1151智能壓力變送器的實(shí)際應(yīng)用

摘要:介紹了新一代1151智能壓力變送器的原理、特點(diǎn)、性能，及其在廠”一級(jí)能源計(jì)量中與DCS相結(jié)合的實(shí)際應(yīng)用。
　　化纖滌綸關(guān)口表是對(duì)進(jìn)廠中低壓蒸汽、氮?dú)狻嚎s空氣等能源介質(zhì)的瞬時(shí)量和累積流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的儀表,是該廠能源核算的重要依據(jù)。隨著公司對(duì)降低生產(chǎn)成本考核,要求一級(jí)能源計(jì)量?jī)x表測(cè)量精度高,故障率低,投運(yùn)率高,長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
　　過(guò)去該廠進(jìn)廠關(guān)口表安裝于室外,采用1151差壓變送器進(jìn)行流量測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)指示累積量。因壓力波動(dòng)大,濕度大,環(huán)境溫度變化大等因素,關(guān)口表故障率高,投運(yùn)率較低,不能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。同時(shí)存在以下問(wèn)題:1)故障率高;2)該表校準(zhǔn)周期一年,因零點(diǎn)漂移問(wèn)題,經(jīng)常超標(biāo);3)調(diào)校麻煩。針對(duì)這種現(xiàn)象,提出采用1151智能變送器與DCS結(jié)合的改造方案。
1差壓式流量計(jì)的測(cè)量原理
　　流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的公式,是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)出來(lái)的,即
 
式中
α---流量系數(shù);
?---流束的膨脹校正系數(shù);
a---孔板節(jié)流截面積;
△p---節(jié)流元件前后的壓差,Pa;
?---工作狀態(tài)下流體密度,kg/m³。
　　由式(1)、(2)可知,當(dāng)α,?,a,ρ一定時(shí),流量與差壓的平方根成比例。
2智能變送器的測(cè)量t原理及特點(diǎn)
　　通過(guò)比較，選用羅斯蒙特公司的4臺(tái)1151Alphaline和1臺(tái)3051C智能變送器(3051C智能變送器作為3.5MPa蒸汽的流量測(cè)量)。
2.11151Alphaline和3051C智能變送器工作原理
1)1151Alphaline智能變送器仍然使用與普通型變送器一樣的δ室傳感器,工作時(shí),過(guò)程壓力(流量差壓)通過(guò)變送器膜盒高、低壓側(cè)的隔離膜片和填充液傳遞到δ室傳感器中心的傳感膜片(可動(dòng)電.容極板)上。傳感膜片是一個(gè)張緊的彈性元件,其位移隨所受差壓而變化,其最大位移量為0.1mm且位移量與壓力成正比。兩側(cè)的固定電容極板檢測(cè)傳感膜片的位置。傳感膜片和固定電容極板之間電容的差值由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)或數(shù)字Hart輸出信號(hào)。
測(cè)量轉(zhuǎn)換基于如下關(guān)系式。
 
式中p一被測(cè)壓力(或差壓);
K1一常數(shù);
CH一高壓側(cè)(測(cè)量壓力側(cè))極板和測(cè)量膜片之間的電容;
CL一低壓側(cè)(參考?jí)毫?cè))極板和測(cè)量膜片之間的電容。
　　1151Alphaline智能變送器使用代碼為S的智能電路板。轉(zhuǎn)換電路線(xiàn)路板采用專(zhuān)用集成電路(ASICS)和表面封裝技術(shù),接收傳感器的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行修正和線(xiàn)性化處理,輸出部分將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)。并可與Hart通信器(如275型通信手操器)通信,Hart通信器可直接存取傳感器的數(shù)字信號(hào)和對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)、測(cè)試。組態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性EEPROM存儲(chǔ)器中，即使變送器斷電,數(shù)據(jù)仍能保存。過(guò)程變量則以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)方式保存,可進(jìn)行正確地修正和工程單位換算。
2)3051C智能變送器采用新型的共面(Copla-nar)傳感膜頭,具有很高的靈活性,傳感器遠(yuǎn)離過(guò)程法蘭,移至外殼的頸部,從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械隔離和熱隔離。傳感膜頭還可進(jìn)行溫度測(cè)量,用于補(bǔ)償溫.度影響。出廠測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)和修正系數(shù)都存儲(chǔ)在傳感膜頭的內(nèi)存中,便于使用,在更換線(xiàn)路板時(shí)無(wú)需重新校驗(yàn)或拆下獨(dú)立的儲(chǔ)存修正系數(shù)的PROM。傳感膜頭內(nèi)置線(xiàn)路板用于將電容信號(hào)與溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為可供轉(zhuǎn)換電路板進(jìn)一步處理的數(shù)字格式信號(hào)。
2.2主要技術(shù)數(shù)據(jù)
　　1151Alphaline除選用S代碼的智能電路板和智能功能外,其余與普通1151變送器基本相同,技術(shù)參數(shù)不再多述。3051C是一個(gè)系列,型號(hào)較多，此處僅介紹3051CD變送器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。
1)精度:±0.075%FS..
