压力和差压变送器详细详解使用说明书DOC.docx
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压力和差压变送器详细详解使用说明书DOC
压力和差压变送器详细使用说明
(一)差压变送器原理与使用
本节根据实际使用中的差压变送器主要介绍电容式差压变送器。
1.差压变送器原理
压力和差压变送器作为过程控制系统的检测变换部分,将液体、气体或蒸汽的差压(压力)、流量、液位等工艺参数转换成统一的标准信号(如DC4mA~20mA电流),作为显示仪表、运算器和调节器的输入信号,以实现生产过程的连续检测和自动控制。
差动电容式压力变送器由测量部分和转换放大电路组成,如图1.1所示。
图1.1测量转换电路
图1.2差动电容结构
差动电容式压力变送器的测量部分常采用差动电容结构,如图1.2所示。
中心可动极板与两侧固定极板构成两个平面型电容HC和LC。
可动极板与两侧固定极板形成两个感压腔室,介质压力是通过两个腔室中的填充液作用到中心可动极板。
一般采用硅油等理想液体作为填充液,被测介质大多为气体或液体。
隔离膜片的作用既传递压力,又避免电容极板受损。
当正负压力(差压)由正负压导压口加到膜盒两边的隔离膜片上时,通过腔室内硅油液体传递到中心测量膜片上,中心感压膜片产生位移,使可动极板和左右两个极板之间的间距不相对,形成差动电容,若不考虑边缘电场影响,该差动电容可看作平板电容。
差动电容的相对变化值与被测压力成正比,与填充液的介电常数无关,从原理上消除了介电常数的变化给测量带来的误差。
2.变送器的使用
(1)表压压力变送器的方向
低压侧压力口(大气压参考端)位于表压压力变送器的脖颈处,在电子外壳的后面。
此压力口的通道位于外壳和压力传感器之间,在变送器上360°环绕。
保持通道的畅通,包括但不限于由于安装变送器时产生的喷漆,灰尘和润滑脂,以至于保证过程通畅。
图1.3为低压侧压力口。
图1.3低压侧压力口
(2)电气接线
1拆下标记“FIELDTERMINALS”电子外壳。
2将正极导线接到“PWR/COMN”接线端子上,负极导线接到“-”接线端子
上。
注意不得将带电信号线与测试端子(test)相连,因通电将损坏测试线路中的测试二极管。
应使用屏蔽的双绞线以获得最佳的测量效果,为了保证正确通讯,应使用24AWG或更高的电缆线。
3用导管塞将变送器壳体上未使用的导管接口密封。
4重新拧上表盖。
(3)电子室旋转
电子室可以旋转以便数字显示位于最好的观察位置。
旋转时,先松开壳体旋转固定螺钉。
3.投运和零点校验
一体化三阀组与差压变送器投入运行时的操作程序:
首先,打开差压变送器上两个排污阀,而后打开平衡阀,再慢慢打开二个截止阀,将导压管内的空气或污物排除掉,关闭二个排污阀,再关闭平衡阀,变送器即可投入运行。
差压变送器零点在线校验操作程序:
先打开平衡阀,关闭二个截止阀,即可对变送器进行零点校验。
三阀组的调整状态如图1.4所示。
以罗斯蒙特3051型差压变送器为例介绍差压变送器的调零。
松开电子壳体上防爆牌的螺钉,旋转防爆牌,露出零点调节按钮。
(注意,有两个按钮,一个为零点调节按钮(ZERO),另一个为恢复默认设置按钮(SPAN),注意选择零点调节按钮。
给变送器加压,压力值等于4mA输出对应的压力值。
按下零点调节按钮2秒钟,检查输出是否变成4mA。
带有表头的变送器会显示“ZEROPASS”。
图1.4调零时三阀组状态
差压变送器调零注意事项:
零位调整螺钉和量程调整螺钉切勿搞婚、搞错。
安装现场切勿进行差压变送器的量程调整;
变送器调零时正负压室及两侧引压管温度必须相同,如果两侧有温差则调整的零点会随时间产生漂移;
若在现场用变送器进行正、负迁移补偿,则应在投运运状态下做零位调整。
若迁移量过大,则不能再差压变送器上进行迁移补偿。
(二)变送器技术特性
随着科学技术的发展,人们对变送器的要求越来越高,对它的结构性能也规定得越来越详细。
