核电站罗斯蒙特变送器的主要性能分析

董永志

摘 要：文章介绍了在核电站使用的罗斯蒙特压力变送器、差压变送器的主要性能及故障处理经验。此类变送器测得的流量、液位和压力参数参与自动控制系统的逻辑计算，使其控制生产现场各系统安全稳定地运行。文章结合变送器工作原理、关键性能进行分析，有零点迁移、开方功能、阻尼时间、静压修正、单向过压特性、正反向性能等。

关键词：量程比；零点迁移；静压修正；单向过压特性；正反向性能；小流量切除

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0165-04

1 应用概况

随着工业生产现场自动化水平不断提高，组成自动控制系统的重要一环测量信号（流量、液位和压力信号）的及时性和准确性直接影响到生产系统能否安全稳定运行。罗斯蒙特系列变送器应用于生产现场诸多重要系统中。作为仪控专业设备维修人员，熟练掌握此类变送器工作原理、故障分析和维修方法已经成为最基本的技能要求。

2 工作原理及结构

变送器感压部件压力容室结构图，如图1所示。固定电容极板和位于中心感压极板组成两个电容室，被测压力通过导压灌充液传导至感压极板，感压极板产生与压力基本成正比的位移。该位移使两电容室的差分电容值改变，差分电容由电子电路、放大及信号处理板，转换成4～20 mADC电流信号。其中将 4 mA用于零电平，是为了便于判断开路、短路或传感器损坏。

3051系列变送器主要部件，如图2所示。

现场使用的罗斯蒙特3051系列变送器采用二线制信号传输方式的接线原理，如图3所示。与四线制相比其优点是不易受沿线电阻压降和温漂的影响，节省电缆和安装费用；另外二线制环路，接受器电阻通常为250 Ω，不足以产生显著误差，可以允许电缆长度比电压遥测系统更长更远。

智能变送器还可连接手持终端，用于对变送器参数进行设置，如变送器量程、零点、输入信号选择、输出信号选择、工程单位选择、阻尼时间及自诊断等。

3 关键性能详解

在传统观念中变送器的好坏主要看它的测量精度、量程比和温度/静压修正系数，但这并不能完全体现变送器的全部性能。因为这些数据是分散的，每一个数据都不能单独反映变送器的综合性能。现场使用的变送器，应该更看重它长期的稳定性和可靠性。现针对各项性能进行详细分析。

3.1 零点迁移

在生产现场最常见一类缺陷是测量液体压力的变送器设置的零点与被测系统实际零点不一致。这主要是现场实际应用中，出于对设备便于维护、设备工作条件的考虑，变送器不一定能与取压口在同一水平面上。取压管内液柱静压力使得系统实际压力为零时，变送器测得的压力不为零。另外取压管内液体因温度变化导致密度、静压力发生变化，偏离理想工况下液柱静压力值，导致变送器处零点发生变化。这时就要考虑对变送器零点进行迁移。

零点迁移是在变送器量程不变的情况下把测量的起始点由零迁移到某一数值。当测量的起始点由零变为某一正值时，称为正迁移。当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移。如果仅仅对变送器进行零点迁移，则其灵敏度不会发生变化。

零点正负迁移特性曲线对比，如图4所示，曲线2为没有进行零点迁移的输入/输出特性曲线，1是零点负迁移后的曲线，而3是零点正迁移后的曲线。从图中也可以看出，做零点迁移不会影响变送器的量程。3051变送器正迁移量最大可达最小调校量程的500%，负迁移可达600%。

另外需要注意的是，用差压变送器测量液位时，只在最初安装时根据现场实际零液位的差压值进行一次迁移，之后若因为维护的需要改变了变送器安装位置，则不需要再进行零点迁移。因为改变差压变送器安装位置，正负压侧有同样的液柱压力变化，二者差压不变，变送器零点不变。

3.2 量程调整

另外一种比较常见的异常现象是，变送器工作量程与工艺所要求的测量范围不一致，测量信号不能正确反映系统工况的变化。这主要是因为没有根据现场实际情况正确设定变送器量程。变送器的测量范围，是按规定精度进行测量的被测变量范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限。量程即变送器测量上下限的代数差。

要注意变送器量程和调校量程的区别。调校量程是根据工艺情况设定，对应于4～20 mA的量程，也是变送器的工作量程，是工艺所要求的测量范围，它小于变送器的量程。而变送器量程是变送器铭牌标注的量程，即变送器可以测量的最大范围，是变送器线性区最好的一段，由其自身的部件、结构决定。