2)穩(wěn)定性:0.25%URL,5a,(28℃)。
3)量程比:100:1。
4)更新速率:最少每秒20次。
5)多種輸出:標(biāo)準(zhǔn)4~20mADC疊加Hart數(shù)字信號(hào),線(xiàn)性或平方根,工作電源10.5~55VDC,通訊要求至少有250Ω回路電阻;低功耗(3mA)3線(xiàn)1~5VDC或0.8~3.2VDC,電壓信號(hào)疊加Hart數(shù)字信號(hào),工作電源6~12VDC,最小負(fù)載100kΩ.
6)指示:可選兩行5位液晶顯示表頭。
7)環(huán)境溫度:一40~85℃。
8)變送器外部有量程與零點(diǎn)按鈕用于校驗(yàn)。
9)電源:24VDC;不帶負(fù)載時(shí),工作電源可為12~45VDC。
10)單向超負(fù)荷極限:0~13.79MPa。
31151變送器與DCS組成測(cè)量t回路
　　圖1給出1151變送器與DCS組成測(cè)量回路的簡(jiǎn)單示意圖。
 
　　原來(lái)1151由現(xiàn)場(chǎng)配電箱提供24VDC供電，現(xiàn)在由控制室DCS供電。采用供電單元安全柵，進(jìn)行供電隔離，然后這些AI信號(hào)送到DCS的FTA接線(xiàn)端子。真正流量顯示，流量累積還需要DCS通過(guò)組態(tài),進(jìn)行壓力補(bǔ)償,才能完成。流量現(xiàn)場(chǎng)顯示改為中央控制室CRT顯示。
　　差壓式流量計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí),由式(1)和式(2)可以看出,把α,ρ,?均作為不變常數(shù)來(lái)考慮,則qv正比于△p的平方根。但在實(shí)際測(cè)量中,p,T不可能不變，例如該廠用的800kPa蒸汽,當(dāng)壓力波動(dòng)達(dá).10%時(shí),qv的誤差可達(dá)到5%~15%。由此可見(jiàn)，對(duì)壓力作自動(dòng)修正是必不可少的。
引用公式進(jìn)行修正后的流量qv'為
 
式中qv'一修正流量;
qv一計(jì)算流量;
p一計(jì)算壓力;
p'一實(shí)際測(cè)量壓力;
K一-實(shí)際測(cè)量溫度;
K'一實(shí)際測(cè)量溫度;
?一計(jì)算流束膨脹系數(shù);
?'一實(shí)際流束膨脹系數(shù)。
因?yàn)闇囟取毫ψ兓鹈芏茸兓?引人密度校正公式。
ρ=ρk+△p(p-pk)(5)
△p=(ρmax-ρk)/(pmax一pk)
式中ρ一工作狀態(tài)下的流體密度;
ρk一最低壓力下的流體密度;
△ρ一修正范圍內(nèi)的平均流體密度;
p一工作壓力;
Pk一修正范圍內(nèi)的最低壓力。
　　因?yàn)榄h(huán)境惡劣,管道流體壓力變化大,引起波動(dòng),累積量誤差較大。根據(jù)原理進(jìn)行壓力補(bǔ)償,通過(guò)乘以系數(shù)。夏冬兩季量程改變,壓力量程改變，系數(shù)也不同。.
