差壓變送器在應(yīng)用中的故障診斷與分析
1、引言
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。
2、工作原理與故障診斷
2.1 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。
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。
2.2 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，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，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。
3、典型故障案例
3.1 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)開方）輸出的影響：
設(shè)原流量為F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’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’2=K ，F’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 = 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<P0?時(shí) 則： F’2=K =K ,F’2> 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)開方）輸出的影響。
設(shè)原流量為F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’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’2=K ，F’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 = 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<P0?時(shí) 則： F’2=K =K ,F’2< F’1 ,變送器輸出變小。
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。
3.2 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)開方）輸出的影響
設(shè)原流量為F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’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’2=K ，F’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?<Ps 正壓導(dǎo)管泄漏，而流量上升時(shí)，變送器輸出減小
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)開方）輸出的影響
設(shè)下降后的實(shí)際流量為F2，即：F2<F1，F’2=K , F’2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(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’ <<Ps，
即： P2<< P1，
F’2<<F’1
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。
3.3 平衡閥泄漏
設(shè)流量為F， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’1為平衡閥泄漏前的變送器（帶開方）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 = K
即：F’2<F’1，變送器測(cè)量輸出小于實(shí)際流量值
3.4 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?，放空方式為安全考慮，設(shè)為集中式排放。
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+<h-時(shí) 變送器實(shí)際測(cè)得的差壓減小，輸出流量信號(hào)變小，
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。
4、結(jié)束語(yǔ)
以上我們探討了差壓變送器的安裝方法、注意事項(xiàng)及差壓變送器測(cè)量回路故障的診斷，實(shí)際上，由于壓力變送器與差壓變送器測(cè)量應(yīng)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。
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