压差变送器工作原理与故障诊断教学内容

压差变送器工作原理与故障诊断
压差变送器工作原理与故障诊断
1、在工业自动化生产中，差压变送器用于
压力压差流量的测量，得到了非常广泛应
用，在自动控制系统中发挥重要的作用。

随着石化、钢铁自动化水平的不断提高,差压变送器的应用范围越来越广泛，生产中遇到的问题也越来越多，加之安装、使用、维护人员的水平差异，使得出现的问题不能迅速解决，一定程度上影响了生产的正常进行，甚至危及生产安全，因此对现场仪表维护人员的技术水平提出了更高要求。

2、工作原理与故障诊断
2.1 差压变送器工作原理
来自双侧导压管的差压直接作用于变送器传感器双侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，测量元件将测得的差压信号转换为与之对应的电信号传递给转换器，经过放大等处理变为标准电信号输出。

差压变送器的几种应用测量方式：
(1) 与节流元件相结合，利用节流元件的前后产生的差压值测量液体流量
(2) 利用液体自身重力产生的压力差，测量液体的高度
(3) 直接测量不同管道、罐体液体的压力差值
差压变送器的安装包括导压管的敷设、电气信号电缆的敷设、差压变送器的安装。

2.2 差压变送器故障诊断
变送器在测量过程中，常常会出现一些故障，故障的及时判定分析和处理，对正在进行了生产来说是至关重要的。

我们根据日常维护中的经验，总结归纳了一些判定分析方法和分析流程。

(1) 调查法：回顾故障发生前的打火、冒烟、异味、供电变化、雷击、潮湿、误操作、误维修。

(2) 直观法：观察回路的外部损伤、导压管的泄漏，回路的过热，供电开关状态等。

(3) 检测法：
断路检测：将怀疑有故障的部分与其它部分分开来，查看故障是否消失，如果消失，则确定故障所在，否则可进行下一步查找，如：智能差压变送器不能正常Hart远程通讯，可将电源从仪表本体上断开，用现场另加电源的方法为变送器通电进行通讯，以查看是否电缆是否叠加约2kHz的电磁信号而干扰通讯。

短路检测：在保证安全的情况下，将相关部分回路直接短接，如：差变送器输出值偏小，可将导压管断开，从一次取压阀外直接将差压信号直接引到差压变送器双侧，观察变送器输出，以判断导压管路的堵、漏的连通性。

替换检测：将怀疑有故障的部分更换，判断故障部位。

如：怀疑变送器电路板发生故障，可临时更换一块，以确定原因。

分部检测：将测量回路分割成几个部分，如：供电电源、信号输出、信号变送、信号检测，按分部分检查，由简至繁，由表及里，缩小范围，找出故障位置。

3、典型故障案例
3.1 导压管堵塞
以正导压管堵塞为例来分析导压管堵塞出现的故障现象。

在仪表维护中，由于差压变送器导压管排放不及时，或介质脏、粘等原因，容易发生正负导压管堵塞现象，其表现特征为：变送器输出下降、上升或不变。

当流量增加时，对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响：
设原流量为F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’1为变化前的变送器输出值，设增加后的流量为
F2，(即：F2 F1)， P2= P2+- P2- ，F’2=K ，F’2为流量增加后的变送器输出值。

由于正压管堵塞，则当实际流量分别为F1、F2时，P1+= P2+；
当流量增加时，P2-出现如下变化：因为实际流量增加为F2，则与原流量F1时相比，管道内的静压力也相应增加，设增加值为P0，同时P2- 因管道中流体流速的增加而产生的静压减小，减小值为P0，此时P2-与P1- 的关系为：
P2- = P1-+ P0- P0
则： P2= P2+- P2- = P1+-( P1-+ P0- P0)= P1+( P0-P0)
则：F’现=K = K
这样：
当 P0=P0时则：F’2=K =K F’2= F’1 变送器输出不变。

当 P0P0时则：F’2=K =K ,F’2 F’1,变送器输出变大。

当P0 F’1 ,变送器输出变小。

当流量减小时，对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响。

设原流量为F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’1为变化前的变送器输出值。

设减小后的流量为F2，(即：F2 F1)， P2= P2+- P2- ，F’2=K ，F’2为流量减小后的变送器输出值。

由于正压管堵塞，则当实际流量分别为F1、F1时，P1+= P2+；
当实际流量由F1减小到F2时，管道中的静压也相应的降低，设降低值为P0；同时，当实际流量下降至F2时，P2-值也要因为管内流体流速的降低而升高，设升高值为P0’。

此时，P2-与P1-的关系为：-
P2-= P1-- P0+ P0’
P2= P2+- P2-= P1+-( P1-- P0+ P0’)= P1+( P0- P0’)
F’2=K = K
这样：
当 P0=P0时则：F’2=K =K F’2= F’2 变送器输出不变；
当 P0P0时则：F’2=K =K ,F’2 F’1,变送器输出变大；
一般情况下，导压管的堵原因主要是由于测量导压管不定期排污或测量介质粘稠、带颗粒物等原因造成。

3.2 导压管泄漏
以正导压管泄漏来分析导压管泄漏出现的故障现象。

如图1所示，莱钢集团公司某加热炉仪表控制阀用净化风总管线的流量测量方式为：节流孔板+差压变送器。

装置生产正常时的用风流量基本是稳定的，但在后期的生产过程中发现用风流量比正常值下降了很多。

经过检查，二次仪表(DCS)组态及电信号回路工作正常，变送器送检定室标定正常，于是怀疑问题出现出导压上，经过检查，由于正导压管焊接不好造成泄漏所至，经过补焊堵漏后，流量测量恢复正常。