4安裝調(diào)校
　　智能差壓變送器測(cè)量精度與普通1151差壓變送器一樣,在很大程度上取決于變送器和導(dǎo)壓管的正確安裝。
4.1導(dǎo)壓管安裝
　　造成導(dǎo)壓管不能夠正確地傳遞過(guò)程壓力的常見(jiàn)原因有5個(gè):泄漏、磨擦損失、液體管道中有氣體、氣體管道中有積液、導(dǎo)壓管內(nèi)因溫度或其他因素造成的密度變化。在測(cè)量蒸汽時(shí)，導(dǎo)壓管道要充一定的隔離液(蒸汽冷凝液水),以阻止變送器和熱的蒸汽接觸。.
1)導(dǎo)壓管應(yīng)按最短距離垂直或傾斜(傾斜度不得小于1:12)安裝,管彎曲處應(yīng)是均勻的圓角,總長(zhǎng)度不應(yīng)小于3m和大于50m。
2)導(dǎo)壓管應(yīng)不受外界熱源的影響，應(yīng)防止凍結(jié),進(jìn)行保溫。
3)蒸汽導(dǎo)壓管采用冷凝液作隔離液，要求兩管冷凝液面水平，即導(dǎo)壓管水平一致。否則受隔離液靜壓影響產(chǎn)生偏差,量程越小影響越大。
4)導(dǎo)壓管應(yīng)保證密封,不能出現(xiàn)滲透現(xiàn)象。導(dǎo)壓管上應(yīng)裝有必要的切斷、沖洗、排污等所需的閥門(mén)。
4.2差壓式變送器的安裝
　　差壓式變送器的安裝主要考慮安裝地點(diǎn)環(huán)境條件，如溫度、濕度、腐蝕性、振動(dòng)等。盡量減小振動(dòng)和溫度影響。如果安裝現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件與規(guī)定的條件有明顯差別時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施,盡可能減少附加測(cè)量誤差。在現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表保溫(護(hù))箱，在測(cè)量蒸汽流量的變送器儀表箱中,增加伴熱管，減小溫度對(duì)測(cè)量值的影響，保證冬天冷凝水不結(jié)冰,以免凍壞變送器。
　　安裝位置影響:測(cè)量膜片未垂直安裝時(shí),可能產(chǎn)生小于0.24kPa的零點(diǎn)誤差,達(dá)到3.1484mA,手操器無(wú)法通訊，因此正確安裝變送器十分重要。要求變送器校驗(yàn)與使用的位置是一致的。
4.3組態(tài)
　　1151Alphaline智能變送器和3051C智能變送器都是通過(guò)Hart手操器或Rosemount的268型手操器進(jìn)行通信組態(tài)、測(cè)試。組態(tài)由兩部分組成，一是設(shè)定變送器的工作參數(shù),包括零點(diǎn)與量程設(shè)定點(diǎn)、線(xiàn)性或平方根輸出、阻尼、工程單位選擇;二是信息性數(shù)據(jù),包括儀表的位號(hào)(8個(gè)字母數(shù)字字符)、說(shuō)明(16個(gè)字母數(shù)字字符)、信息(32個(gè)字母數(shù)字字符)、日期、一體化表頭安裝、法蘭類(lèi)型、排液/排氣閥材料、0型環(huán)材料、遠(yuǎn)傳信息等。
4.4調(diào)試
　　安裝完畢后,進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試,主要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)試和量程調(diào)試。調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)施工可在不停車(chē)的情況下進(jìn)行。接線(xiàn)如圖2所示。
 
穩(wěn)壓電源:直流24V(1±10%)FS,連續(xù)可調(diào);
標(biāo)準(zhǔn)電阻:250Ω(1±0.005%)FS;
數(shù)字電壓表:0~5V(1±0.05%)FS;
　　標(biāo)準(zhǔn)壓力表:視被校表量程定，標(biāo)準(zhǔn)表的允許誤差應(yīng)小于被校表允許誤差的33%;
　　壓力信號(hào)源或壓力發(fā)生器:應(yīng)3~10倍于所需.校驗(yàn)精度。
1)零點(diǎn)量程調(diào)整:按圖2連接,接通電源通電15min后調(diào)校。
　　找到變送器面盤(pán)上Zero和Span按鈕,同時(shí)按下兩按鈕至少10s,向變送器高壓側(cè)加輸人壓力(壓差)信號(hào)0,輸出應(yīng)為4mA,即電壓表指示(1土0.010)V。按下“Zero”5s,核對(duì)輸出確為4mA.
