否正確。
(2)測量變送器的供電電源是否有24V直流電壓。必須保證供給變送器的電源電壓≥12V(即變送器電源輸入端電壓≥12V)。如果沒有電壓則應檢查回路是否斷線、檢測儀表是否選取錯誤(輸人阻抗應≤250Ω)等等。
(3)檢查表頭是否損壞(可以先將表頭的兩根線短路,如果短路后正常,則說明是表頭損壞),如果是表頭損壞,則需另換表頭。
(4)將電流表串人24V電源回路中,檢查電流是否正常。如果正常則說明變送器正常,此時應檢查回路中其他儀表是否正常。
(5)現(xiàn)場校準:
(a)先調零點,然后加滿度壓力調滿量程,使輸出為20mA。先做--次4~20mA微調,用以校正變送器內部的D/A轉換器，由于其不涉及傳感部件，無需外部壓力信號源。
(b)再做一次全程微調,使4~20mA、數(shù)字讀數(shù)與實際施加的壓力信號相吻合,因此需要壓力信號源。
(e)最后做重定量程，通過調整使模擬輸出4~20mA與外加的壓力信號源相吻合,其作用與變送器外殼上的調零(Z)、調量程(R)開關的作用完全相同。.
5常見故障與典型案例分析
5.1差壓變送器常見故障
　　針對差壓變送器在使用過程中常出現(xiàn)的誤差.信號干擾、無信號等故障,提出以下幾點處理方法:
5.1.1壓力指示不穩(wěn)定或不正確
(1)檢查壓力變送器電源是否正常，如果小于12VDC,則應檢查回路中是否有大的負載,變送器.負載的輸人阻抗應符合R.≤(變送器供電電壓-12V)/(0.02A)Ω;
(2)變送器負載的輸入阻抗應符合RL≤(變送器供電電壓-12V)/(0.02A)0,如不符合則根據(jù):其不同現(xiàn)象可采取相應措施:如升高供電電壓(但必須低于36VDC)、減小負載等;
(3)壓力指示儀表的輸人與相應的接線是否正確,壓力指示儀表的輸人是4~20mA的,則變送器輸出信號可直接接人;如果壓力指示儀表的輸入是1~5V的則必須在壓力指示儀表的輸人;
(4)壓力指示儀表的量程是否與壓力變送器的量程一致;
(5)相應的設備外殼是否接地,要求設備外殼接地;
(6)壓力傳感器是否損壞,嚴重的過載有時會損壞隔離膜片;
(7)管路的溫度是否過高,壓力傳感器的使用溫度是-25~85℃,但實際使用時最好在-20~70℃以內。加緩沖罐以散熱,使用前最好在緩沖罐內先加些冷水，以防過熱蒸汽直接沖擊傳感器,從而損壞傳感器或降低使用壽命。
5.1.2變送器無輸出
(1)查看壓力變送器電源是否接反;
(2)測量變送器的供電電源,是否有24V直流電,必須保證供給變送器的電源電壓≥12V(即變送器電源輸入端電壓≥12V)。如果沒有電源,則應檢查回路是否斷線檢測儀表是否選取錯誤(輸入阻抗應≤250Ω)等等;
(3)將電流表串人24V電源回路中,檢查電流是否正常;
(4)如果是帶表頭的,檢查表頭是否損壞(可以先將表頭的兩根線短路,如果短路后正常,則說明是表頭損壞)，表頭損壞的則需另換表頭。
5.2典型故障案例
5.2.1導壓管堵塞
　　以正導壓管堵塞為例來分析導壓管堵塞出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。在儀表維護中,由于差壓變送器導壓管排放不及時，或介質臟、粘等原因,容易發(fā)生正負導壓管堵塞現(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。
　　設原流量為F1,P1=P1+-P1-,F'=K,F1'為變化前的變送器輸出值，設增加后的流量為F2(即:F2>F1),P2=P2+,-P2,F2'=K,F2'為流量增加后的變送器輸出值。由于正壓管堵塞，則當實際流量分別為F1、F2時,P1+.=P2+;當流量增加時,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,管道內的靜壓力也相應增加,設增加值為P0同時P2-因管道中流體流速的增加而產生的靜壓減小，減小值為P0',此時P2-與P1-的關系為:
P2=P1_+P0_P0'
則:P2=P2+-P2-=P1+-(P1_+P0-P0')=P1+(P0'-P0)
則:F'=K
這樣:當P0=P0'時:F2'=K,F2'=F1',變送器輸出變。
當P0>P0'時:F2'=K,F2'<F1'，變送器輸出變大。
　　當P0<P0'時:F2'=K,F2'>F1',變送器輸出變小。當流量減小時,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響。
　　設原流量為F1,P1=P1+-P1_,F1'=K,F1'為變化前的變送器輸出值。設減小后的流量為F2(即:F2>F1),P2=P2+-P2,F2'=K,F2'為流量減小后的變送器輸出值。由于正壓管堵塞，則當實際流量分別為F1、F1時,P1+=P2+。
　　當實際流量由F1減小到F2時，管道中的靜壓也相應的降低,設降低值為Po;同時,當實際流量下降至F2時,P2-值也要因為管內流體流速的降低而升高,設升高值為P0',此時,P2與P1_的關系為:
P2_=P1_-P0+P0'
P2=P2+-P2=P1+-(P1_-P0+P0')=P1+(P0-P0')
F2'=K
　　當P0=P0'時:F2'=K,F2'=F2'，變送器輸出不變;
　　當P0>P0'時:F2'=K,F2'>F1'，變送器輸出變大;
　　當P0<P0'時:F2'=K,F2'<F1',變送器輸出變小。
一般情況下，導壓管的堵原因主要是由于測量導壓管不定期排污或測量介質粘稠、帶顆粒物等原因造成。
5.2.2導壓管泄漏
