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“FIELD TERMINALS”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“ZERO PASS”。 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4mA DC 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?pz ? ?ps ? ?ph 式中: ?pz 为迁移量; ?ps 为使用量程; ?ph 为最大量程。这样,如果使用量程 为186.8kPa,零点正迁移量便是 ?pz ? ?ph ? ?ps ? 186 .8 ?186 .8 ? 0KPa 即不能迁了。 但若使用量程为62.3kPa,则零点正迁移量便是 ?pz ? 186 .8 ? 62.3 ? 124 .5KPa 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 I0min ,即I ? I 0 min 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 U ? Emin ? I 0 max(RL max ? r) 式中:U 为变送器输出端电压; Emin 为电源电压的最小值; I0max 为输出电流的 上限值,通常为20mA; RL m 为变送器的最大负载电阻值; ax r 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 P ? I0min (E min ? I0minR Lmax) 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2.5 1151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 为(Ω)与电源电压 (V)的关系 RL ? VS ?12 0.02 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。