现在生产的智能变送器,各种技术指标达数十项之多。
但是对用户来说,没有可能,也没有必要在使用现场对变送器的各项技术指标进行验证,而且有些指标是不会变化的。
然而理解和掌握这些性能,对于使用和维护好变送器是有好处的。
1.测量范围、上下限及量程
每个用于测量的变送器都有测量范围,它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。
测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限(LRV)和测量上限(URV),简称下限和上限。
变送器的量程可以用来表示其测量范围的大小,是其测量上限值与下限值的代数差即:
量程=测量上限值一测量下限值
使用下限与上限可完全表示变送器的测量范围,也可确定其量程。
如一个温度变送器的下限值是-20℃,上限值是180℃,则其测量范围可表示为-20~180℃,量程为200℃。
由此可见,给出变送器的测量范围便知其上下限及量程,反之只给出变送器的量程,却无法确定其上下限及测量范围。
变送器测量范围的另一种表示方法是给出变送器的零点(即测量下限值)及量程。
由前面的分析可知,只要变送器的零点和量程确定了,其测量范围也就确定了。
因而这是一种更为常用的变送器测量范围的表示方式。
2.零点迁移和量程调整
在实际使用中,由于测量要求或测量条件的变化,需要改变变送器的零点或量程,为此可以对变送器进行零点迁移和量程调整。
量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值
与测量范围的上限值
相对应。
图2.1为变送器量程调整前后的输入输出特性。
由图可见,量程调整相当于改变变送器输入输出特性的斜率,由特性1到特性2的调整为量程增大调整。
反之,由特性2到特性1的调整为量程减小调整。
图2.1变送器上限调整
在实际测量中,为了正确选择变送器的量程大小,提高测量准确度,常常需要将测量的起点迁移到某一数值(正值或负值),这就是所谓零点迁移。
在未加迁移时,测量起始点为零;当测量的起始点由零变为某一正值时,称为正迁移;反之,当测量的起始点由零变为某一负值时,称为负迁移。
零点调整和零点迁移的目的,都是使变送器输出信号的下限值
与测量信号的下限值
相对应。
在
时,为零点调整;在
时,为零点迁移
图2.2为变送器零点迁移前后的输入输出特性。
由图中可以看出,零点迁移后变送器的输入-输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离,其斜率并没有改变,即变送器的量程不变。
若采用零点迁移,再辅以量程压缩,可以提高仪表的测量精确度和灵敏度。
图2.2变送器零点迁移
零点正、负迁移是指变送器零点的可调范围,但它和零点调整是不一样的。
零点调整是在变送器输入信号为零,而输出不为零(下限)时的调整;而零点正、负迁移,是在变送器的输入不为零时,输出调至零(下限)的调整。
如果差压变送器的低压引入口有输入压力,高压引入口没有,则将输出调至零(下限)时的调整,称为负迁移;如果差压变送器的高压引入口有输入压力,低压引入口没有,则把输出调至零(下限)的调整,称为正迁移。
由于迁移是在变送器有输入时的零点调整,所以迁移量是以能迁移多少输入信号来表示,或是以测量范围的百分之多少来表示。
由于同一台变送器,其使用范围有大有小,所以迁移量也成了有大有小。
大多数厂家生产的变送器,迁移量都是以最大量程的百分数来表示的。
例如有的变送器零点正负迁移为最大量程的±100%,这就是说,如果变送器的测量范围为0~31.1kPa至O~186.8kPa,则当变送器高或低压引入口通O~186.8kPa范围内的任意压力时,其零点都可以迁到4mA。
不过高压引入口通186.8kPa的压力已经是测量范围上限了,再通就是超压,把零点调成4mADC不是不可能,但已是没有意义了,所以一般还补充一句,零点迁移量与使用量程之和不能超过测量范围的限值。
