差压变送器在应用中的故障诊断与分析

[摘要]探讨了差压变送器的安装方法.注意事项,并介绍了在实际应用中几个典型的故障诊断方法。
1引言
　　差压变送器是工业生产中最为常用的一种变送器,广泛应用于各种工业自控环境。涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军事工业、石油化工等众多行业,用于测量液体、.气体和蒸汽的液位、密度和压力、流量等变量。由于受使用环境和安装、维护人员技术水平的影响,差压变送器在使用过程中不可避免地会出现各种各样的问题,在-定程度上影响了生产过程的正常进行，甚至危及设备和人身安全。这就对企业自动化仪表维护人员的技术水平提出了更高的要求。本文就差压变送器的安装方法、注意事项进行了描述,并就差压变送器.在实际应用过程中出现的常见故障的诊断方法进行研究和探讨。
2差压变送器的工作原理及其应用
2.1差压变送器发展过程
　　差压变送器常常在高温,低温,腐蚀,震动.冲击等环境中工作，变送器的其可靠性已经成为影响差压变送器需求持续增长的重要因素之一。差压变送器的发展大体经历了主要有以下4个阶段:
(1)早期差压变送器采用大位移式工作原理，如水银浮于式差压计及膜盒式差压变送器，这些变送器精度低且笨重。
(2)20世纪50年代中期有了精度稍高的水平横式差压变送器,但由于反馈力小,结构复杂,可靠性,稳定性和抗震性均较差。
(3)20世纪70年代中期随着新工艺，新材料，新技术的出现,尤其是电子技术的迅猛发展,出现体积小巧,结构简单的位移式变送器。从那时开始差压变送器逐渐走向成熟化。
(4)20世纪90年代科学技术迅猛发展,变送器测量精度提高而且逐渐向智能化发展，数字信号传输更有利于数据采集,出现了扩散硅压阻式变送器，电容式变送器,差动电感式变送器新型变送器。
2.2差压变送器的分类
　　差压变送器的种类繁多，按差压的大小可分为DP型(基型),HP型(高静压)和DR型(微差压)三种类型;按安全等级可分为隔爆型和本安型;按其测压元件的工作原理不同可以分为电阻应变片差压变送器.半导体应变片差压变送器、压阻式差压变送器、电感式差压变送器、电容式差压变送器、谐振式差压变送器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式差压变送器,它具有极低的价格、较高的精度以及较好的线性特性。
2.3差压变送器的工作原理
　　如图1和图2所示，差压变送器被测介质的两种压力通入两个压力室，作用在敏感元件两侧的隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容。当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,测量元件将测得的差压信号转换为与之对应的电信号传递给转换器.经过放大等处理变为标准电信号输出。
 
 
 
2.4差压变送器的应用范围
　　由于变送器测量膜片不直接接触被测介质(隔离液),使得差压变送器可以适用于许多特殊的测控情况,主要包括:
(1)高温下粘稠介质
(2)易结晶的介质
(3)带有固体颗粒或悬浮物的沉淀性介质
(4)强腐蚀或剧毒性介质
(5)连续测量界面和密度
(6)]卫生清洁要求很高的场合
2.5差压变送器的几种应用测量方式
(1)与节流元件相结合,利用节流元件的前后产生的差压值测量流量,如图3所示。
 
(2)利用液体自重力产生的压差测量液体的高度,如图4所示。
 
(3)直接测量不同管道、罐体液体的压力差值,如图5所示。
 
3差压变送器的选型与安装
3.1差压变送器的选型
　　差压变送器设备的选型关系到设备在安装后能否实现既定的检测功能，能否达到正常的设计使用标准。总的来看,差压变送器的选型主要遵循以下几个原则:.
(1)测量范围、需要的测量精度及测量功能。
(2)测量仪表面对的工作环境条件,如金属冶炼工业环境,有高温和爆炸危险气氛的存在,有较高的环境温度等。
(3)被测介质的物理化学性质和状态,如强酸、强碱、粘稠、易凝固结晶和汽化等工况。
(4)操作条件的变化，如介质温度、压力、浓度的变化。
(5)被测对象容器的结构、形状、尺寸、容器内的设备附件及各种进出口料管口等。
(6)实际的工艺情况。
(7)尽可能地减少规格品种,减少备品备件,以利管理。
(8)其他要求,如环保及卫生等要求。
3.2差压变送器的安装注意事项
　　差压变送器的安装包括导压管的敷设、电气信号电缆的敷设、安装位置的选择等。主要注意以下几个方面:
(1)切勿用高于36V电压加到变送器上,导致变送器损坏;
(2)切勿用硬物碰触膜片,导致隔离膜片损坏;
(3)被测介质不允许结冰,否则将损伤传感器元件隔离膜片,导致变送器损坏,必要时需对变送器采取保温措施。
(4)在测量蒸汽或其他高温介质时,其温度不应超过变送器使用时的极限温度，高于变送器使用的极限温度必须使用散热装置。
(5)测量蒸汽或其他高温介质时,应使用隔离罐使变送器和管道连在一起，使管道上的压力传至变压器。当被测介质为水蒸气时,隔离罐内要注入适量的水以防蒸汽直接与变送器接触,损坏传感器;隔离罐内充装的隔离液在被测介质温度范围内，不应有密度变化。
(6)保证整个取压回路畅通、无泄漏。
(7)开始使用前,按正确的顺序缓慢地打开三阀组,以免被测介质直接冲击传感器膜片,从而损坏传感器。
安装示意图见图6。
 
