董永志

摘 要：文章介紹了在核電站使用的羅斯蒙特壓力變送器、差壓變送器的主要性能及故障處理經驗。此類變送器測得的流量、液位和壓力參數參與自動控制系統的邏輯計算，使其控制生產現場各系統安全穩(wěn)定地運行。文章結合變送器工作原理、關鍵性能進行分析，有零點遷移、開方功能、阻尼時間、靜壓修正、單向過壓特性、正反向性能等。

關鍵詞：量程比；零點遷移；靜壓修正；單向過壓特性；正反向性能；小流量切除

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0165-04

1 應用概況

隨著工業(yè)生產現場自動化水平不斷提高，組成自動控制系統的重要一環(huán)測量信號（流量、液位和壓力信號）的及時性和準確性直接影響到生產系統能否安全穩(wěn)定運行。羅斯蒙特系列變送器應用于生產現場諸多重要系統中。作為儀控專業(yè)設備維修人員，熟練掌握此類變送器工作原理、故障分析和維修方法已經成為最基本的技能要求。

2 工作原理及結構

變送器感壓部件壓力容室結構圖，如圖1所示。固定電容極板和位于中心感壓極板組成兩個電容室，被測壓力通過導壓灌充液傳導至感壓極板，感壓極板產生與壓力基本成正比的位移。該位移使兩電容室的差分電容值改變，差分電容由電子電路、放大及信號處理板，轉換成4～20 mADC電流信號。其中將 4 mA用于零電平，是為了便于判斷開路、短路或傳感器損壞。

3051系列變送器主要部件，如圖2所示。

現場使用的羅斯蒙特3051系列變送器采用二線制信號傳輸方式的接線原理，如圖3所示。與四線制相比其優(yōu)點是不易受沿線電阻壓降和溫漂的影響，節(jié)省電纜和安裝費用；另外二線制環(huán)路，接受器電阻通常為250 Ω，不足以產生顯著誤差，可以允許電纜長度比電壓遙測系統更長更遠。

智能變送器還可連接手持終端，用于對變送器參數進行設置，如變送器量程、零點、輸入信號選擇、輸出信號選擇、工程單位選擇、阻尼時間及自診斷等。

3 關鍵性能詳解

在傳統觀念中變送器的好壞主要看它的測量精度、量程比和溫度/靜壓修正系數，但這并不能完全體現變送器的全部性能。因為這些數據是分散的，每一個數據都不能單獨反映變送器的綜合性能。現場使用的變送器，應該更看重它長期的穩(wěn)定性和可靠性?，F針對各項性能進行詳細分析。

3.1 零點遷移

在生產現場最常見一類缺陷是測量液體壓力的變送器設置的零點與被測系統實際零點不一致。這主要是現場實際應用中，出于對設備便于維護、設備工作條件的考慮，變送器不一定能與取壓口在同一水平面上。取壓管內液柱靜壓力使得系統實際壓力為零時，變送器測得的壓力不為零。另外取壓管內液體因溫度變化導致密度、靜壓力發(fā)生變化，偏離理想工況下液柱靜壓力值，導致變送器處零點發(fā)生變化。這時就要考慮對變送器零點進行遷移。

零點遷移是在變送器量程不變的情況下把測量的起始點由零遷移到某一數值。當測量的起始點由零變?yōu)槟骋徽禃r，稱為正遷移。當測量的起始點由零變?yōu)槟骋回撝?，稱為負遷移。如果僅僅對變送器進行零點遷移，則其靈敏度不會發(fā)生變化。

零點正負遷移特性曲線對比，如圖4所示，曲線2為沒有進行零點遷移的輸入/輸出特性曲線，1是零點負遷移后的曲線，而3是零點正遷移后的曲線。從圖中也可以看出，做零點遷移不會影響變送器的量程。3051變送器正遷移量最大可達最小調校量程的500%，負遷移可達600%。

另外需要注意的是，用差壓變送器測量液位時，只在最初安裝時根據現場實際零液位的差壓值進行一次遷移，之后若因為維護的需要改變了變送器安裝位置，則不需要再進行零點遷移。因為改變差壓變送器安裝位置，正負壓側有同樣的液柱壓力變化，二者差壓不變，變送器零點不變。