即
式中:
为迁移量;
为使用量程;
为最大量程。
这样,如果使用量程为186.8kPa,零点正迁移量便是
即不能迁了。
但若使用量程为62.3kPa,则零点正迁移量便是
对负迁移来说,没有这一限制,因为它是负压引入口压力,所以不管通0~186.8kPa范围内的多大压力,零点迁移量加上使用差压,都不会超过测量范围的限值
3.量程比
量程比是指变送器的最大测量范围和最小测量范围之比,这也是一个很重要的指标。
变送器所使用的测量范围和操作条件是经常变化的,如果变送器的量程比大,则它的调节余地就大。
可以根据工艺需要,随时更改使用范围,显然这会给使用者带来很多方便。
他们可以不需更换仪表,不需拆卸和重新安装.只要把量程改变一下就可以了。
对智能仪表来说,只要在手持终端上再设定一下。
这样,库里的备品数量可以大为减少,计划管理等工作也会简单得多。
从最简单的位移式差压计到目前的智能变送器,量程比是在不断地增加之中,这说明技术的进步。
但要注意的是,当量程比达到一定数值(例如10)以后,它的其他技术指标如精度、静压、单向性能都会变坏,到了某个值后(例如40),虽然还可使用,但它的性能已经很差的了。
一般情况下,量程比越大,其测量精度就越低。
4.四线制与二线制
变送器大都安装在现场,其输出信号送至控制室中,而它的供电又来自控制室。
变送器的信号传送和供电方式通常有两种:
(1)四线制
供电电源与输出信号分别用两根导线传输,其接线方式如图2.3所示。
这样的变送器称为四线制变送器。
DDZ-Ⅱ系列仪表的变送器采用这种接线形式。
由于电源与信号分别传送,因此对电流信号的零点及元件的功耗没有严格的要求。
供电电源可以是交流(220V)电源或直流(24V)电源,输出信号可以是死零点(0~10mA)或活零点(4~20mA)。
图2.3四线制传输
(2)二线制
对于二线制变送器,同变送器连接的导线只有两根,这两根导线同时传输供电电源和输出信号,如图2.4所示。
可见,电源、变送器和负载电阻是串联的。
二线制变送器相当于一个可变电阻,其阻值由被测参数控制。
当被测参数改变时,变送器的等效电阻随之变化,因此流过负载的电流也变化。
图2.4二线制传输
二线制变送器必须满足如下条件:
1变送器的正常工作电流,必须等于或小于信号电流的最小值
,即
由于电源线和信号线公用,电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。
在变送器输出电流为下限值时,应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。
因此,信号电流的下限值不能过低。
因为在变送器输出电流的下限值时,半导体器件必须有正常的静态工作点,需要由电源供给正常工作的功率,因此信号电流必须有活零点。
国际统一电流信号采用4~20mADC,为制作二线制变送器创造了条件。
2变送器能够正常工作的电压条件是
式中:
为变送器输出端电压;
为电源电压的最小值;
为输出电流的上限值,通常为20mA;
为变送器的最大负载电阻值;
为连接导线的电阻值。
二线制变送器必须采用直流单电源供电。
所谓单电源是指以零电位为起始点的电源,而不是与零电压对称的正负电源。
变送器的输出端电压U等于电源电压与输出电流在RL及传输导线电阻r上的电压降之差。
为保证变送器正常工作,输出端电压值只能在限定的范围内变化。
如果负载电阻增加,电源电压就需增大;反之,电源电压可以减小;如果电源电压减小,负载电阻就需减小;反之,负载电阻可以增加。
3变送器能够正常工作的最小有效功率
由于二线制变送器供电功率很小,同时负载电压随输出电流及负载阻值变化而大幅度变化,导致线路各部分工作电压大幅度变化。
因此,制作二线制变送器时,要求采用低功耗集成运算放大器和设置性能良好的稳压、稳流环节。
二线制变送器的优点很多,可大大减少装置的安装费用,有利于安全防爆等。
因此,目前世界各国大都采用二线制变送器。