　　向變送器高壓側(cè)加滿(mǎn)量程輸人壓力(壓差)信號(hào)100%,輸出應(yīng)為20mA,即電壓表指示(5±0.010)V。按下“Span”5s以設(shè)定20mA點(diǎn),核對(duì)輸出確為20mA。
加0,25%,50%,75%,100%的上下行程的輸人壓力信號(hào),記錄數(shù)據(jù),計(jì)算被校表精度。
2)線(xiàn)性調(diào)整:通常變送器在出廠時(shí)已將線(xiàn)性調(diào)整好,一般不做調(diào)整,如要求線(xiàn)性度較高而且具備精密標(biāo)準(zhǔn)儀器時(shí)也可進(jìn)行。
5性能分析
5.1經(jīng)濟(jì)效益分析
　　從1999年8月大修期間完成改造至今,智能變送器維護(hù)工作量很少,主要進(jìn)行定期校驗(yàn)，一.直正常運(yùn)行。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表明，故障率很低,減少了維護(hù)費(fèi)用,降低了運(yùn)行成本。即使發(fā)生故障,也不需要停車(chē),通過(guò)截止閥即可檢修,更換十分方便。因?yàn)闇y(cè)量精度提高,減少計(jì)量糾紛，為節(jié)能提供準(zhǔn)確依據(jù)。
5.2技術(shù)先進(jìn)性分析
　　1151智能變送器無(wú)任何可動(dòng)部件,維護(hù)工作量很少,精度高,運(yùn)行可靠。通過(guò)手操器對(duì)零點(diǎn)和量程的改變、設(shè)定、校正和調(diào)試都非常方便,該流量計(jì)具有很強(qiáng)的操作性和兼容性,調(diào)試方便。如夏冬兩季用氣量相差很大,通過(guò)手操器對(duì)量程改變、變送器測(cè)試和回路測(cè)試十分方便,解決了變送器和回路故障。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明,情況良好,是一種成熟和比較先進(jìn)的流量測(cè)量?jī)x表。
5.3存在問(wèn)題分析
　　1151智能變送器存在的問(wèn)題是:1)該表本身零點(diǎn)經(jīng)常漂移,但通過(guò)手操器十分容易校準(zhǔn)。2)測(cè)量蒸汽的表如果冬季伴熱不好,易結(jié)冰,凍壞膜頭。應(yīng)保證伴熱良好。3)在室內(nèi)校驗(yàn)時(shí)一定與現(xiàn)場(chǎng)安裝位置保持--致,否則產(chǎn)生較大的零點(diǎn)誤差。
6結(jié)束語(yǔ)
　　經(jīng)該廠實(shí)際使用表明,1151智能變送器在今后化工生產(chǎn)中有著廣泛的用途,已成為主要的流量測(cè)量?jī)x表。對(duì)減少維護(hù)工作量,降低備件成本,提高經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義。