3.2 量程調整

另外一種比較常見的異?，F象是，變送器工作量程與工藝所要求的測量范圍不一致，測量信號不能正確反映系統工況的變化。這主要是因為沒有根據現場實際情況正確設定變送器量程。變送器的測量范圍，是按規(guī)定精度進行測量的被測變量范圍。測量范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限和測量上限。量程即變送器測量上下限的代數差。

要注意變送器量程和調校量程的區(qū)別。調校量程是根據工藝情況設定，對應于4～20 mA的量程，也是變送器的工作量程，是工藝所要求的測量范圍，它小于變送器的量程。而變送器量程是變送器銘牌標注的量程，即變送器可以測量的最大范圍，是變送器線性區(qū)最好的一段，由其自身的部件、結構決定。

另外一個重要參數是量程比，即變送器在滿足精度要求的情況下所能測得的最大值和最小值之比。量程比大，可調整的余地就大，可在工藝條件改變時便于更改變送器的測量范圍而不更換變送器。但并不是量程比越大變送器性能就越好，當量程比達到一定值后，變送器其他技術指標如精度、靜壓、單向性都會變壞，一般情況下量程比越大其測量精度就越低。

我們通過量程調整可以使變送器輸出信號上限值與測量范圍的上限值相對應。量程調整相當于改變變送器的輸入輸出特性曲線的斜率，即改變變送器輸出信號與輸入信號之間的比例系數。對變送器進行量程調整，其靈敏度會發(fā)生變化。在多個儀表組成的測量和控制系統中，靈敏度具有可傳遞性，如首尾串聯的儀表系統，其總靈敏度是各儀表靈敏度的乘積。

量程調整前后曲線，如圖5所示，曲線1和2分別表示變送器量程調整前后的輸入輸出特性，此圖中曲線2調整后的量程小于曲線1的量程。

3.3 靜壓修正

靜壓對變送器測量的影響是大多數調試、維修人員最容易忽略的問題。當管道流體壓力大且波動頻繁的時候，變送器輸入輸出特性會發(fā)生變化，測量值與實際值不符。

以差壓變送器為例，靜壓就是變送器正負壓側同時承受的系統壓力。如測量管道流量的變送器，管道流體壓力為15 MPa，經過文丘利管或噴嘴降壓后壓力為14.9 MPa，則變送器的靜壓是15 MPa，差壓約為0.1 MPa。

靜壓對輸出電流的影響曲線，如圖6所示。當變送器運行于高靜壓環(huán)境時，由于壓力容室的性能會發(fā)生變化，變送器輸出電流會與差壓之間的特性發(fā)生變化，如圖中虛線所示。

圖中實線I為常壓下變送器輸入輸出特性曲線，虛線I是受靜壓影響后的特性曲線。可以看出，由于受到高靜壓影響，在同樣的壓力值上對應的電流值發(fā)生變化，這影響了變送器的性能，如果這個值超出正常范圍，則變送器不能正常使用。變送器量程范圍越大，輸出受靜壓影響越小。校驗變送器時若現場不具備模擬實際工況的條件，只能在常壓下進行校驗，則有必要對高靜壓工況下的變送器輸出值進行靜壓修正。

