差壓變送器在應用中的故障診斷與分析

1   引言:差壓變送器在應用中的故障診斷與分析
    在工業自動化生產中，差壓變送器用于壓力壓差流量的測量，得到了非常廣泛應用，在自動控制系統中發揮重要的作用。隨著石化、鋼鐵、造紙、食品、醫藥企業自動化水平的不斷提高,差壓變送器的應用范圍越來越廣泛，生產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，使得出現的問題不能迅速解決，一定程度上影響了生產的正常進行，甚至危及生產安全，因此對現場儀表維護人員的技術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
    來自雙側導壓管的差壓直接作用于變送器傳感器雙側隔離膜片上，通過膜片內的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器，經過放大等處理變為標準電信號輸出。差壓變送器的幾種應用測量方式：
（1） 與節流元件相結合，利用節流元件的前后產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壓管的敷設、電氣信號電纜的敷設、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，常常會出現一些故障，故障的及時判定分析和處理，對正在進行了生產來說至關重要的。我們根據日常維護中的經驗，總結歸納了一些判定分析方法和分析流程。
    （1）調查法。回顧故障發生前的打火、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、導壓管的泄漏，回路的過熱，供電開關狀態等。
    （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，將相關部分回路直接短接，如：差變送器輸出值偏小，可將導壓管斷開，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，觀察變送器輸出，以判斷導壓管路的堵、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導壓管堵塞
    以正導壓管堵塞為例來分析導壓管堵塞出現的故障現象。在儀表維護中，由于差壓變送器導壓管排放不及時，或介質臟、粘等原因，容易發生正負導壓管堵塞現象，其表現特征為：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，則當實際流量分別為F1、F2時，P1+= P2+； 
當流量增加時，P2-出現如下變化：因為實際流量增加為F2，則與原流量F1時相比，管道內的靜壓力也相應增加，設增加值為P0，同時P2- 因管道中流體流速的增加而產生的靜壓減小，減小值為P0?，此時P2-與P1- 的關系為：
    P2- = P1-+ P0- P0?
    則：  P2= P2+- P2- = P1+-（ P1-+ P0- P0?）= P1+（ P0?-P0）
    則： F’現=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的降低，設降低值為P0；同時，當實際流量下降至F2時，P2-值也要因為管內流體流速的降低而升高，設升高值為P0’。
    此時，P2-與P1-的關系為：-
    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，導壓管的堵原因主要是由于測量導壓管不定期排污或測量介質粘稠、帶顆粒物等原因造成。
3.2導壓管泄漏
    以正導壓管泄漏來分析導壓管泄漏出現的故障現象。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：節流孔板+差壓變送器。裝置生產正常時的用風流量基本是穩定的，但在后期的生產過程中發現用風流量比正常值下降了很多。

    經過檢查，二次儀表（DCS）組態及電信號回路工作正常，變送器送檢定室標定正常，于是懷疑問題出現出導壓上，經過檢查，由于正導壓管焊接不好造成泄漏所至，經過補焊堵漏后，流量測量恢復正常。
下面我們分析正導壓管泄漏時反映出的故障現象。
    正導壓管泄漏的現象是：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，
    設增加后的實際流量為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  正壓導管泄漏，而流量上升時，變送器輸出不變 
    當：P0?>Ps  正壓導管泄漏，而流量上升時，變送器輸出增加
    當：P0?<Ps  正壓導管泄漏，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
設下降后的實際流量為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現，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現，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
    我們假設管道內流體流量在沒有變化的情況下做分析
    設泄漏的壓力為PS，
    則：泄漏后的正負導壓管的靜壓為： 
    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導壓管安裝不符合要求（與水平成不小于1：12的斜度連續下降） 時,常常造成導壓管內部積存液體的現象。這種現象的出現，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，系統為節流孔板+差變送器，取壓方式為環室取壓，煤氣流動方向為向下，放空方式為安全考慮，設為集中式排放。

    本測量系統剛投用時工作正常，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。
經過檢查，二次儀表（DCS）組態及電信號回路工作正常，變送器送檢定室標定正常，用側漏儀表查雙側導管正常。經過分析，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，并逐漸沿正壓導壓管流動集中至zui下端，造成正負導壓管中積液高度不一至，差壓變送器測量出現正向誤差，顯示為流量增大。
    分析：
    設正導壓管取壓點壓力為P+，負導壓管取壓點壓力為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?
       設正常測量狀態下的流量為F，則  F=K 
這里 K為常系數。
    設液體水的密度為ρ，則在正導壓管積液高度為h+,負導壓管積液高度為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，產生測量誤差。
這里，由于正壓導管取壓方式的原因，隨著時間的增加，h+逐漸大于h-，測得的流量也增大。

    經過典型故障案例，對使用差壓變送器的測量回路由于導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備維護中非常常見的，通過分析可以看到，無論是導壓管堵塞、還是導壓管中積水，同樣的故障，其表征出來的現象有時并不同，所以我們在分析問題時應該是辯證的，具體情況具體分析。

4    結束語
    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。