4差压变送器的故障分析与调试方法
4.1差压变送器的故障分析
变送器在测量使用过程中，常常会出现一些故障,故障的及时判定分析和处理故障，对正在维持工业保证生产的正常进行来说是至关重要的。我们根据日常维护中的经验，总结归纳了一些判定分析方法和分析流程。
(1)调查法:回顾故障发生前的打火、冒烟.异.味.供电变化、雷击、潮湿、误操作、误维修等。
(2)直观法:观察回路的外部损伤、导压管的泄漏，回路的过热,供电开关状态等。
(3)检测法:
(a)断路检测:将怀疑有故障的部分与其它部分分开,查看故障是否消失,如果消失,则确定故障所在，否则可进行下一步查找,如:智能差压变送器不能正常Hart远程通讯，可将电源从仪表本体上断开,用现场另加电源的方法为变送器通电进行通讯，以查看电缆是否因叠加电磁信号而干扰通讯。图7为3051系列智能变送器的断路检测示意图。
 
(b)短路检测:在保证安全的情况下,将相关部.分回路直接短接,如:差变送器输出值偏小，可将导压管断开，从一次取压阀外直接将差压信号直接引.到差压变送器双侧,观察变送器输出,以判断导压管路的堵、漏的连通性。
(c)替换检测:将怀疑有故障的部分更换,判断故障部位。如:怀疑变送器电路板发生故障,可临时更换一块,以确定原因。
(d)分部检测:将测量回路分割成几个部分,如:供电电源、信号输出、信号变送、信号检测,分部进行检查,由简至繁,由表及里,缩小范围,找出故障位置。
4.2差压变送器的调试步骤
(1)查看差压变送器的电源接线是否正确。
(2)测量变送器的供电电源是否有24V直流电压。必须保证供给变送器的电源电压≥12V(即变送器电源输入端电压≥12V)。如果没有电压则应检查回路是否断线、检测仪表是否选取错误(输人阻抗应≤250Ω)等等。
(3)检查表头是否损坏(可以先将表头的两根线短路,如果短路后正常,则说明是表头损坏),如果是表头损坏,则需另换表头。
(4)将电流表串人24V电源回路中,检查电流是否正常。如果正常则说明变送器正常,此时应检查回路中其他仪表是否正常。
(5)现场校准:
(a)先调零点,然后加满度压力调满量程,使输出为20mA。先做--次4~20mA微调,用以校正变送器内部的D/A转换器，由于其不涉及传感部件，无需外部压力信号源。
(b)再做一次全程微调,使4~20mA、数字读数与实际施加的压力信号相吻合,因此需要压力信号源。
(e)最后做重定量程，通过调整使模拟输出4~20mA与外加的压力信号源相吻合,其作用与变送器外壳上的调零(Z)、调量程(R)开关的作用完全相同。.
5常见故障与典型案例分析
5.1差压变送器常见故障
　　针对差压变送器在使用过程中常出现的误差.信号干扰、无信号等故障,提出以下几点处理方法:
5.1.1压力指示不稳定或不正确
(1)检查压力变送器电源是否正常，如果小于12VDC,则应检查回路中是否有大的负载,变送器.负载的输人阻抗应符合R.≤(变送器供电电压-12V)/(0.02A)Ω;
(2)变送器负载的输入阻抗应符合RL≤(变送器供电电压-12V)/(0.02A)0,如不符合则根据:其不同现象可采取相应措施:如升高供电电压(但必须低于36VDC)、减小负载等;
(3)压力指示仪表的输人与相应的接线是否正确,压力指示仪表的输人是4~20mA的,则变送器输出信号可直接接人;如果压力指示仪表的输入是1~5V的则必须在压力指示仪表的输人;
(4)压力指示仪表的量程是否与压力变送器的量程一致;
(5)相应的设备外壳是否接地,要求设备外壳接地;
(6)压力传感器是否损坏,严重的过载有时会损坏隔离膜片;
(7)管路的温度是否过高,压力传感器的使用温度是-25~85℃,但实际使用时最好在-20~70℃以内。加缓冲罐以散热,使用前最好在缓冲罐内先加些冷水，以防过热蒸汽直接冲击传感器,从而损坏传感器或降低使用寿命。
5.1.2变送器无输出
(1)查看压力变送器电源是否接反;
(2)测量变送器的供电电源,是否有24V直流电,必须保证供给变送器的电源电压≥12V(即变送器电源输入端电压≥12V)。如果没有电源,则应检查回路是否断线检测仪表是否选取错误(输入阻抗应≤250Ω)等等;
