差壓變送器

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影響差壓變送器性能的實驗研究(全麵分析)

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 摘要:通過實驗研究分析了影響某型差壓變送器性能的因素。從安裝傾斜角度、環境溫度、靜態壓力、流體溫度等角度設計模擬實驗,掌握了各因素對該型號差壓變送器實際工作性能影響的大小和規律。實驗結果表明本型號變送器實際工作性能不滿足該測點的測量精度要求,通過選用實際工作性能更優的變送器將問題徹底解決,最後給出了變送器合理選型的建議。

 
一、引言
某核電站 ARE 使用量程為 0~1300mbar 的差壓變送器配合孔板來測量管道內的主給水流量,要求差壓測量誤差不大於 0.1%。四台機組在 2008 年以前在該測點配置某型差壓變送器,在使用過程中發現該型號差壓變送器的穩定性較差,校驗後投入工作不久準確度就下降至合格範圍的邊緣,不得不把校驗頻率提高到 3 個月一次,比廠家推薦 12 個月一次的校驗頻率高 4 倍。為了徹底查清變送器頻繁超差的原因,解決這一困擾電站多年的疑難問題,選取六台同型號的差壓變送器,追溯曆史校驗數據,設計模擬試驗,測試了投運操作方式、安裝傾斜角度、環境溫度、管道過程靜態壓力等多方麵因素對變送器的影響。
 
二、曆年來校驗的情況
選取 6 台現場使用的該型號差壓變送器,查閱曆史校驗記錄,將每台變送器零位輸出值的變化情況整理如圖 1、圖 2。由圖 1、圖 2 可以看出:
(1)變送器的變化情況確實複雜,難於找到影響因素和規律。
(2)大部分的變送器是在小範圍內超差,個別變送器是大範圍超差,數值起伏十分明顯。
(3)最大誤差的變化曲線形狀與零位變化曲線形狀大體吻合,零位以上各點的變化情況與零點變化情況相似,說明變送器的線性良好。
(4)變送器在實驗室校驗完畢後合格,由工作人員手持至現場,安裝投運過程均符合工作程序要求,因此可以排除這一過程對變送器的影響。
 
三、安裝傾斜角度對變送器的影響
安裝傾斜角度是指變送器在安裝到現場之後,變送器中軸線與鉛垂線之間的夾角。根據生產廠家提供的產品選型說明,由安裝位置影響零點最多漂移±0.31kPa,換算至該量程,零點電流輸出最多漂移±0.0382mA。由圖 3 可以看出:
(1)安裝傾斜角度對變送器零位影響較大, 傾斜超過 10°零位變化就已達到顯著水平(0.0074mA);
(2)如果安裝傾斜角度達到 90°,零位降低了 0.0352mA,已達到不可接受的水平,但仍在廠家標稱範圍內,而且可以在現場安裝完畢後使用 HART375 手操器修正掉;
(3)變送器實際安裝於現場時是垂直向上的,不存在可以覺察的傾斜,因此可以排除這一因素對變送器的影響。
 
四、環境溫度對變送器的影響
根據該產品的選型說明,變送器在-40℃~85℃範圍內可以工作。在量程比小於 1:5 的情況下,每變化 28℃,變 送 器 產 生 的 變 化 不 超 過 ±
(0.0125%URL+0.0625%F.S.),換算到 該 型 號 就 是 ±0.11225kPa ( 或±0.0138mA)。實際試驗發現,將變送器放置在 50℃左右的環境 2 小時後,零位會比 22℃左右的環境下高0.0030mA 左右,變化不明顯,沒超出廠家標稱的範圍。夏季現場溫度不超過 50℃,因此這一因素對變送器的影響是可以接受的。
 
五、靜態壓力對變送器的影響
靜態壓力是指管道內的流體在不流動時就具有的壓力,流體流動起來後,就會在孔板的兩側形成差壓,這一差壓是累加在靜態壓力上的。根據產品選型說明,由 137bar以下靜態壓力引入的零點誤差為±0.05%URL,換算至該型號變送器,為±0.124kPa(或±0.01526mA),可以標定消除。設計模擬試驗驗證該型號變送器在這一方麵的性能,試驗過程如下:
 
1、首先常規檢定一次,記錄上行程和下行程的零位值;
2、將高、低壓側引壓口用耐壓軟管連通,緩慢加壓,模擬 ARE 係統管道內的 70bar 靜壓,其間記錄靜壓達到 30bar、50bar、70bar 時的零位值;
3、保壓 24h,模擬變送器在該係統上長期工作,以得到靜壓對變送器長期影響後的效果;
4、記錄泄壓前的零位值,泄壓,記錄泄壓後 120min 內零位值,模擬變送器從現場停運到實驗室校驗前的一段過程;
5、再次常規檢定一次,記錄上行程和下行程的零位值;
6、70bar 靜壓與 0bar 靜壓循環加載,模擬反複投運停運對變送器的影響;
 