另外一个重要参数是量程比，即变送器在满足精度要求的情况下所能测得的最大值和最小值之比。量程比大，可调整的余地就大，可在工艺条件改变时便于更改变送器的测量范围而不更换变送器。但并不是量程比越大变送器性能就越好，当量程比达到一定值后，变送器其他技术指标如精度、静压、单向性都会变坏，一般情况下量程比越大其测量精度就越低。

我们通过量程调整可以使变送器输出信号上限值与测量范围的上限值相对应。量程调整相当于改变变送器的输入输出特性曲线的斜率，即改变变送器输出信号与输入信号之间的比例系数。对变送器进行量程调整，其灵敏度会发生变化。在多个仪表组成的测量和控制系统中，灵敏度具有可传递性，如首尾串联的仪表系统，其总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。

量程调整前后曲线，如图5所示，曲线1和2分别表示变送器量程调整前后的输入输出特性，此图中曲线2调整后的量程小于曲线1的量程。

3.3 静压修正

静压对变送器测量的影响是大多数调试、维修人员最容易忽略的问题。当管道流体压力大且波动频繁的时候，变送器输入输出特性会发生变化，测量值与实际值不符。

以差压变送器为例，静压就是变送器正负压侧同时承受的系统压力。如测量管道流量的变送器，管道流体压力为15 MPa，经过文丘利管或喷嘴降压后压力为14.9 MPa，则变送器的静压是15 MPa，差压约为0.1 MPa。

静压对输出电流的影响曲线，如图6所示。当变送器运行于高静压环境时，由于压力容室的性能会发生变化，变送器输出电流会与差压之间的特性发生变化，如图中虚线所示。

图中实线I为常压下变送器输入输出特性曲线，虚线I是受静压影响后的特性曲线。可以看出，由于受到高静压影响，在同样的压力值上对应的电流值发生变化，这影响了变送器的性能，如果这个值超出正常范围，则变送器不能正常使用。变送器量程范围越大，输出受静压影响越小。校验变送器时若现场不具备模拟实际工况的条件，只能在常压下进行校验，则有必要对高静压工况下的变送器输出值进行静压修正。

在常压下进行静压修正校验时，必须对变送器的量程进行静压修正计算，得出修正后的输出电流上下限值，根据这个修正后的量程在常压下进行校验。

计算过程中需要注意不同型号的变送器静压修正系数是不同的。另外，静压对零点也有影响，是一个非固定性的随机误差，需要对每一个变送器单独考虑。

下面是某电厂差压变送器在常压下的静压修正校验方法。

3.3.1 静压对量程上下限的影响：

静压修正系数F：差压变送器由于正负侧同时承受高静压力而产生的偏移量；

具体的静压修正计算如下：

①确定变送器的输入物理量程R以及静压Pm，Pm为设计文件中的设计值；

②计算修正因子C：C=静压修正系数×静压=F×Pm；

③计算物理量程零点修正量Z=修正因子×物理量；

④计算零点相对量程的修正量ZR：ZR=Z/量程R；

⑤计算电气零点修正量DZ：DZ=ZR×16；

⑥计算修正后的电气零点ZM：ZM=4+ DZ；

⑦计算物理满量程点修正量R：R=修正因子×物理量；

⑧计算满量程点相对量程的修正量RR=R/量程R；

⑨计算电气满量程点修正量DR：DR=RR×16；

⑩计算修正后的电气满量程点RM：RM=20+DR。

其中③-⑥为量程最低点的修正步骤，⑦-⑩为电气最高点的修正步骤。

计算出经过静压修正后的电气量程后，就可以按照该电气量程在常压下对变送器进行校验了。

3.3.2 静压对零点影响的修正：

静压对零点的影响是一个非系统性的非固定性的随机误差，因此需对每一个变送器单独考虑；

当测量范围包括0差压时，可以如下处理：先按照a）的理论计算值校验好变送器，然后在工艺系统的设计静压下检查测量零点输出，此时的理论输出电流为4 mA，如果不为4的话，调整“zero”到4mA，不要调整“span”。

当量程中不包括零点时的修正：

①按照常压下的标准方法将变送器校验到4～20 mA；

②在正负压侧加上设计静压，测量零点的输出，并计算修正电流，例如-0.006 mA；

③按照有静压a）的理论计算值校验，假如3.797～19.945 mA；

④将修正电流-0.006增加到理论零点电流上，例如3.797+（-0.006）；

⑤在常压下调整零点电位器，使零点输出为3.791 mA，不要调整量程电位器，则此时的电流范围就是全量程范围的电流值。

3.4 开方功能

工艺系统液体流量的测量很多使用罗斯蒙特差压变送器来实现，但在初次安装调试或更换新变送器后测量值会出现错误，而这往往是因为变送器内没有选择开方功能。

流体流量计算公式如下：

Q=K×sqr（△P/ρ）

其中，Q为流量值；

K为转换系数是常量，是被测介质和节流装置本身的参数综合；

△P为变送器所测得的节流件前后压差；

ρ为被测流体在节流件附近的密度。

公式中只有△P为变量，在其他参数不变的情况下可以得到流量与差压的函数关系。由于变送器实际所测得的参数是差压信号，根据公式可知，要得到流量值必须对差压信号进行开方。这个开方功能可以通过变送器内部参数设置实现，也可以在各种控制系统平台通过逻辑组态来实现。