(3)将电流表串人24V电源回路中,检查电流是否正常;
(4)如果是带表头的,检查表头是否损坏(可以先将表头的两根线短路,如果短路后正常,则说明是表头损坏)，表头损坏的则需另换表头。
5.2典型故障案例
5.2.1导压管堵塞
　　以正导压管堵塞为例来分析导压管堵塞出现的故障现象。在仪表维护中,由于差压变送器导压管排放不及时，或介质脏、粘等原因,容易发生正负导压管堵塞现象,其表现特征为:变送器输出下降、上升或不变。当流量增加时,对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响。
　　设原流量为F1,P1=P1+-P1-,F'=K,F1'为变化前的变送器输出值，设增加后的流量为F2(即:F2>F1),P2=P2+,-P2,F2'=K,F2'为流量增加后的变送器输出值。由于正压管堵塞，则当实际流量分别为F1、F2时,P1+.=P2+;当流量增加时,P2-出现如下变化:因为实际流量增加为F2，则与原流量F1时相比,管道内的静压力也相应增加,设增加值为P0同时P2-因管道中流体流速的增加而产生的静压减小，减小值为P0',此时P2-与P1-的关系为:
P2=P1_+P0_P0'
则:P2=P2+-P2-=P1+-(P1_+P0-P0')=P1+(P0'-P0)
则:F'=K
这样:当P0=P0'时:F2'=K,F2'=F1',变送器输出变。
当P0>P0'时:F2'=K,F2'<F1'，变送器输出变大。
　　当P0<P0'时:F2'=K,F2'>F1',变送器输出变小。当流量减小时,对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响。
　　设原流量为F1,P1=P1+-P1_,F1'=K,F1'为变化前的变送器输出值。设减小后的流量为F2(即:F2>F1),P2=P2+-P2,F2'=K,F2'为流量减小后的变送器输出值。由于正压管堵塞，则当实际流量分别为F1、F1时,P1+=P2+。
　　当实际流量由F1减小到F2时，管道中的静压也相应的降低,设降低值为Po;同时,当实际流量下降至F2时,P2-值也要因为管内流体流速的降低而升高,设升高值为P0',此时,P2与P1_的关系为:
P2_=P1_-P0+P0'
P2=P2+-P2=P1+-(P1_-P0+P0')=P1+(P0-P0')
F2'=K
　　当P0=P0'时:F2'=K,F2'=F2'，变送器输出不变;
　　当P0>P0'时:F2'=K,F2'>F1'，变送器输出变大;
　　当P0<P0'时:F2'=K,F2'<F1',变送器输出变小。
一般情况下，导压管的堵原因主要是由于测量导压管不定期排污或测量介质粘稠、带颗粒物等原因造成。
5.2.2导压管泄漏
　　以正导压管泄漏来分析导压管泄漏出现的故障现象。如:陕钢集团汉钢公司某加热炉仪表控制阀用净化空气总管线的流量测量方式为:节流孔板+差压变送器，装置生产正常时的用风流量基本是稳定的，但在后期的生产过程中发现用风流量比正常值下降了很多。经过检查,二次仪表(PLC)组态及电信号回路工作正常,变送器送检定室标定正常,于是怀疑问题出现出导压管上,经过检查,由于正导压管焊接不好造成泄漏所至,经过补焊堵漏后,流量测量恢复正常。
　　下面分析正导压管泄漏时反映出的故障现象。
　　正导压管泄漏的现象是:变送器输出下降、上升及不变分析:设原流量为F1,P1=P1+-P1_,F1'=K,F1'
　　为变化前的变送器输出值，设增加后的实际流量为F2(即:F2>F1),F2'=K,F2'为流量增加后的变送器输出值。因流量增加,管道静压增加为Po,随着流速的增大,实际压管静压减小为P0',正压管泄漏降压下降为Ps。
则:P2+=P₁₊+P0-PS,P2=P_1-+P0-P0'
P:=P:+-P.=P+(P'-P)
　　那么,当:P0'=Ps时正压导管泄漏,而流量上升时，变送器输出不变。
　　当:P0'>Ps时正压导管泄漏,而流量上升时,变送器输出增加。
　　当:P0'<P.s时正压导管泄漏,而流量上升时,变送器输出减小。