5.负载特性
负载特性是指变送器输出的负载能力,通常只有电动变送器有此技术指标。
所有不同类型的两线制变送器的负载特性是差不多的。
图2.5为1151模拟变送器的负载特性。
图2.51151负载特性
从图中可见,因为要保证变送器正常工作(即保证20mA电流),所以规定了最低端电压
,推荐使用E,J情况,其最低电压为12V,否则便不能正常工作。
变送器在工作区内,负载电阻
(Ω)与电源电压
(V)的关系为
式中O.02为最大输出电流,A。
由于电动变送器有恒流性能,所以输出短路时,仪表也不会损坏。
6.供电方式
电动仪表都需要电源供给能量,供电方式在电动仪表中也是一个重要问题。
现在的电动仪表大致有两种供电方式:
交流供电和直流集中供电。
(1)交流供电。
在各个仪表中分别引入工频220V交流电压,再用变压器降压,然后进行整流、滤波及稳压作为各自的电源,在早期的电动仪表系统中多用这种供电方式。
缺点是:
这种供电方式需要在每块表中附加电源变压器、整流器及稳压器线路,因此增加了仪表的体积和重量;变压器的发热增加了仪表的温升;220V交流直接引入仪表中,降低了仪表的安全性。
(2)直流集中供电。
直流集中供电是各个仪表统一由直流低电压电源箱供电。
工频220V交流电压在电源箱中进行变压、整流、滤波以及稳压后供给各仪表电源。
集中供电的好处很多:
①每块表省去了电源变压器、整流及稳压部分,从而缩小了仪表的体积,减轻了仪表的重量,并减少了发热元部件,使仪表温升降低;
②由于采用直流低电压集中供电,可以采取防停电措施,所以当工业用220V交流电断电时,能直接投入直流低电压(如24V)备用电源,从而构成无停电装置;
③没有工业用220V交流电进入仪表,为仪表的防爆提供了有利条件。
7.阻尼特性
差压变送器常用来和节流装置配合测量流体流量,也可根据静压原理测量容器内的介质液位,流量、液位这两种物理参数有时很容易波动,致使记录曲线很粗很大,看不清楚,为此变送器内一般都有阻尼(滤波)装置。
阻尼特性以变送器传送时间常数来表示,传送时间常数是指输出由0升到最大值的63.2%时的时间常数。
阻尼越大,则时间常数越长。
变送器的传送时间分两部分,一部分是组成仪表的各环节的时间常数,这一部分是不能调的,电动变送器大概为零点几秒;另一部分是阻尼电路的时间常数,这一部分是可以调的,从几秒到十几秒。
8.接液温度和环境温度
接液温度是指变送器检测部件接触被测介质的温度,环境温度则是指变送器的放大器、电路板能承受的温度,两者是不一样的,前者的范围大,后者的范围小。
例如罗斯蒙特3051变送器的接液温度为-45~+120℃,环境温度为-40~+80℃。
所以在使用时要注意,不要把变送器所处的环境温度误以为是接液温度。
温度影响是指变送器的输出随环境温度的变化而变化,一般是以温度每变化10℃、28℃或55℃的输出变化来表征的。
变送器的温度影响和仪表的使用范围有关,仪表的量程越大,则受环境温度变化的影响越小。
9.静压和单向过压特性
(1)静压特性。
静压是指差压变送器的工作压力,通常比差压输入信号大得多。
按理说,差压变送器的输出只和输入差压有关,和变送器的工作压力是没有关系的,但由于设计、加工、装配等诸多因素,变送器的零点和量程是随着静压的变化而变化的。
变送器的静压指标就是指这种变化的允许范围。
这里有以下两点需要说明:
1不同使用范围的变送器,其输出受静压的影响是不一样的,量程范围
大,受静压变化的影响小;反之,则影响大。
制造厂为了使自己生产的仪表有较高的技术指标,所以不管用户使用在多大测量范围,静压指标总是以在最大量程下,零点和量程的变化多少来定的。
2变送器的静压可以是正压,也可以是负压。
正压有个限值,例如最为
16MPa、40MPa;负压也有个限值,例如-O.1MPa,但不能绝对真空。
我们说变送器的静压,通常只说它的上限压力,下限压力似乎认为没有规定,其实这是不对的。
