差压变送器

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影响差压变送器性能的实验研究(全面分析)

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 摘要:通过实验研究分析了影响某型差压变送器性能的因素。从安装倾斜角度、环境温度、静态压力、流体温度等角度设计模拟实验,掌握了各因素对该型号差压变送器实际工作性能影响的大小和规律。实验结果表明本型号变送器实际工作性能不满足该测点的测量精度要求,通过选用实际工作性能更优的变送器将问题彻底解决,最后给出了变送器合理选型的建议。

 
一、引言
某核电站 ARE 使用量程为 0~1300mbar 的差压变送器配合孔板来测量管道内的主给水流量,要求差压测量误差不大于 0.1%。四台机组在 2008 年以前在该测点配置某型差压变送器,在使用过程中发现该型号差压变送器的稳定性较差,校验后投入工作不久准确度就下降至合格范围的边缘,不得不把校验频率提高到 3 个月一次,比厂家推荐 12 个月一次的校验频率高 4 倍。为了彻底查清变送器频繁超差的原因,解决这一困扰电站多年的疑难问题,选取六台同型号的差压变送器,追溯历史校验数据,设计模拟试验,测试了投运操作方式、安装倾斜角度、环境温度、管道过程静态压力等多方面因素对变送器的影响。
 
二、历年来校验的情况
选取 6 台现场使用的该型号差压变送器,查阅历史校验记录,将每台变送器零位输出值的变化情况整理如图 1、图 2。由图 1、图 2 可以看出:
(1)变送器的变化情况确实复杂,难于找到影响因素和规律。
(2)大部分的变送器是在小范围内超差,个别变送器是大范围超差,数值起伏十分明显。
(3)最大误差的变化曲线形状与零位变化曲线形状大体吻合,零位以上各点的变化情况与零点变化情况相似,说明变送器的线性良好。
(4)变送器在实验室校验完毕后合格,由工作人员手持至现场,安装投运过程均符合工作程序要求,因此可以排除这一过程对变送器的影响。
 
三、安装倾斜角度对变送器的影响
安装倾斜角度是指变送器在安装到现场之后,变送器中轴线与铅垂线之间的夹角。根据生产厂家提供的产品选型说明,由安装位置影响零点最多漂移±0.31kPa,换算至该量程,零点电流输出最多漂移±0.0382mA。由图 3 可以看出:
(1)安装倾斜角度对变送器零位影响较大, 倾斜超过 10°零位变化就已达到显著水平(0.0074mA);
(2)如果安装倾斜角度达到 90°,零位降低了 0.0352mA,已达到不可接受的水平,但仍在厂家标称范围内,而且可以在现场安装完毕后使用 HART375 手操器修正掉;
(3)变送器实际安装于现场时是垂直向上的,不存在可以觉察的倾斜,因此可以排除这一因素对变送器的影响。
 
四、环境温度对变送器的影响
根据该产品的选型说明,变送器在-40℃~85℃范围内可以工作。在量程比小于 1:5 的情况下,每变化 28℃,变 送 器 产 生 的 变 化 不 超 过 ±
(0.0125%URL+0.0625%F.S.),换算到 该 型 号 就 是 ±0.11225kPa ( 或±0.0138mA)。实际试验发现,将变送器放置在 50℃左右的环境 2 小时后,零位会比 22℃左右的环境下高0.0030mA 左右,变化不明显,没超出厂家标称的范围。夏季现场温度不超过 50℃,因此这一因素对变送器的影响是可以接受的。
 
五、静态压力对变送器的影响
静态压力是指管道内的流体在不流动时就具有的压力,流体流动起来后,就会在孔板的两侧形成差压,这一差压是累加在静态压力上的。根据产品选型说明,由 137bar以下静态压力引入的零点误差为±0.05%URL,换算至该型号变送器,为±0.124kPa(或±0.01526mA),可以标定消除。设计模拟试验验证该型号变送器在这一方面的性能,试验过程如下:
 
1、首先常规检定一次,记录上行程和下行程的零位值;
2、将高、低压侧引压口用耐压软管连通,缓慢加压,模拟 ARE 系统管道内的 70bar 静压,其间记录静压达到 30bar、50bar、70bar 时的零位值;
3、保压 24h,模拟变送器在该系统上长期工作,以得到静压对变送器长期影响后的效果;
4、记录泄压前的零位值,泄压,记录泄压后 120min 内零位值,模拟变送器从现场停运到实验室校验前的一段过程;
5、再次常规检定一次,记录上行程和下行程的零位值;
6、70bar 静压与 0bar 静压循环加载,模拟反复投运停运对变送器的影响;
 