3.5 阻尼时间

变送器测量的工艺系统参数往往波动很频繁，而实际上这些小的波动又不需要调节系统动作。因为变送器阻尼时间设置过小，被测信号频繁波动导致一些调节系统、执行机构动作很频繁，这既不利于调节系统的稳定，也降低了执行机构的使用寿命。

差压变送器常用来与节流装置配套使用测量流体流量，也可以利用静压原理测量容器液位（开口容器的液位可用压力变送器来测量），这两种参数很容易波动。如果波动频繁或者是因为信号回路受到干扰的影响，则会降低调节系统的稳定性。为了提高系统的稳定性，需要在测量回路中加入合适的阻尼环节，滤去不必要的干扰但又能及时反映系统实际工况的变化。

罗斯蒙特系列变送器内有阻尼装置，阻尼时间可以根据需要进行设置。理论上，阻尼时间越大，系统对干扰的抑制程度越大，但系统的响应时间也增加了。所以在工程应用中需要平衡两者之间关系。在不影响闭环反馈时间的前提下，适当提高阻尼时间利于设备的长期稳定工作。

变送器阻尼时间可以通过HART手操器来设置。厂家在产品出厂时一般设定为1 s，对于常规检测是较为合适的。对于较大波动的测量场合，可以将阻尼时间加大一点，但不要为了追求测量值稳定而任意加大阻尼时间，这样可能会妨碍及时测量一些突发的异常值，一般阻尼时间都设定在2 s以内。

3.6 单向过压特性

差压变送器现场调试和检修过程中常常存在一种现象即单向过压。虽然现阶段使用的变送器性能已经较以往有很大提高，短时间单向过压也不会对变送器性能产生大的影响，但如果长期承受过大的单向压力，则会影响变送器的测量精度和使用寿命。

单向过压特性指差压变送器单向超载，如差压变送器一侧受压，另一侧不受压。在变送器和节流装置配合使用过程中，由于操作不慎会发生一侧取压管隔离阀打开，而另一侧取压管隔离阀关闭，此时变送器所承受的静压即是单向过压值。对差压变送器来说，单向超载的压力往往比信号压力大几十倍甚至上百倍，在这种情况下变送器应不受影响，其零点漂移也必须在允许范围内，这就是差压变送器独特的单向过压特性。

目前虽然很多变送器单向过压指标普遍定的很高，甚至某些变送器单向过压对各种性能基本上没有影响，单向过压时间也不做规定，但在实际使用过程中还是要尽量避免使差压变送器单向超压，特别是高静压环境下的小量程差压变送器。

3.7 温度的影响

变送器在首次投运时测量不准甚至损坏，往往是由于取压管内介质还没有得到完全冷凝就直接接触到变送器导致。压力变送器测量的很多都是高温高压蒸汽或液体的压力，这个温度值早已经超过了变送器正常工作的最高温度。所以在变送器投运过程中，无论有无冷凝装置或是隔离液，一定要检查取压管温度来确定管内介质温度不超过变送器正常工作的最高接液温度。

这里所涉及的温度有接液温度和环境温度。接液温度是指变送器检测部件接触被测介质的温度，环境温度则是指变送器的放大器、电路板能承受的温度，两者是不一样的。如罗斯蒙特3051变送器的接液温度为-45～+120 ℃，环境温度为-40～+80 ℃。变送器输出会随环境温度的变化而变化，量程越大则输出受环境温度变化的影响越小。

智能变送器有一个内置的温度传感器用来补偿环境温度变化的影响。出厂前，每个变送器都接受过温度循环测试，并将其在不同温度下的特性曲线储存在变送器的存储器中。在工作现场，这一特点使变送器能将温度变化的影响减到最小。安装变送器时也要尽量避免选择环境温度变化剧烈的地方或是高温管道和容器旁。

在蒸汽及其他高温介质测量中，对于硅油灌充变送器，法兰处的温度不能超过120 ℃。对于惰性液灌充变送器，不能超过85 ℃。在真空测量中，这些温度极限下降，对于硅油灌充变送器为104 ℃，惰性液灌充变送器为71 ℃。3051L、3051H和传统法兰可经受更高温度。

