王武士 張建平

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江海鹽）

一、引言

變送器按測(cè)量方式主要分為壓力、差壓、絕壓變送器，按測(cè)量原理主要分為電容式、電感式和擴(kuò)散硅式變送器，其中電感式變送器由于測(cè)量誤差大、抗干擾性差等缺點(diǎn)，現(xiàn)在應(yīng)用較少，擴(kuò)散硅式變送器測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好，在各行業(yè)已經(jīng)大量使用，但由于硅晶體對(duì)射線敏感，在放射性區(qū)域的應(yīng)用受到限制，而電容式變送器其特性能滿足復(fù)雜工況的需求，精度也較高，所以目前應(yīng)用廣泛，尤其在核電廠的特殊工藝系統(tǒng)中，核級(jí)變送器大多選擇都是電容式變送器。電容式差壓變送器在生產(chǎn)工藝系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，幾乎都會(huì)受到靜壓的影響，當(dāng)運(yùn)行工況的靜壓超過(guò)一定值時(shí)，其靜壓影響的誤差將超過(guò)變送器本身的精度，對(duì)測(cè)量通道進(jìn)行通道精度計(jì)算時(shí)，如果加入靜壓影響誤差，則可能無(wú)法滿足通道精度要求，因此電容式差壓變送器校驗(yàn)時(shí)必須對(duì)靜壓影響進(jìn)行修正。

二、電容式差壓變送器的基本原理

電容式差壓變送器主要由檢測(cè)部分和轉(zhuǎn)換部分組成，其原理方框圖見(jiàn)圖1。

圖1 原理方框圖

檢測(cè)部分的主要部件為測(cè)量元件。測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，工作原理見(jiàn)圖3。

有預(yù)張力的中心膜片作為可動(dòng)極板，和兩側(cè)固定的弧形極板形成電容CL和CH。被測(cè)壓力P1和P2分別加在兩外側(cè)的隔離膜片上，經(jīng)腔內(nèi)所充液體傳遞到中心膜片的兩側(cè)。當(dāng)P1=P2時(shí)，中心膜片在中心位置，CH=CL；當(dāng) P1≠P2時(shí)，中心膜片產(chǎn)生位移Δd，使中心膜片與兩側(cè)固定極板的距離不等，CH≠CL；從而實(shí)現(xiàn)差壓-位移-電容量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換部分原理圖如圖4。

圖2 測(cè)量元件結(jié)構(gòu)

圖3 工作原理

圖4 轉(zhuǎn)換部分原理圖

三、電容式差壓變送器靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響

1.靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響的原因

根據(jù)電容式差壓變送器的原理可以看出，當(dāng)兩邊加上相等的壓力時(shí)，即當(dāng)P1=P2時(shí)，理論上應(yīng)該輸出為零，但由于實(shí)際的組裝工藝，敏感元件高壓室和低壓室兩邊的元件不對(duì)稱、充液體積、絕緣體受力以及焊接引起中心膜片偏心等因素造成零位誤差。

2.靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響的消除

靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響，出現(xiàn)正誤差或者負(fù)誤差是隨機(jī)的，但對(duì)于每一臺(tái)變送器其大小和方向是固定的，具有重復(fù)性。靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響誤差可通過(guò)在變送器雙腔施加靜壓作用下，重新調(diào)整調(diào)零電位器來(lái)消除。

四、電容式差壓變送器靜壓對(duì)量程的影響

1.靜壓對(duì)量程的影響的原因

根據(jù)電容式差壓變送器的原理可以看出，當(dāng)有靜壓作用到敏感元件時(shí)，由于中心膜片張緊力增加，造成中心膜片位移減少，產(chǎn)生靜壓量程誤差。量程誤差是系統(tǒng)的，可重復(fù)的和基本線性的。

2.靜壓對(duì)量程的影響的消除

靜壓對(duì)量程的誤差可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法或者靜壓設(shè)備標(biāo)定方法進(jìn)行修正。

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)公式法是靠一定量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累推理而出的，對(duì)于不同量程和不同膜片材料，靜壓對(duì)量程影響的變化量是不同的，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