在常壓下進行靜壓修正校驗時，必須對變送器的量程進行靜壓修正計算，得出修正后的輸出電流上下限值，根據這個修正后的量程在常壓下進行校驗。

計算過程中需要注意不同型號的變送器靜壓修正系數是不同的。另外，靜壓對零點也有影響，是一個非固定性的隨機誤差，需要對每一個變送器單獨考慮。

下面是某電廠差壓變送器在常壓下的靜壓修正校驗方法。

3.3.1 靜壓對量程上下限的影響：

靜壓修正系數F：差壓變送器由于正負側同時承受高靜壓力而產生的偏移量；

具體的靜壓修正計算如下：

①確定變送器的輸入物理量程R以及靜壓Pm，Pm為設計文件中的設計值；

②計算修正因子C：C=靜壓修正系數×靜壓=F×Pm；

③計算物理量程零點修正量Z=修正因子×物理量；

④計算零點相對量程的修正量ZR：ZR=Z/量程R；

⑤計算電氣零點修正量DZ：DZ=ZR×16；

⑥計算修正后的電氣零點ZM：ZM=4+ DZ；

⑦計算物理滿量程點修正量R：R=修正因子×物理量；

⑧計算滿量程點相對量程的修正量RR=R/量程R；

⑨計算電氣滿量程點修正量DR：DR=RR×16；

⑩計算修正后的電氣滿量程點RM：RM=20+DR。

其中③-⑥為量程最低點的修正步驟，⑦-⑩為電氣最高點的修正步驟。

計算出經過靜壓修正后的電氣量程后，就可以按照該電氣量程在常壓下對變送器進行校驗了。

3.3.2 靜壓對零點影響的修正：

靜壓對零點的影響是一個非系統性的非固定性的隨機誤差，因此需對每一個變送器單獨考慮；

當測量范圍包括0差壓時，可以如下處理：先按照a）的理論計算值校驗好變送器，然后在工藝系統的設計靜壓下檢查測量零點輸出，此時的理論輸出電流為4 mA，如果不為4的話，調整“zero”到4mA，不要調整“span”。

當量程中不包括零點時的修正：

①按照常壓下的標準方法將變送器校驗到4～20 mA；

②在正負壓側加上設計靜壓，測量零點的輸出，并計算修正電流，例如-0.006 mA；

③按照有靜壓a）的理論計算值校驗，假如3.797～19.945 mA；

④將修正電流-0.006增加到理論零點電流上，例如3.797+（-0.006）；

⑤在常壓下調整零點電位器，使零點輸出為3.791 mA，不要調整量程電位器，則此時的電流范圍就是全量程范圍的電流值。

3.4 開方功能

工藝系統液體流量的測量很多使用羅斯蒙特差壓變送器來實現，但在初次安裝調試或更換新變送器后測量值會出現錯誤，而這往往是因為變送器內沒有選擇開方功能。

流體流量計算公式如下：

Q=K×sqr（△P/ρ）

其中，Q為流量值；

K為轉換系數是常量，是被測介質和節(jié)流裝置本身的參數綜合；

△P為變送器所測得的節(jié)流件前后壓差；

ρ為被測流體在節(jié)流件附近的密度。

公式中只有△P為變量，在其他參數不變的情況下可以得到流量與差壓的函數關系。由于變送器實際所測得的參數是差壓信號，根據公式可知，要得到流量值必須對差壓信號進行開方。這個開方功能可以通過變送器內部參數設置實現，也可以在各種控制系統平臺通過邏輯組態(tài)來實現。

3.5 阻尼時間

變送器測量的工藝系統參數往往波動很頻繁，而實際上這些小的波動又不需要調節(jié)系統動作。因為變送器阻尼時間設置過小，被測信號頻繁波動導致一些調節(jié)系統、執(zhí)行機構動作很頻繁，這既不利于調節(jié)系統的穩(wěn)定，也降低了執(zhí)行機構的使用壽命。

差壓變送器常用來與節(jié)流裝置配套使用測量流體流量，也可以利用靜壓原理測量容器液位（開口容器的液位可用壓力變送器來測量），這兩種參數很容易波動。如果波動頻繁或者是因為信號回路受到干擾的影響，則會降低調節(jié)系統的穩(wěn)定性。為了提高系統的穩(wěn)定性，需要在測量回路中加入合適的阻尼環(huán)節(jié)，濾去不必要的干擾但又能及時反映系統實際工況的變化。

羅斯蒙特系列變送器內有阻尼裝置，阻尼時間可以根據需要進行設置。理論上，阻尼時間越大，系統對干擾的抑制程度越大，但系統的響應時間也增加了。所以在工程應用中需要平衡兩者之間關系。在不影響閉環(huán)反饋時間的前提下，適當提高阻尼時間利于設備的長期穩(wěn)定工作。

變送器阻尼時間可以通過HART手操器來設置。廠家在產品出廠時一般設定為1 s，對于常規(guī)檢測是較為合適的。對于較大波動的測量場合，可以將阻尼時間加大一點，但不要為了追求測量值穩(wěn)定而任意加大阻尼時間，這樣可能會妨礙及時測量一些突發(fā)的異常值，一般阻尼時間都設定在2 s以內。