当被测介质温度超过120 ℃时，必须采用冷凝引压管，长度在1.5 m左右为宜，并进行弯曲处理，并且在变送器接入被测介质时不能马上将被测介质引入变送器。应在变送器和冷凝管之间加装截止阀，等冷凝管内温度低于120℃后方可打开阀门。否则由于被测介质温度过高，可能会使变送器内的敏感部件在高温下损坏。

3.8 正反向性能

变送器现场使用过程中还会出现一种情况，被测系统实际参数升高时，变送器输出的信号值却是降低的，信号变化方向与实际工况正好相反。对于差压变送器，所谓正向是指变送器接收到的差压信号增加，输出信号也增加；反向则是差压信号增加，输出信号却减少。

在用差压变送器测量容器液位时，高压侧接容器下部取压管，低压侧接容器上部取压管，这样变送器输出便能在液位上升时输出增加，液位下降时输出减少。同样，在差压变送器和节流装置配合测量流体流量时，变送器高压侧接节流装置上游取压管，变送器低压侧接节流装置下游取压管。

由于工作不慎，高低侧取压管敷设反了，或是为了维护操作方便必须将正取压管接变送器低压侧，负取压管接变送器高压侧。这时可用HART手操器在智能变送器上组态来实现它的正常功能。在变送器内部有一正反向转换模块，只要将它设定为反向，便可解决取压管接反的问题，而不需要改装引压管线。

3.9 小流量切除

在使用差压变送器测量介质流量时，当系统已经隔离，被测管道内已经没有介质流动，但变送器输出不为零，即使变送器零点设置正确且没有漂移仍然存在这种情况。这影响了运行人员对系统实际工况的判断。

这是因为差压变送器测量流量时回路中引入了开方环节，系统微小的差压或信号回路中极小的干扰都会导致这种情况的发生。而在现场这种微小的差压变化和信号干扰是不可能完全消除的。所以在实际使用过程中，我们引入了小流量切除功能，在实际系统流量为零时保证测量回路输出的流量信号也为零。有的变送器本身带有小流量切除功能，可以使用HART手操器进行内部设置。如果变送器本身不具备小流量切除功能，我们可以在控制系统组态中加入小流量切除逻辑来实现。，控制系统中小流量切除逻辑简图，如图7所示。

A1为现场送至控制系统模拟量输入通道的流量信号，A2是经过小流量切除后送至其他控制器显示或参与调节、保护运算的流量信号，F（X）为常用的函数算法块。

其中F（X）设置当输入A1小于等于某一设定值时，输出A2的值为零。

对于小流量切除点得选择，早期1.5级精确度的变送器，切除点选择在差压上限3%范围内，所对应的流量值为12.2%满量程。后来变送器精确度提高到0.5级后，将切除点调整到差压上限的1%，对应的流量值是10%满量程。目前很多仪表制造厂都将差压切除点减小到0.75%，对应的流量值是8.7%满量程。

需要说明的是，并不是使用了小流量切除措施后仪表的零漂就不存在了。因此如果不设置小流量切除就能达到要求，最好不要切除。对于小信号要不要切除，切除值的大小如何取值，总的原则是在能达到目的的情况下，将切除值选择的尽量小。测量干气体的流量，可以忽略传递信号的失真，在差压上限设置比较高，差压变送器精度较高的情况下，可以将切除点设置很小甚至是不切除。对于湿气体、蒸汽、液体的流量测量，引压管线较长，有的还带有伴热和保温，差压信号传递失真严重，小流量切除点如果设置太低则起不到作用。

4 选 型

变送器根据结构不同分为一般型、防爆型和防腐型，应根据环境和介质特点进行选择。在易燃易爆危险场所应选择防爆型或本安型，被测介质为腐蚀性液体时选择防腐型，如果是强腐蚀性介质则应加装防腐隔离容器。当安装地点含有对电气元件有腐蚀作用气体，如氯、氨、酸、碱等时，也应选择防腐蚀型。被测介质为高黏度、易结晶、含微小机械颗粒或纤维介质时，应选择隔离容器与一般变送器配合使用。用于检测负压时可选择绝压变送器。

被测介质的工作压力不应大于变送器的允许静压。量程应按工艺参数的最大变化范围 来选择，如果最大变化范围未知，可按工艺参数额定值的1.2～1.3倍来考虑。

对于已确定规格的变送器来说，它的最小量程和最大量程是固定了的。这时实际使用的量程可以在最大和最小量程之间连续可调，但不允许小于最小量程或大于最大量程。

5 结 语

以上是本人在多年现场调试、维修过程中的对变送器这一设备的经验总结。当变送器测量出现异常时，通过对以上性能指标进行检查和调整，可以很快确定故障点。

参考文献：

[1] 朱小良，方可人.热工测量及仪表（第三版）[M].北京：中国电力出版

社，2011.