差壓變送器在應(yīng)用中的故障診斷與分析

1   引言:差壓變送器在應(yīng)用中的故障診斷與分析
    在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，差壓變送器用于壓力壓差流量的測量，得到了非常廣泛應(yīng)用，在自動控制系統(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)自動化水平的不斷提高,差壓變送器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，生產(chǎn)中遇到的問題也越來越多，加之安裝、使用、維護員的水平差異，使得出現(xiàn)的問題不能迅速解決，一定程度上影響了生產(chǎn)的正常進行，甚至危及生產(chǎn)安全，因此對現(xiàn)場儀表維護人員的技術(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，通過膜片內(nèi)的密封液傳導(dǎo)至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號傳遞給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵觥２顗鹤兯推鞯膸追N應(yīng)用測量方式：
（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，測量液體的高度，如圖2所示。
（3） 直接測量不同管道、罐體液體的壓力差值，如圖3所示。
 

    差壓變送器的安裝包括導(dǎo)壓管的敷設(shè)、電氣信號電纜的敷設(shè)、差壓變送器的安裝。
2.2差壓變送器故障診斷
    變送器在測量過程中，常常會出現(xiàn)一些故障，故障的及時判定分析和處理，對正在進行了生產(chǎn)來說至關(guān)重要的。我們根據(jù)日常維護中的經(jīng)驗，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，回路的過熱，供電開關(guān)狀態(tài)等。
    （3）檢測法。
    ·.斷路檢測：將懷疑有故障的部分與其它部分分開來，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，以查看是否電纜是否疊加約2kHz的電磁信號而干擾通訊。
    ·.短路檢測：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：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。
    ·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，按分部分檢查，由簡至繁，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)壓管堵塞為例來分析導(dǎo)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(dǎo)壓管排放不及時，或介質(zhì)臟、粘等原因，容易發(fā)生正負導(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(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(nèi)的靜壓力也相應(yīng)增加，設(shè)增加值為P0，同時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 
    樣：
    當 P0=P0?時   則：F’2=K =K   F’2= F’1 變送器輸出不變。
    當 P0>P0?時   則： F’2=K =K   ,F’2< F’1,變送器輸出變大。
    當 P0<P0?時   則： F’2=K =K   ,F’2> F’1 ,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(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(yīng)的降低，設(shè)降低值為P0；同時，當實際流量下降至F2時，P2-值也要因為管內(nèi)流體流速的降低而升高，設(shè)升高值為P0’。
    此時，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 P0=P0?時   則：F’2=K =K   F’2= F’2 變送器輸出不變；
    當 P0>P0?時   則： F’2=K =K   ,F’2> F’1,變送器輸出變大；
    當 P0<P0?時   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量導(dǎo)壓管不定期排污或測量介質(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，萊鋼集團公司某加熱爐儀表控制閥用凈化風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(chǎn)正常時的用風流量基本是穩(wěn)定的，但在后期的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)用風流量比正常值下降了很多。

    經(jīng)過檢查，二次儀表（DCS）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(dǎo)壓上，經(jīng)過檢查，由于正導(dǎo)壓管焊接不好造成泄漏所至，經(jīng)過補焊堵漏后，流量測量恢復(fù)正常。
下面我們分析正導(dǎo)壓管泄漏時反映出的故障現(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：
    當流量上升時，對變送器（變送器本身進行輸出信號開方）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：P0?=Ps  正壓導(dǎo)管泄漏，而流量上升時，變送器輸出不變 
    當：P0?>Ps  正壓導(dǎo)管泄漏，而流量上升時，變送器輸出增加
    當：P0?<Ps  正壓導(dǎo)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(shè)下降后的實際流量為F2，即：F2<F1，F(xiàn)’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’）
    F’2=K =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，
    F’2<<F’1
   上述儀表控制閥用凈風管線的流量測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(xiàn)’1=K ，F(xiàn)’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，變送器測量輸出小于實際流量值
 

3.4氣體流量導(dǎo)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?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,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4，萊鋼大型1#1880高爐的煤氣流量測量系統(tǒng)，系統(tǒng)為節(jié)流孔板+差變送器，取壓方式為環(huán)室取壓，煤氣流動方向為向下，放空方式為安全考慮，設(shè)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(jīng)過檢查，二次儀表（DCS）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(cè)漏儀表查雙側(cè)導(dǎo)管正常。經(jīng)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(dǎo)壓管流動集中至zui下端，造成正負導(dǎo)壓管中積液高度不一至，差壓變送器測量出現(xiàn)正向誤差，顯示為流量增大。
    分析：
    設(shè)正導(dǎo)壓管取壓點壓力為P+，負導(dǎo)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(shè)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(shè)液體水的密度為ρ，則在正導(dǎo)壓管積液高度為h+,負導(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(chǎn)生測量誤差。
這里，由于正壓導(dǎo)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(jīng)過典型故障案例，對使用差壓變送器的測量回路由于導(dǎo)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(shè)備維護中非常常見的，通過分析可以看到，無論是導(dǎo)壓管堵塞、還是導(dǎo)壓管中積水，同樣的故障，其表征出來的現(xiàn)象有時并不同，所以我們在分析問題時應(yīng)該是辯證的，具體情況具體分析。

4    結(jié)束語
    以上我們探討了差壓變送器的安裝方法、注意事項及差壓變送器測量回路故障的診斷，實際上，由于壓力變送器與差壓變送器測量應(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。