下面我们分析正导压管泄漏时反映出的故障现象。

正导压管泄漏的现象是：变送器输出下降、上升及不变
分析：
当流量上升时，对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响。

设原流量为F1， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’1为变化前的变送器输出值，设增加后的实际流量为F2，(即：F2F1)，F’2=K ，F’2为流量增加后的变送器输出值。

因流量增加，管道静压增加为P0，随着流速的增大，实际压管静压减小为P0，正压管泄漏降压下降为Ps
则：P2+= P1++P0-Ps，P2- = P1- +P0- P0
P2= P2+- P2- = P1+( P0 - Ps)
那么
当：P0=Ps 正压导管泄漏，而流量上升时，变送器输出不变
当：P0Ps 正压导管泄漏，而流量上升时，变送器输出增加
当：P0
当流量下降时，对变送器(变送器本身进行输出信号开方)输出的影响
设下降后的实际流量为F2，即：F2
因流量下降，管道静压下降值P0，同时由于流体流速下降，负压管静压增加P0，正压管泄漏降压下降为Ps
则：P2+= P1+-P0-Ps，P2- = P1- -P0+ P0
P2= P2+- P2- = P1-( Ps + P0’)
F’2=K =K
即：当流量下降时，变送器输出总是小于实际流量。

实际上，当泄漏量非常小的时候，由于种种原因，工艺操作或仪表维修护人员很难发现，只有当泄漏量大，所测流量与实际流量相比有较大误差时才会发现，这时即使是实际流量上升，总是P0’
即： P2 P1，
F’2
上述仪表控制阀用净风管线的流量测量就这属于这种情况。

3.3 平衡阀泄漏
设流量为F， P1= P1+- P1- ，F’1=K ，F’1为平衡阀泄漏前的变送器(带开方)输出值。

我们假设管道内流体流量在没有变化的情况下做分析：
设泄漏的压力为PS，
则：泄漏后的正负导压管的静压为：
P2+= P1+-PS，P2-= P1-+ PS
P2= P2+- P2- = P1-2 PS，则
F’2=K = K
即：F’2
3.4 气体流量导压管积液情况下的变送器测量误差
由于气体流量取压方式不对或导压管安装不符合要求(与水平成不小于1：12的斜度连续下降) 时,常常造成导压管内部积存液体的现象。

这种现象的出现，往往会致使测量不准，如果在变送器量程很小的情况下，甚至会造成变送器输出的一些波动。

莱钢大型1#1880高炉的煤气流量测量系统，系统为节流孔板+差变送器，取压方式为环室取压，煤气流动方向为向下，放空方式为安全考虑，设为集中式排放。

本测量系统刚投用时工作正常，运行一段时间以后，测得的流量逐渐变大，放空后正常，工作一段时间后，测得的流量又逐渐变大。

经过检查，二次仪表(DCS)组态及电信号回路工作正常，变送器送检定室标定正常，用侧漏仪表查双侧导管正常。

经过分析，为煤气脱水干燥不净，煤气中含水，由于液体自上而下流动，部分水聚集于孔板正压测，并逐渐沿正压导压管流动集中至最下端，造成正负导压管中积液高度不一至，差压变送器测量出现正向误差，显示为流量增大。

分析：
设正导压管取压点压力为P+，负导压管取压点压力为P-，差压变送器正端压力为P+，差压变送器负端压力为P-。

P= P+- P-
P’= P+- P-
正常测量下：
P= P
设正常测量状态下的流量为F，则 F=K
这里 K为常系数。

设液体水的密度为ρ，则在正导压管积液高度为h+,负导压管积液高度为h-的情况下：
P+= P++ρgh+
P-= P-+ρgh-
P= P+- P-= P++ρ h+-( P-+ρ h-)= P+ρ (h+-h-)
则变送器输出为：
F=K
当h+h-时变送器实际测得的差压增大，输出流量信号变大，
当h+
即：变送器测量输出的流量信号与实际流量不符，产生测量误差。

这里，由于正压导管取压方式的原因，随着时间的增加，h+逐渐大于h-，测得的流量也增大。

经过典型故障案例，对使用差压变送器的测量回路由于导压管原因造成回路测量故障做了一些分析，这几种故障都是在仪表设备维护中非常常见的，通过分析可以看到，无论是导压管堵塞、还是导压管中积水，同样的故障，其表征出来的现象有时并不同，所以我们在分析问题时应该是辩证的，具体情况具体分析。

压力变送器工作原理
压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。

测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。

当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

压
力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。

A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。

微处理器控制变送器的工作。

另外，它进行传感器线性化。

重置测量范围。

工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。

本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A /D转换。

D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。

数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。

数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。

此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。

通信的类型为移频键控FSK技术并依据
BeII202标准。

差压变送器中的是工业实践中最为常用的一种重量变送器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用差压变送器原理及其应用。

应变片差压变送器原理以及应用
力学变送器的种类繁多，如电阻应变片差压变送器、半导体应变片差压变送器、压阻式差压变送器、电感式差压变送器、电容式差压变送器、谐振式差压变送器及电容式加速度传感器等。

但应用最为广泛的是压阻式差压变送器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构
如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应
变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。

而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。

一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

金属导体的电阻值可用下式表示：
R=ρ*L/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）
S——导体的截面积（cm2）
L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。

当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情陶瓷差压变送器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷差压变送器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成
一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。

通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，变送器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。

高特性，低价格的陶瓷变送器将是差压变送器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅差压变送器。

扩散硅差压变送器原理及应用
工作原理
被测介质的压力直接作用于变送器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。