量程下限的靜壓量程變化修正量△IZ。

式中Pz——給定量程規(guī)格變送器的差壓量程下限值

Ps——給定量程規(guī)格變送器的差壓量程上限值

P0——給定量程規(guī)格變送器的靜壓

量程上限的靜壓量程變化修正量△IS式（2）。

量程下限的對(duì)應(yīng)輸出電流應(yīng)由4 mA修正為Iz。

量程上限的對(duì)應(yīng)輸出電流應(yīng)由20 mA修正為IS。

公式（1）和公式（2）中的K是每10 MPa的靜壓對(duì)量程變化影響的修正因子。

（2）靜壓設(shè)備標(biāo)定法。靜壓標(biāo)定設(shè)備主要包括加靜壓系統(tǒng)設(shè)備、加差壓系統(tǒng)設(shè)備以及自動(dòng)控制系統(tǒng)和相關(guān)的閥門(mén)組成。其基本原理圖如圖5。

圖5只是一個(gè)簡(jiǎn)化的工作原理圖，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制靜壓回路和差壓回路閥門(mén)的開(kāi)啟或閉合，來(lái)實(shí)現(xiàn)靜壓和差壓的疊加。其中加差壓設(shè)備最為關(guān)鍵，精度要求較高，尤其是高靜壓微差壓的變送器，這也是目前國(guó)內(nèi)的靜壓標(biāo)定設(shè)備的主要技術(shù)難點(diǎn)之一，目前國(guó)內(nèi)尚未有全自動(dòng)的變送器靜壓標(biāo)定設(shè)備。

（3）靜壓修正因子K。目前國(guó)內(nèi)變送器的靜壓修正因子一般是靠一定量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累推理而出的，以光華變送器為例，根據(jù)膜片材料、量程范圍，經(jīng)過(guò)多次的數(shù)據(jù)試驗(yàn)，反推靜壓影響的規(guī)律，推算出靜壓量程變化修正因子，以上海光華的316L膜片為例，靜壓修正因子見(jiàn)表1。

國(guó)外供貨商EMERSON具備全自動(dòng)的帶靜壓標(biāo)定設(shè)備，可以根據(jù)用戶需求，批量提供靜壓修正后的變送器，這種操作方法最為精確，但如果量程或者實(shí)際靜壓值有所改變，在現(xiàn)場(chǎng)不具備帶靜壓標(biāo)定的情況下，就必須通過(guò)公式法進(jìn)行重新修正，所以，為方便現(xiàn)場(chǎng)使用，修正因子還是需要計(jì)算和提供，以3RCP109MP為例，測(cè)量范圍0～2.76 MPa，標(biāo)定靜壓16.55 MPa（2400 psi）。

圖5 靜壓標(biāo)定設(shè)備基本原理圖

表1 CECC型差壓變送器靜壓量程變化修正因子

第一步：首先將變送器進(jìn)行帶靜壓標(biāo)定，數(shù)值如表2。

表2 3RCP109MP帶靜壓標(biāo)定數(shù)據(jù)

第二步：撤去靜壓后，測(cè)量變送器的輸出值，數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 3RCP109MP撤去靜壓后測(cè)量數(shù)據(jù)

第三步：計(jì)算修正因子式（5）。

式中A，B，C，D取表2、表3中的數(shù)值，得出K=0.61%。

（4）經(jīng)驗(yàn)公式法的具體實(shí)施步驟。按變送器的量程分布，共兩種：一種量程無(wú)遷移；另一種為有量程遷移。有量程遷移的又包括量程正遷移和量程負(fù)遷移，量程正遷移和量程負(fù)遷移的變送器的修正方法基本一樣，下面就以量程負(fù)遷移為例說(shuō)明這兩種變送器靜壓變化的修正方法：

第一步：計(jì)算靜壓量程變化的修正值：

根據(jù)公式（1）～（4），分別計(jì)算變送器在輸入量程下限和量程上限時(shí)的靜壓量程變化修正值。

第二步：測(cè)試變送器在P0靜壓下的零位誤差。先將負(fù)遷移的變送器調(diào)回至0～（Ps-Pz）量程，即取消負(fù)遷移，0輸入時(shí)變送器輸出為4 mA；（Ps-Pz）輸入時(shí)變送器輸出調(diào)整為20 mA；