变送器在绝对真空下,膜盒内的硅油会汽化,会损坏仪表,所以也有规定。
(2)单向过压特性。
单向过压即是单向超载,它是指差压变送器的一侧受压,另一侧不受压。
在变送器和节流装置配套使用过程中,由于操作不慎,有时会发生一侧导压管阀门开着,而另一侧是关的,因此变送器静压是多少压力,单向过压也是多少压力。
对于一般仪表,信号压力只能比额定压力稍大一点,例如大30%,大50%,但对差压变送器来说,单向超载的压力不是比信号压力稍大一点,而是大几倍、几十倍、上百倍。
在这种情况下,变送器应不受影响,其零点漂移也必须在允许范围,这就是差压变送器独特的单向特性。
最早的差压计是不耐单向过压的,但是现在的变送器单向过压指标定得很高,单向对仪表的各种性能基本上没有什么影响。
例如,日本横河的EJA系列差压变送器使用时可以不装平衡阀。
单向过压时间也不作规定,但从使用角度来看,不装平衡阀是不方便的。
10.稳定性
稳定性是变送器的又一项重要技术指标,从某种意义上讲,它比变送器的精度还重要。
稳定性误差是指在规定工作条件下,输入保持恒定时,输出在规定时间内保持不变的能力。
稳定性±0.1%URV/6个月表示:
在6个月内,仪表的零点变化不超过测量范围上限的±0.1%。
注意这里说的是测量范围上限,不是使用范围。
例如某变送器的测量范围为0~2kPa至O~100kPa,如果使用在O~10kPa,那么它的稳定性就不是±0.1%,而是±1%;所以在看仪表的误差时,一定要看它对哪个范围而言。
(三)差压变送器的应用
差压、压力变送器除了用于测量工业生产过程中的差压、压力参数外,还可和多种传感元件配套,测量流体流量,测量容器中的介质液位,料位、密度和藏量,以及在监测和控制系统中作为一个环节,参与各种运算。
一、流量测量
1.节流式流量计
差压变送器用得最广的是和节流装置配合,测量各种流体的流量。
节流装置包括节流元件、上下游连接的直管和引压装置三邵分,其中最基本的是节流元件,主要的有孔板、文丘利管和喷嘴三种,见图3.1。
在工业生产过程中,测量流量的仪表是很多的,但差压式流量计所占的比例最大,用得最为广泛,其结构简单、可靠,无可动部件,不怕振动,能耐高温、低温和其他恶劣条件;差压式流量计既能测液体,又能测气体和蒸气流量;由标准节流装置组成的差压流量计不用标定。
(a)孔板(b)喷嘴(c)文丘里管
图3.1标准节流元件
2.测速管流量计
测速管流量计是以测速管为传感元件,测量流体的全压和静压之差,以获得流体的流速,再乘以管道截面积而得流体体积流量的流量计。
测速管的全压和静压也是由差压变送器的高、低压室检测,所以测速管流量计和孔板流量计一样,由差压变送器的输出反映流体的流量。
但是,测速管流量计的测量原理和孔板流量计是不一样的,虽然它们都是速度式仪表。
孔板是测管道截面积上的平均流速面得流体流量,而测速管是测管道上某一点或某几点的平均流速而得流体流量。
所以测速管流量计要求流体的流速分布应更符合有关规律,则便会测量不准。
图3.2为测速管流量示意图。
1-差压变送器;2一全压力;3一皮托管,4均速管;5-静压力
图3.2测速管流量计
3.内藏孔板流量计
内藏孔板流量计是将节流元件设计在差压变送器的检测部件内部,用以测量微小流量的一种变送器。
它属于差压类流量计中的一种。
这种仪表适用于测量∅50以下管道的流体流量。
因为孔板嵌装在变送器内部,和变送器做成一体,所以没有常规节流元件那样的引压装置,安装特别简单。
差压变送器是成熟仪表,精度高,稳定性好,一般仪表人员都比较熟悉。
它和小口径节流装置制作成一体,结构简单牢固,无可动部件,适应介质范围广,气体、液体、蒸汽均可测量。
4.靶式流量计
将力平衡式气动或电动差压变送器的膜盒部件卸下,换成一块圆板,固定在下杠杆末端,便可构成靶式流量计。
图3.3为靶式流量计测量部分的工作原理图。
工作时,把靶插入管道。
流体通过时,便对靶板产生作用力,再通过杠杆转换系统输出20~100kPa气压信号(气动靶式流量计),或输出4~2OmA电流信号(电动靶式流量计)。