　　以正導壓管泄漏來分析導壓管泄漏出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。如:陜鋼集團漢鋼公司某加熱爐儀表控制閥用凈化空氣總管線的流量測量方式為:節(jié)流孔板+差壓變送器，裝置生產正常時的用風流量基本是穩(wěn)定的，但在后期的生產過程中發(fā)現(xiàn)用風流量比正常值下降了很多。經過檢查,二次儀表(PLC)組態(tài)及電信號回路工作正常,變送器送檢定室標定正常,于是懷疑問題出現(xiàn)出導壓管上,經過檢查,由于正導壓管焊接不好造成泄漏所至,經過補焊堵漏后,流量測量恢復正常。
　　下面分析正導壓管泄漏時反映出的故障現(xiàn)象。
　　正導壓管泄漏的現(xiàn)象是:變送器輸出下降、上升及不變分析:設原流量為F1,P1=P1+-P1_,F1'=K,F1'
　　為變化前的變送器輸出值，設增加后的實際流量為F2(即:F2>F1),F2'=K,F2'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Po,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=P_1-+P0-P0'
P:=P:+-P.=P+(P'-P)
　　那么,當:P0'=Ps時正壓導管泄漏,而流量上升時，變送器輸出不變。
　　當:P0'>Ps時正壓導管泄漏,而流量上升時,變送器輸出增加。
　　當:P0'<P.s時正壓導管泄漏,而流量上升時,變送器輸出減小。
　　當流量下降時,對變送器(變送器本身進行輸出信號開方)輸出的影響設下降后的實際流量為F2，即:F2<F1,F2'=K,F2'為流量減小后的變送器輸出值。因流量下降,管道靜壓下降值P0,同時由于流體流速下降,負壓管靜壓增加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')
F2'=K
　　即:當流量下降時,變送器輸出總是小于實際流量。實際上，當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'<<Ps即:P2<<P1,F2'<<F1'。.上述儀表控制閥用凈化空氣管線的流量測量就這屬于這種情況。
5.2.3平衡閥泄漏
　　設流量為F,P1=P₁₊-P_1-,F1'=K,F1'為平衡閥泄漏前的變送器(帶開方)輸出值。我們假設管道內流體流量在沒有變化的情況下做分析:設泄漏的壓力為Ps,則泄漏后的正負導壓管的靜壓為:.
P2.=P₁₊-PS,P2-=P_1-+Ps,P2=P₂₊-P2=P1-2PS
則:F2'=K
　　即:F2'<F1',變送器測量輸出小于實際流量值。
5.2.4氣體流量導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導壓管安裝不符合要求(與水平成不小于1:12的斜度連續(xù)下降)時,常常造成導壓管內部積存液體的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，往往會致使測量不準,如果在變送器量程很小的情況下,甚至會造成變送器輸出的一.些波動。
　　如圖3(a),陜鋼集團漢鋼公司1"高爐的煤氣流量測量系統(tǒng)為節(jié)流孔板+差變送器式，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，設為集中式排放。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。經過檢查,二次儀表(PLC)組態(tài)及電信號回路工作正常,變送器送檢定室標定正常,用側漏儀表查雙側導管正常。經過分析,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,并逐漸沿正壓導壓管流動集中至最下端,造成正負導壓管中積液高度不--至，差壓變送器測量出現(xiàn)正向誤差,顯示為流量增大。
　　分析:設正導壓管取壓點壓力為P+負導壓管取壓點壓力為P-，差壓變送器正端壓力為P+',差壓變送器負端壓力為P-'。
P=P+-P_,P'=P+'-P-',正常測量下:P=P'
　　設正常測量狀態(tài)下的流量為F,則F=K,這里K為常系數(shù)。設液體水的密度為ρ,則在正導壓管積液高度為h,,負導壓管積液高度為h_的情況下:
P+'=P₊+ρgh+
P-'=P_-+ρgh_
P'=P+'-P-'=P₊+ρh₊-(P-+ρh_)=P+ρ(h₊-h_)
　　則變送器輸出為:F"=K
　　當h+>h_時變送器實際測得的差壓增大，輸出流量信號變大;
當h,<h_時變送器實際測得的差壓減小，輸出流量信號變小;
　　即:變送器測量輸出的流量信號與實際流量不符,產生測量誤差。這里,由于正壓導管取壓方式的原因,隨著時間的增加,h.逐漸大于h-,測得的流量也增大。
　　經過典型故障案例，對使用差壓變送器的測量回路由于導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備維護中非常常見的，通過分析可以看到,無論是導壓管堵塞還是導壓管中積水，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該是辯證的,具體情況具體分析。
6結束語
　　以上我們介紹了差壓變送器的工作原理、安裝方法、注意事項等,并通過幾個典型的事故案例探討了差壓變送器測量回路故障的診斷思路和方法以及選型要求等,實際上,由于壓力變送器與差壓變送器測量應用上的相通性原因，本文中有些方法也同樣適用于壓力變送器的安裝和故障診斷。總之，選擇恰當?shù)淖兯推鞑⒃?常工作中進行細致、合理的維護，保障設備的正常使用，就能幫助自控人員提高生產效率,降低儀表工作量.減少儀表備品備件。拓寬工作思路、提供解決問題新方法、新思路,最終進而提高生產過程的自動化水平,最終提高生產效益。