對(duì)變送器雙腔同時(shí)施加靜壓P0，觀察變送器零位輸出，記錄I0；計(jì)算變送器靜壓零位誤差修正值ΔI0；卸去靜壓P0。

第三步：在無(wú)靜壓條件下修正變送器靜壓量程變化。將變送器負(fù)遷移至（Pz～Ps）；對(duì)變送器輸入量程下限值Pz，通過(guò)調(diào)整變送器調(diào)零電位器，將其輸出調(diào)整為IzmA；對(duì)變送器輸入量程上限值Ps，通過(guò)調(diào)整變送器量程電位器，將其輸出調(diào)整為IsmA；重新微調(diào)和復(fù)校，使變送器輸出為Iz～I(xiàn)s（mA）。

第四步：修正變送器靜壓零位誤差。按上述第三步，在無(wú)靜壓條件下，對(duì)變送器輸入量程下限值Pz，通過(guò)調(diào)整變送器調(diào)零電位器，將其輸出調(diào)整為Iz+I0，注意不可以再調(diào)整變送器量程電位器。至此變送器的靜壓零位誤差和靜壓量程誤差均得到修正。

3.秦二擴(kuò)電容式差壓變送器的管理

（1）秦二擴(kuò)電容式差壓變送器主要由上海光華儀表有限公司和美國(guó)羅斯蒙特兩家公司供貨，通過(guò)對(duì)兩家供貨商的技術(shù)分析來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)電容式差壓變送器可以通過(guò)搭建靜壓標(biāo)定平臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜壓標(biāo)定，但由于自動(dòng)化程度不高，且試驗(yàn)時(shí)受到人為的影響因素較多，校驗(yàn)速度慢，精度方面也不是很高，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)變送器的批量校驗(yàn)，所以目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要還是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行靜壓誤差的修正。

（2）羅斯蒙特具有全自動(dòng)的靜壓標(biāo)定設(shè)備，這是目前消除靜壓影響的最佳辦法，但是設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)或者運(yùn)行以后，在現(xiàn)場(chǎng)不具備帶靜壓標(biāo)定的情況下，需要注意以下問(wèn)題：一是變送器在安裝前如果需要對(duì)變送器進(jìn)行校驗(yàn)，只能按照廠家提供的撤掉靜壓后的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，否則出廠時(shí)進(jìn)行的靜壓標(biāo)定將被恢復(fù)；二是如果實(shí)際運(yùn)行工況的靜壓或者量程有變，在不具備返廠的情況下，必須使用公式法進(jìn)行修正。三是機(jī)組運(yùn)行后備件的采購(gòu)管理可以區(qū)分對(duì)待，對(duì)于精度要求較高的專用備件，可以根據(jù)設(shè)計(jì)靜壓，在設(shè)備出廠時(shí)即完成靜壓修正；對(duì)于可以用于多個(gè)設(shè)備上的備件，為節(jié)省費(fèi)用，無(wú)法按照具體某個(gè)設(shè)備的靜壓值和量程在出廠時(shí)完成靜壓修正的，可以根據(jù)實(shí)際的量程，利用計(jì)算出的靜壓修正因子，用公式法完成標(biāo)定。

（3）現(xiàn)場(chǎng)用戶對(duì)變送器靜壓消除的管理要求，由于需要對(duì)每臺(tái)表進(jìn)行靜壓消除，所以每臺(tái)表的測(cè)量量程不再是簡(jiǎn)單的節(jié)流裝置（或液位差壓）對(duì)應(yīng)差壓的計(jì)算量程，每臺(tái)表（或每一量程系列）具有自己特殊的個(gè)性量程，這給現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)管理帶來(lái)一定的難度，用戶需要建立每臺(tái)表自己的特殊量程檔案用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，且校驗(yàn)時(shí)必需嚴(yán)格按規(guī)程和每臺(tái)表的靜壓修正量進(jìn)行校驗(yàn)。

（4）對(duì)于電容式差壓變送器而言，靜壓對(duì)其的影響是由其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定的，因此是系統(tǒng)的，需要通過(guò)外部手段進(jìn)行修正。而擴(kuò)散硅式變送器從設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上很好的解決了靜壓影響的問(wèn)題，雖然這種結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理的變送器目前尚沒(méi)有核級(jí)設(shè)備，但是這種設(shè)計(jì)思路為核級(jí)差壓變送器的靜壓影響誤差消除提供了一種參考方法。