圖 4 選取了一條典型的變送器實際曲線(▲)和平均曲線(×)來體現試驗結果。具體數據參見表 1。
 
通過以上靜態壓力,可以得出以下結論:
1、正常檢定(高壓側單側受壓 1300mbar)可使零位提高,平均提高 0.004769mA;
2、靜壓從 0bar 加至 70bar 的過程使零位連續降低,平均降幅達 0.01018mA,較為顯著,但仍在廠家的標稱範圍
0.01526mA 內;
3、靜壓從 70bar 突降至 0bar 的過程零位回升,平均升幅0.0024mA , 明 顯 小 於 降 幅 , 即 受 壓 後 的 零 點 降 低 了0.0076mA;
4、靜壓突降後,30min 內零位可穩定下來,直至 4h 後,均無明顯變化;
5、靜壓循環衝擊試驗中,零位值隨壓力衝擊而震蕩;3個循環後,有 3 台還能保持震蕩,5 台的零位已不能再隨壓力保持震蕩,而改為持續下跌了。
6、大多數變送器的零位在靜壓增加後會下降,個別變送器會上升,這就拉平了靜壓循環衝擊試驗中零位值的震蕩幅度,而不如典型值那麽明顯了。
 
六、管道內液體溫度對變送器的影響
通過靜壓試驗發現有個別變送器的性能比較差,加70bar 靜壓後零位值下降幅度很大,超出廠家標稱的範圍。為了解釋這個現象,挑選了一台表現最差的變送器,拆下它的共麵法蘭後發現其低壓側膜片有受過高溫而發藍發黑的痕跡(見圖 5),可能是感壓膜盒內填充的矽油部分氣化,導致靜壓影響指標超差。根據產品選型說明,本型號、充矽油、配共麵法蘭的變送器的過程溫度極限是-40℃~121℃
 
該係統正常運行時,管道內的壓力為 70bar,水溫約為220℃,仍為液態不飽和水。差壓變送器通過 1m 多長的引壓管連接在係統上。雖然平時引壓管中是常溫水,但在變送器校驗完畢、安裝就位後投運前,引壓管排汙時會使高壓高溫水接觸到膜盒,造成高溫衝擊,使膜盒內的矽油部分汽化,降低了變送器的性能。
 
但觀察其他超差的變送器,未發現同樣現象,那麽,這台變送器可視為受到非正常熱衝擊的個案,不是該型號變送器頻繁超差的根本原因。
 
七、提高差壓變送器測量精度的措施
1、針對安裝傾斜角度對變送器的影響:
如果在安裝完畢後發現零位值變壞,可以在引壓投運前,用 HART375 手操器對變送器進行 ZERO TRIM,改善其零位值。
 
2、針對靜態壓力對變送器的影響:
如果使用的變送器需要進行靜壓修正,則必須在使用前按照技術規範進行靜壓補償,將變送器的性能最優化;
如果使用的變送器不需要進行靜壓修正,在引壓後、平衡閥關閉前,發現零位值變壞,可以使用 HART375 手操器對變送器進行 ZERO TRIM,改善其零位值。
 
3、針對管道內高溫流體對變送器的影響:
在蒸汽或者其他高溫測量應用中,對於充矽油的變送器共麵法蘭處的溫度不得超過 121℃,對於惰性液材料的變送器共麵法蘭處的溫度不得超過 85℃。如果流體的實際溫度高於這個值,就要時刻確保引壓管內充滿冷卻水,防止高溫流體與變送器膜片直接接觸,如果不能做到,就要考慮引壓管的改造了。
 
八、差壓變送器頻繁超差的原因
理論參考精度是指變送器在特定的參考條件下(環境溫度 20℃、靜壓 0bar、不考慮長期穩定性)的相對示值誤差,實際工作性能是指變送器在實際工作條件下(環境溫度約40℃、靜壓約 70bar、穩定性要求 1 年)的相對示值誤差,差壓變送器在 ARE 係統上的實際工作條件遠比參考條件惡劣。原產品生產廠家指出,該型差壓變送器的理論參考精度是0.075%,實際工作性能是 0.15%。
 
因此,受本文所述各種因素的綜合影響,該型差壓變送器的實際工作性能是達不到 0.1 級的,若將理論參考精度與實際工作性能這兩個概念混淆,則會誤將實際工作性超出理論參考精度理解為變送器超差。也就是說,本型號變送器不滿足本測點的測量精度要求,若要達到 0.1%的測量精度要求,需要選用實際工作性能更優的變送器。
 
九、解決方案
2007 年,該變送器生產廠家又推出改進型產品,它在膜盒的設計和材料上有了新的突破,采用新的專利技術使差壓變送器的性能有了大幅提升,價格也隨之大幅提升。實驗證明:普通型和超級型的理論參考精度均可達到優於 0.1 級的水平(超級型比普通型又有提升);超級型的回程誤差有了明顯改善(減小到普通型的 20%左右);超級型在靜壓影響方麵有了突飛猛進的改善(減小到普通型的 5%左右),幾乎不受靜壓影響;超級型在安裝角度影響方麵有了一些改善(減小到普通型的 50%左右),但仍然是最明顯的影響因素。
 
2008 年 4 月以後,作為機組熱功率測量的流量基準,四台機組該流量測點的差壓變送器經過重新選型,開頭所述問題得到徹底解決。
 
十、結論
隨著儀器儀表技術的飛速發展,儀器儀表的更新換代和性能提高將越來越快,價格也翻倍提高。在工程建設、設備改造等進行儀器儀表選型時,須把握的原則是“不求最精、最好、最貴,隻求最合適”。首先明確測量要求(測量範圍、精度要求、響應速度要求、所處環境等),然後在現有各種型號的儀器儀表中選出能夠滿足測量要求的型號,最後選擇性價比最佳的產品。

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