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差壓傳感器的工作原理及在應(yīng)用中故障分析

來(lái)源:北京賽斯維測(cè)控技術(shù)有限公司   2011年05月06日 14:39  

 

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中,差壓變送器用于壓力壓差流量的測(cè)量,得到了非常廣泛應(yīng)用,在自動(dòng)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(dòng)化水平的不斷提高,差壓變送器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛,生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題也越來(lái)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(wèn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(guò)膜片內(nèi)的密封液傳導(dǎo)至測(cè)量元件上,測(cè)量元件將測(cè)得的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過(guò)放大等處理變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。差壓變送器的幾種應(yīng)用測(cè)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(cè)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(cè)量液體的高度,如圖2所示。 

(3) 直接測(cè)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(cè)量 圖2 液位高度測(cè)量 圖3 管路間差壓測(cè)量

差壓變送器的安裝包括導(dǎo)壓管的敷設(shè)、電氣信號(hào)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(cè)量過(guò)程中,常常會(huì)出現(xiàn)一些故障,故障的及時(shí)判定分析和處理,對(duì)正在進(jìn)行了生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。我們根據(jù)日常維護(hù)中的經(jīng)驗(yàn),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(guò)熱,供電開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。 

(3) 檢測(cè)法: 

斷路檢測(cè):將懷疑有故障的部分與其它部分分開(kāi)來(lái),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(kāi),用現(xiàn)場(chǎng)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(hào)而干擾通訊。 

短路檢測(cè):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(kāi),從一次取壓閥外直接將差壓信號(hào)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(cè):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(shí)更換一塊,以確定原因。 

分部檢測(cè):將測(cè)量回路分割成幾個(gè)部分,如:供電電源、信號(hào)輸出、信號(hào)變送、信號(hào)檢測(cè),按分部分檢查,由簡(jiǎn)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(lái)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(shí),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(shí),對(duì)變送器(變送器本身進(jìn)行輸出信號(hào)開(kāi)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(shí)際流量分別為F1、F2時(shí),P1+= P2+; 

當(dāng)流量增加時(shí),P2-出現(xiàn)如下變化:因?yàn)閷?shí)際流量增加為F2,則與原流量F1時(shí)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(shí)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(shí)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(shí) 則:F’2=K =K F’2= F’1 變送器輸出不變。 

當(dāng) P0>P0?時(shí) 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(shí),對(duì)變送器(變送器本身進(jìn)行輸出信號(hào)開(kāi)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(shí)際流量分別為F1、F1時(shí),P1+= P2+; 

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

此時(shí),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(shí) 則:F’2=K =K F’2= F’2 變送器輸出不變; 

當(dāng) P0>P0?時(shí) 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(cè)量導(dǎo)壓管不定期排污或測(cè)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(lái)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(cè)量方式為:節(jié)流孔板+差壓變送器。裝置生產(chǎn)正常時(shí)的用風(fēng)流量基本是穩(wěn)定的,但在后期的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)用風(fēng)流量比正常值下降了很多。 

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

下面我們分析正導(dǎo)壓管泄漏時(shí)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(shí),對(duì)變送器(變送器本身進(jìn)行輸出信號(hào)開(kāi)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(shí)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(shí)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(shí),變送器輸出不變 

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

當(dāng):P0? 

當(dāng)流量下降時(shí),對(duì)變送器(變送器本身進(jìn)行輸出信號(hào)開(kāi)方)輸出的影響 

設(shè)下降后的實(shí)際流量為F2,即:F2 

因流量下降,管道靜壓下降值P0,同時(shí)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(shí),變送器輸出總是小于實(shí)際流量。 

實(shí)際上,當(dāng)泄漏量非常小的時(shí)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(cè)流量與實(shí)際流量相比有較大誤差時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn),這時(shí)即使是實(shí)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(cè)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(kāi)方)輸出值 

我們假設(shè)管道內(nèi)流體流量在沒(méi)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(cè)量誤差 

由于氣體流量取壓方式不對(duì)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(shí),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(huì)致使測(cè)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┎▌?dòng)。 

如圖4,萊鋼大型1#1880高爐的煤氣流量測(cè)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(dòng)方向?yàn)橄蛳拢趴辗绞綖榘踩紤],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(cè)量系統(tǒng)剛投用時(shí)工作正常,運(yùn)行一段時(shí)間以后,測(cè)得的流量逐漸變大,放空后正常,工作一段時(shí)間后,測(cè)得的流量又逐漸變大。 

經(jīng)過(guò)檢查,二次儀表(DCS)組態(tài)及電信號(hào)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(guò)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(dòng),部分水聚集于孔板正壓測(cè),并逐漸沿正壓導(dǎo)壓管流動(dòng)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(cè)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(diǎn)壓力為P+,負(fù)導(dǎo)壓管取壓點(diǎn)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(cè)量下: 

P= P? 

設(shè)正常測(cè)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(shí) 變送器實(shí)際測(cè)得的差壓增大,輸出流量信號(hào)變大, 

當(dāng)h+ 

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

經(jīng)過(guò)典型故障案例,對(duì)使用差壓變送器的測(cè)量回路由于導(dǎo)壓管原因造成回路測(cè)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(jiàn)的,通過(guò)分析可以看到,無(wú)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(lái)的現(xiàn)象有時(shí)并不同,所以我們?cè)诜治鰡?wèn)題時(shí)應(yīng)該是辯證的,具體情況具體分析。 

 

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