差压传感器的工作原理及在应用中的故障分析

　　在工业自动化生产中，差压变送器用于压力压差流量的测量，得到了非常广泛应用，在自动控制系统中发挥重要的作用。随着石化、钢铁、造纸、食品、医药企业自动化水平的不断提高,差压变送器的应用范围越来越广泛，生产中遇到的问题也越来越多，加之安装、使用、维护人员的水平差异，使得出现的问题不能迅速解决，一定程度上影响了生产的正常进行，甚至危及生产安全，因此对现场仪表维护人员的技术水平提出了更高要求。
　　
　　1、工作原理与故障诊断
　　
　　1.1差压变送器工作原理
　　
　　来自双侧导压管的差压直接作用于变送器传感器双侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，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。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液体流量，如图1所示。
　　
　　（2）利用液体自身重力产生的压力差，测量液体的高度，如图2所示。
　　
　　（3）直接测量不同管道、罐体液体的压力差值，如图3所示。
　　
　　图一图二图三
　　
　　图1流体流量测量图2液位高度测量图3管路间差压测量
　　
　　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、差压变送器的安装。
　　
　　1.2差压变送器故障诊断
　　
　　变送器在测量过程中，常常会出现一些故障，故障的及时判定分析和处理，对正在进行了生产来说是至关重要的。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。
　　
　　（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：
　　
　　断路检测：将怀疑有故障的部分与其它部分分开来，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，以查看是否电缆是否叠加约2kHz的电磁信号而干扰通讯。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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，按分部分检查，由简至繁，由表及里，缩小范围，找出故障位置。
　　
　　2、典型故障案例
　　
　　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’1=K，F’1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-，F’2=K，F’2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’现=K=K
　　
　　这样：
　　
　　当P0=P0?时则：F’2=K=KF’2=F’1变送器输出不变。
　　
　　当P0>P0?时则：F’2=K=K,F’2<F’1,变送器输出变大。
　　
　　当P0F’1,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-，F’1=K，F’1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-，F’2=K，F’2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P0；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’）
　　
　　F’2=K=K
　　
　　这样：
　　
　　当P0=P0?时则：F’2=K=KF’2=F’2变送器输出不变；
　　
　　当P0>P0?时则：F’2=K=K,F’2>F’1,变送器输出变大；
　　
　　当P0
　　
　　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。
　　
　　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。如图1所示，莱钢集团公司某加热炉仪表控制阀用净化风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（DCS）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。
　　
　　下面我们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：
　　
　　当流量上升时，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’1=K，F’1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），F’2=K，F’2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P0，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-=P1-+P0-P0?
　　
　　P2=P2+-P2-=P1+（P0?-Ps）
　　
　　那么
　　
　　当：P0?=Ps正压导管泄漏，而流量上升时，变送器输出不变
　　
　　当：P0?>Ps正压导管泄漏，而流量上升时，变送器输出增加
　　
　　当：P0?
　　
　　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
　　
　　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’）
　　
　　F’2=K=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’<
　　
　　即：P2<<P1，
　　
　　F’2<
　　
　　上述仪表控制阀用净风管线的流量测量就这属于这种情况。
　　
　　2.3平衡阀泄漏
　　
　　设流量为F，P1=P1+-P1-，F’1=K，F’1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-=P1-+PS
　　
　　P2=P2+-P2-=P1-2PS，则
　　
　　F’2=K=K
　　
　　即：F’2
　　
　　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4，莱钢大型1#1880高炉的煤气流量测量系统，系统为节流孔板+差变送器，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。
　　
　　图4
　　
　　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（DCS）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zui下端，造成正负导压管中积液高度不一至，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+
　　
　　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。