1一表头;2一下杠杆;3一靶板;4一管道
图3.3靶式流量计工作原理图
二、液位测量
差压、压力变送器的另一个用途是用于测量容器内液体的液位、界位,以及固体颗粒的料位。
1.静压液位计
容器中盛有液体或固体物料时,由于液体或物料受重力的作用,它们会对容器底部或侧壁产生一定的静压力。
当液体或物料的密度均匀,此静压力与液体的高度成正比,测出了容器底部的静压力,就可知道液位高度。
式中:
p一容器底部的静压力,Pa;
h—容器内介质液位,m;
-一液体密度,kg/m3;
g一重力加速度,m/s2。
通过测静压来测量容器液位的静压液位计,可分为两类:
①用于测量开口容器液位的压力式液位计;
图3.4为开口容器液位测量示意图,测量仪表可以用差压变送器,也可以用压力变送器。
用差压时,低压引压口通大气。
图3.4开口容器液位测量示意图图3.5闭口容器液位测量示意图
②用于测量闭口容器液位的差压式液位计。
用静压式液位计测量闭口容器液位时,变送器的示值除了与液柱的静压力有关外,还与液位上面的气相压力有关,所以变送器的输出既受液位的变化,还受气相压力的变化而变化。
为了消除气相压力的影响,需要采用差压式液位计测量,如图3.5闭口容器的液位测量示意图所示。
容器底部压力引至变送器高压侧,上部压力引至变送器低压侧。
2.吹气液位计
有时,被测介质有腐蚀性、高粘度或含有固体悬浮颗料,再或者就是粉末状的固体,这些介质会腐蚀或堵塞引压导管和变送器测量室,这时可用吹气法测量它们的液位或料位。
1截止阀;2一过滤减压阀;3限流孔板;4一转子流量计;5变送器,6容器;PA一气源压力;PB一限流孔板后的压力
图3.6吹气液位计
吹气气体一般是空气,但如果被测液体是易燃、易氧化的介质,也可以用氮气或二氧化碳等惰性气体。
吹气法测液位和非吹气法测液位一样,也有闭口容器和开口容器两种。
闭口容器要用差压变送器测,开口容器用压力变送器就可以了。
图3.6是吹气法测开口容器液位计的原理示意图。
经过过滤的压缩空气从导管进人,经限流孔板3、转子流量计4后分成两路:
一路进变送器5的测量室,另一路进容器6,并从容器底部逸出。
如果空气流量很小,从导官下端仅有少量气泡逸出(每分钟约15。
个),则变送器引压口C处的压力和导管空气出口处D的压力几乎相等。
如果有一点差值,则只要吹气流量恒定差值也就不变,变送器的输入就单一地随着容器内液位高度的变化而变化,变送器的输出也就和容器内的液位相对应。
同时又隔离了被测介质进人引压导管和仪表测量室。
3.双室平衡容器差压液位计
双室平衡容器用于测量下业锅炉的汽鼓水位,因为汽锅内温度高,压力高,如不采取特殊装置,则两引压导管内的温度无法恒定。
图3.7为双室平衡容器的结构与测量原理图。
1内管容室,2一冷凝室;3,5一接杆;4一汽鼓
图3.7双室平衡容器的工作原理
它由内管容室1和冷凝室2组成,其中冷凝室2通过接管3与汽鼓4的蒸汽空间相连。
工作时,冷凝室中的蒸汽不断冷凝成水,多余的凝结水不断地通过连接管3溢流回汽鼓,从而使凝结水保持恒定高度口容室1为冷凝室2中的管子,通过接管5与汽鼓的容水空间相连,这样容室1中的水位便随汽鼓待测水位的变化而变化。
这种平衡容器使得冷凝室2和容室1的水温基本相同。
并维待在蒸汽的饱和温度不变,因而可以减少由于温度不同而产生的误差。
双室平衡容器实质上是一个水位一差压的转换装置,它根据连通器原理,将汽鼓水位转换为两个容室中的压力差,并通过测此压力差来测量汽鼓水位。
三、测量密度与重量
用差压变送器还可以测量介质的密度和重量,图3.8为测量原理图。
1一密度差压变送器;2一重量差压变送器;3一容器
图3.8密度与重量的测量原理
1.密度的测量
用差压变送器可以测量容器内介质的密度,只要在容器下部始终有介质的地方装两根引压管,分别引到密度差
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