图 4 选取了一条典型的变送器实际曲线(▲)和平均曲线(×)来体现试验结果。具体数据参见表 1。
 
通过以上静态压力,可以得出以下结论:
1、正常检定(高压侧单侧受压 1300mbar)可使零位提高,平均提高 0.004769mA;
2、静压从 0bar 加至 70bar 的过程使零位连续降低,平均降幅达 0.01018mA,较为显著,但仍在厂家的标称范围
0.01526mA 内;
3、静压从 70bar 突降至 0bar 的过程零位回升,平均升幅0.0024mA , 明 显 小 于 降 幅 , 即 受 压 后 的 零 点 降 低 了0.0076mA;
4、静压突降后,30min 内零位可稳定下来,直至 4h 后,均无明显变化;
5、静压循环冲击试验中,零位值随压力冲击而震荡;3个循环后,有 3 台还能保持震荡,5 台的零位已不能再随压力保持震荡,而改为持续下跌了。
6、大多数变送器的零位在静压增加后会下降,个别变送器会上升,这就拉平了静压循环冲击试验中零位值的震荡幅度,而不如典型值那么明显了。
 
六、管道内液体温度对变送器的影响
通过静压试验发现有个别变送器的性能比较差,加70bar 静压后零位值下降幅度很大,超出厂家标称的范围。为了解释这个现象,挑选了一台表现最差的变送器,拆下它的共面法兰后发现其低压侧膜片有受过高温而发蓝发黑的痕迹(见图 5),可能是感压膜盒内填充的硅油部分气化,导致静压影响指标超差。根据产品选型说明,本型号、充硅油、配共面法兰的变送器的过程温度极限是-40℃~121℃
 
该系统正常运行时,管道内的压力为 70bar,水温约为220℃,仍为液态不饱和水。差压变送器通过 1m 多长的引压管连接在系统上。虽然平时引压管中是常温水,但在变送器校验完毕、安装就位后投运前,引压管排污时会使高压高温水接触到膜盒,造成高温冲击,使膜盒内的硅油部分汽化,降低了变送器的性能。
 
但观察其他超差的变送器,未发现同样现象,那么,这台变送器可视为受到非正常热冲击的个案,不是该型号变送器频繁超差的根本原因。
 
七、提高差压变送器测量精度的措施
1、针对安装倾斜角度对变送器的影响:
如果在安装完毕后发现零位值变坏,可以在引压投运前,用 HART375 手操器对变送器进行 ZERO TRIM,改善其零位值。
 
2、针对静态压力对变送器的影响:
如果使用的变送器需要进行静压修正,则必须在使用前按照技术规范进行静压补偿,将变送器的性能最优化;
如果使用的变送器不需要进行静压修正,在引压后、平衡阀关闭前,发现零位值变坏,可以使用 HART375 手操器对变送器进行 ZERO TRIM,改善其零位值。
 
3、针对管道内高温流体对变送器的影响:
在蒸汽或者其他高温测量应用中,对于充硅油的变送器共面法兰处的温度不得超过 121℃,对于惰性液材料的变送器共面法兰处的温度不得超过 85℃。如果流体的实际温度高于这个值,就要时刻确保引压管内充满冷却水,防止高温流体与变送器膜片直接接触,如果不能做到,就要考虑引压管的改造了。
 
八、差压变送器频繁超差的原因
理论参考精度是指变送器在特定的参考条件下(环境温度 20℃、静压 0bar、不考虑长期稳定性)的相对示值误差,实际工作性能是指变送器在实际工作条件下(环境温度约40℃、静压约 70bar、稳定性要求 1 年)的相对示值误差,差压变送器在 ARE 系统上的实际工作条件远比参考条件恶劣。原产品生产厂家指出,该型差压变送器的理论参考精度是0.075%,实际工作性能是 0.15%。
 
因此,受本文所述各种因素的综合影响,该型差压变送器的实际工作性能是达不到 0.1 级的,若将理论参考精度与实际工作性能这两个概念混淆,则会误将实际工作性超出理论参考精度理解为变送器超差。也就是说,本型号变送器不满足本测点的测量精度要求,若要达到 0.1%的测量精度要求,需要选用实际工作性能更优的变送器。
 
九、解决方案
2007 年,该变送器生产厂家又推出改进型产品,它在膜盒的设计和材料上有了新的突破,采用新的专利技术使差压变送器的性能有了大幅提升,价格也随之大幅提升。实验证明:普通型和超级型的理论参考精度均可达到优于 0.1 级的水平(超级型比普通型又有提升);超级型的回程误差有了明显改善(减小到普通型的 20%左右);超级型在静压影响方面有了突飞猛进的改善(减小到普通型的 5%左右),几乎不受静压影响;超级型在安装角度影响方面有了一些改善(减小到普通型的 50%左右),但仍然是最明显的影响因素。
 
2008 年 4 月以后,作为机组热功率测量的流量基准,四台机组该流量测点的差压变送器经过重新选型,开头所述问题得到彻底解决。
 
十、结论
随着仪器仪表技术的飞速发展,仪器仪表的更新换代和性能提高将越来越快,价格也翻倍提高。在工程建设、设备改造等进行仪器仪表选型时,须把握的原则是“不求最精、最好、最贵,只求最合适”。首先明确测量要求(测量范围、精度要求、响应速度要求、所处环境等),然后在现有各种型号的仪器仪表中选出能够满足测量要求的型号,最后选择性价比最佳的产品。

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