3.6 單向過壓特性

差壓變送器現場調試和檢修過程中常常存在一種現象即單向過壓。雖然現階段使用的變送器性能已經較以往有很大提高，短時間單向過壓也不會對變送器性能產生大的影響，但如果長期承受過大的單向壓力，則會影響變送器的測量精度和使用壽命。

單向過壓特性指差壓變送器單向超載，如差壓變送器一側受壓，另一側不受壓。在變送器和節(jié)流裝置配合使用過程中，由于操作不慎會發(fā)生一側取壓管隔離閥打開，而另一側取壓管隔離閥關閉，此時變送器所承受的靜壓即是單向過壓值。對差壓變送器來說，單向超載的壓力往往比信號壓力大幾十倍甚至上百倍，在這種情況下變送器應不受影響，其零點漂移也必須在允許范圍內，這就是差壓變送器獨特的單向過壓特性。

目前雖然很多變送器單向過壓指標普遍定的很高，甚至某些變送器單向過壓對各種性能基本上沒有影響，單向過壓時間也不做規(guī)定，但在實際使用過程中還是要盡量避免使差壓變送器單向超壓，特別是高靜壓環(huán)境下的小量程差壓變送器。

3.7 溫度的影響

變送器在首次投運時測量不準甚至損壞，往往是由于取壓管內介質還沒有得到完全冷凝就直接接觸到變送器導致。壓力變送器測量的很多都是高溫高壓蒸汽或液體的壓力，這個溫度值早已經超過了變送器正常工作的最高溫度。所以在變送器投運過程中，無論有無冷凝裝置或是隔離液，一定要檢查取壓管溫度來確定管內介質溫度不超過變送器正常工作的最高接液溫度。

這里所涉及的溫度有接液溫度和環(huán)境溫度。接液溫度是指變送器檢測部件接觸被測介質的溫度，環(huán)境溫度則是指變送器的放大器、電路板能承受的溫度，兩者是不一樣的。如羅斯蒙特3051變送器的接液溫度為-45～+120 ℃，環(huán)境溫度為-40～+80 ℃。變送器輸出會隨環(huán)境溫度的變化而變化，量程越大則輸出受環(huán)境溫度變化的影響越小。

智能變送器有一個內置的溫度傳感器用來補償環(huán)境溫度變化的影響。出廠前，每個變送器都接受過溫度循環(huán)測試，并將其在不同溫度下的特性曲線儲存在變送器的存儲器中。在工作現場，這一特點使變送器能將溫度變化的影響減到最小。安裝變送器時也要盡量避免選擇環(huán)境溫度變化劇烈的地方或是高溫管道和容器旁。

在蒸汽及其他高溫介質測量中，對于硅油灌充變送器，法蘭處的溫度不能超過120 ℃。對于惰性液灌充變送器，不能超過85 ℃。在真空測量中，這些溫度極限下降，對于硅油灌充變送器為104 ℃，惰性液灌充變送器為71 ℃。3051L、3051H和傳統法蘭可經受更高溫度。

當被測介質溫度超過120 ℃時，必須采用冷凝引壓管，長度在1.5 m左右為宜，并進行彎曲處理，并且在變送器接入被測介質時不能馬上將被測介質引入變送器。應在變送器和冷凝管之間加裝截止閥，等冷凝管內溫度低于120℃后方可打開閥門。否則由于被測介質溫度過高，可能會使變送器內的敏感部件在高溫下損壞。

3.8 正反向性能

變送器現場使用過程中還會出現一種情況，被測系統實際參數升高時，變送器輸出的信號值卻是降低的，信號變化方向與實際工況正好相反。對于差壓變送器，所謂正向是指變送器接收到的差壓信號增加，輸出信號也增加；反向則是差壓信號增加，輸出信號卻減少。

在用差壓變送器測量容器液位時，高壓側接容器下部取壓管，低壓側接容器上部取壓管，這樣變送器輸出便能在液位上升時輸出增加，液位下降時輸出減少。同樣，在差壓變送器和節(jié)流裝置配合測量流體流量時，變送器高壓側接節(jié)流裝置上游取壓管，變送器低壓側接節(jié)流裝置下游取壓管。