　　当流量下降时,对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响设下降后的实际流量为F2，即:F2<F1,F2'=K,F2'为流量减小后的变送器输出值。因流量下降,管道静压下降值P0,同时由于流体流速下降,负压管静压增加P0’,正压管泄漏降压下降为Ps.则:
P2+=P₁₊-P0-PS,P2=P1-P0+P0'
P2=P₂₊-P2=P1-(Ps+P0')
F2'=K
　　即:当流量下降时,变送器输出总是小于实际流量。实际上，当泄漏量非常小的时候，由于种种原因,工艺操作或仪表维修护人员很难发现,只有当泄漏量大，所测流量与实际流量相比有较大误差时才会发现，这时即使是实际流量上升,总是P0'<<Ps即:P2<<P1,F2'<<F1'。.上述仪表控制阀用净化空气管线的流量测量就这属于这种情况。
5.2.3平衡阀泄漏
　　设流量为F,P1=P₁₊-P_1-,F1'=K,F1'为平衡阀泄漏前的变送器(带开方)输出值。我们假设管道内流体流量在没有变化的情况下做分析:设泄漏的压力为Ps,则泄漏后的正负导压管的静压为:.
P2.=P₁₊-PS,P2-=P_1-+Ps,P2=P₂₊-P2=P1-2PS
则:F2'=K
　　即:F2'<F1',变送器测量输出小于实际流量值。
5.2.4气体流量导压管积液情况下的变送器测量误差
　　由于气体流量取压方式不对或导压管安装不符合要求(与水平成不小于1:12的斜度连续下降)时,常常造成导压管内部积存液体的现象。这种现象的出现，往往会致使测量不准,如果在变送器量程很小的情况下,甚至会造成变送器输出的一.些波动。
　　如图3(a),陕钢集团汉钢公司1"高炉的煤气流量测量系统为节流孔板+差变送器式，取压方式为环室取压,煤气流动方向为向下,放空方式为安全考虑，设为集中式排放。本测量系统刚投用时工作正常,运行一段时间以后,测得的流量逐渐变大,放空后正常,工作一段时间后,测得的流量又逐渐变大。经过检查,二次仪表(PLC)组态及电信号回路工作正常,变送器送检定室标定正常,用侧漏仪表查双侧导管正常。经过分析,为煤气脱水干燥不净，煤气中含水，由于液体自上而下流动,部分水聚集于孔板正压测,并逐渐沿正压导压管流动集中至最下端,造成正负导压管中积液高度不--至，差压变送器测量出现正向误差,显示为流量增大。
　　分析:设正导压管取压点压力为P+负导压管取压点压力为P-，差压变送器正端压力为P+',差压变送器负端压力为P-'。
P=P+-P_,P'=P+'-P-',正常测量下:P=P'
　　设正常测量状态下的流量为F,则F=K,这里K为常系数。设液体水的密度为ρ,则在正导压管积液高度为h,,负导压管积液高度为h_的情况下:
P+'=P₊+ρgh+
P-'=P_-+ρgh_
P'=P+'-P-'=P₊+ρh₊-(P-+ρh_)=P+ρ(h₊-h_)
　　则变送器输出为:F"=K
　　当h+>h_时变送器实际测得的差压增大，输出流量信号变大;
当h,<h_时变送器实际测得的差压减小，输出流量信号变小;
　　即:变送器测量输出的流量信号与实际流量不符,产生测量误差。这里,由于正压导管取压方式的原因,随着时间的增加,h.逐渐大于h-,测得的流量也增大。
　　经过典型故障案例，对使用差压变送器的测量回路由于导压管原因造成回路测量故障做了一些分析，这几种故障都是在仪表设备维护中非常常见的，通过分析可以看到,无论是导压管堵塞还是导压管中积水，同样的故障，其表征出来的现象有时并不同,所以我们在分析问题时应该是辩证的,具体情况具体分析。
6结束语
　　以上我们介绍了差压变送器的工作原理、安装方法、注意事项等,并通过几个典型的事故案例探讨了差压变送器测量回路故障的诊断思路和方法以及选型要求等,实际上,由于压力变送器与差压变送器测量应用上的相通性原因，本文中有些方法也同样适用于压力变送器的安装和故障诊断。总之，选择恰当的变送器并在8常工作中进行细致、合理的维护，保障设备的正常使用，就能帮助自控人员提高生产效率,降低仪表工作量.减少仪表备品备件。拓宽工作思路、提供解决问题新方法、新思路,最终进而提高生产过程的自动化水平,最终提高生产效益。