由于工作不慎，高低側取壓管敷設反了，或是為了維護操作方便必須將正取壓管接變送器低壓側，負取壓管接變送器高壓側。這時可用HART手操器在智能變送器上組態(tài)來實現它的正常功能。在變送器內部有一正反向轉換模塊，只要將它設定為反向，便可解決取壓管接反的問題，而不需要改裝引壓管線。

3.9 小流量切除

在使用差壓變送器測量介質流量時，當系統已經隔離，被測管道內已經沒有介質流動，但變送器輸出不為零，即使變送器零點設置正確且沒有漂移仍然存在這種情況。這影響了運行人員對系統實際工況的判斷。

這是因為差壓變送器測量流量時回路中引入了開方環(huán)節(jié)，系統微小的差壓或信號回路中極小的干擾都會導致這種情況的發(fā)生。而在現場這種微小的差壓變化和信號干擾是不可能完全消除的。所以在實際使用過程中，我們引入了小流量切除功能，在實際系統流量為零時保證測量回路輸出的流量信號也為零。有的變送器本身帶有小流量切除功能，可以使用HART手操器進行內部設置。如果變送器本身不具備小流量切除功能，我們可以在控制系統組態(tài)中加入小流量切除邏輯來實現。，控制系統中小流量切除邏輯簡圖，如圖7所示。

A1為現場送至控制系統模擬量輸入通道的流量信號，A2是經過小流量切除后送至其他控制器顯示或參與調節(jié)、保護運算的流量信號，F（X）為常用的函數算法塊。

其中F（X）設置當輸入A1小于等于某一設定值時，輸出A2的值為零。

對于小流量切除點得選擇，早期1.5級精確度的變送器，切除點選擇在差壓上限3%范圍內，所對應的流量值為12.2%滿量程。后來變送器精確度提高到0.5級后，將切除點調整到差壓上限的1%，對應的流量值是10%滿量程。目前很多儀表制造廠都將差壓切除點減小到0.75%，對應的流量值是8.7%滿量程。

需要說明的是，并不是使用了小流量切除措施后儀表的零漂就不存在了。因此如果不設置小流量切除就能達到要求，最好不要切除。對于小信號要不要切除，切除值的大小如何取值，總的原則是在能達到目的的情況下，將切除值選擇的盡量小。測量干氣體的流量，可以忽略傳遞信號的失真，在差壓上限設置比較高，差壓變送器精度較高的情況下，可以將切除點設置很小甚至是不切除。對于濕氣體、蒸汽、液體的流量測量，引壓管線較長，有的還帶有伴熱和保溫，差壓信號傳遞失真嚴重，小流量切除點如果設置太低則起不到作用。

4 選 型

變送器根據結構不同分為一般型、防爆型和防腐型，應根據環(huán)境和介質特點進行選擇。在易燃易爆危險場所應選擇防爆型或本安型，被測介質為腐蝕性液體時選擇防腐型，如果是強腐蝕性介質則應加裝防腐隔離容器。當安裝地點含有對電氣元件有腐蝕作用氣體，如氯、氨、酸、堿等時，也應選擇防腐蝕型。被測介質為高黏度、易結晶、含微小機械顆粒或纖維介質時，應選擇隔離容器與一般變送器配合使用。用于檢測負壓時可選擇絕壓變送器。

被測介質的工作壓力不應大于變送器的允許靜壓。量程應按工藝參數的最大變化范圍 來選擇，如果最大變化范圍未知，可按工藝參數額定值的1.2～1.3倍來考慮。

對于已確定規(guī)格的變送器來說，它的最小量程和最大量程是固定了的。這時實際使用的量程可以在最大和最小量程之間連續(xù)可調，但不允許小于最小量程或大于最大量程。

5 結 語

以上是本人在多年現場調試、維修過程中的對變送器這一設備的經驗總結。當變送器測量出現異常時，通過對以上性能指標進行檢查和調整，可以很快確定故障點。

參考文獻：

[1] 朱小良，方可人.熱工測量及儀表（第三版）[M].北京：中國電力出版

社，2011.