電容式差壓變送器的靜壓影響及修正

王武士 張建平

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 浙江海鹽）

一、引言

變送器按測量方式主要分為壓力、差壓、絕壓變送器，按測量原理主要分為電容式、電感式和擴(kuò)散硅式變送器，其中電感式變送器由于測量誤差大、抗干擾性差等缺點(diǎn)，現(xiàn)在應(yīng)用較少，擴(kuò)散硅式變送器測量精度高、穩(wěn)定性好，在各行業(yè)已經(jīng)大量使用，但由于硅晶體對射線敏感，在放射性區(qū)域的應(yīng)用受到限制，而電容式變送器其特性能滿足復(fù)雜工況的需求，精度也較高，所以目前應(yīng)用廣泛，尤其在核電廠的特殊工藝系統(tǒng)中，核級變送器大多選擇都是電容式變送器。電容式差壓變送器在生產(chǎn)工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中，幾乎都會受到靜壓的影響，當(dāng)運(yùn)行工況的靜壓超過一定值時，其靜壓影響的誤差將超過變送器本身的精度，對測量通道進(jìn)行通道精度計(jì)算時，如果加入靜壓影響誤差，則可能無法滿足通道精度要求，因此電容式差壓變送器校驗(yàn)時必須對靜壓影響進(jìn)行修正。

二、電容式差壓變送器的基本原理

電容式差壓變送器主要由檢測部分和轉(zhuǎn)換部分組成，其原理方框圖見圖1。

圖1 原理方框圖

檢測部分的主要部件為測量元件。測量元件的結(jié)構(gòu)見圖2，工作原理見圖3。

有預(yù)張力的中心膜片作為可動極板，和兩側(cè)固定的弧形極板形成電容CL和CH。被測壓力P1和P2分別加在兩外側(cè)的隔離膜片上，經(jīng)腔內(nèi)所充液體傳遞到中心膜片的兩側(cè)。當(dāng)P1=P2時，中心膜片在中心位置，CH=CL；當(dāng) P1≠P2時，中心膜片產(chǎn)生位移Δd，使中心膜片與兩側(cè)固定極板的距離不等，CH≠CL；從而實(shí)現(xiàn)差壓-位移-電容量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換部分原理圖如圖4。

圖2 測量元件結(jié)構(gòu)

圖3 工作原理

圖4 轉(zhuǎn)換部分原理圖

三、電容式差壓變送器靜壓對零點(diǎn)的影響

1.靜壓對零點(diǎn)的影響的原因

根據(jù)電容式差壓變送器的原理可以看出，當(dāng)兩邊加上相等的壓力時，即當(dāng)P1=P2時，理論上應(yīng)該輸出為零，但由于實(shí)際的組裝工藝，敏感元件高壓室和低壓室兩邊的元件不對稱、充液體積、絕緣體受力以及焊接引起中心膜片偏心等因素造成零位誤差。

2.靜壓對零點(diǎn)的影響的消除

靜壓對零點(diǎn)的影響，出現(xiàn)正誤差或者負(fù)誤差是隨機(jī)的，但對于每一臺變送器其大小和方向是固定的，具有重復(fù)性。靜壓對零點(diǎn)的影響誤差可通過在變送器雙腔施加靜壓作用下，重新調(diào)整調(diào)零電位器來消除。

四、電容式差壓變送器靜壓對量程的影響

1.靜壓對量程的影響的原因

根據(jù)電容式差壓變送器的原理可以看出，當(dāng)有靜壓作用到敏感元件時，由于中心膜片張緊力增加，造成中心膜片位移減少，產(chǎn)生靜壓量程誤差。量程誤差是系統(tǒng)的，可重復(fù)的和基本線性的。

2.靜壓對量程的影響的消除

靜壓對量程的誤差可以通過經(jīng)驗(yàn)公式法或者靜壓設(shè)備標(biāo)定方法進(jìn)行修正。

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法。經(jīng)驗(yàn)公式法是靠一定量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累推理而出的，對于不同量程和不同膜片材料，靜壓對量程影響的變化量是不同的，計(jì)算公式見式（1）。

量程下限的靜壓量程變化修正量△IZ。

式中Pz——給定量程規(guī)格變送器的差壓量程下限值

Ps——給定量程規(guī)格變送器的差壓量程上限值

P0——給定量程規(guī)格變送器的靜壓

量程上限的靜壓量程變化修正量△IS式（2）。

量程下限的對應(yīng)輸出電流應(yīng)由4 mA修正為Iz。

量程上限的對應(yīng)輸出電流應(yīng)由20 mA修正為IS。

公式（1）和公式（2）中的K是每10 MPa的靜壓對量程變化影響的修正因子。

（2）靜壓設(shè)備標(biāo)定法。靜壓標(biāo)定設(shè)備主要包括加靜壓系統(tǒng)設(shè)備、加差壓系統(tǒng)設(shè)備以及自動控制系統(tǒng)和相關(guān)的閥門組成。其基本原理圖如圖5。

圖5只是一個簡化的工作原理圖，通過計(jì)算機(jī)控制靜壓回路和差壓回路閥門的開啟或閉合，來實(shí)現(xiàn)靜壓和差壓的疊加。其中加差壓設(shè)備最為關(guān)鍵，精度要求較高，尤其是高靜壓微差壓的變送器，這也是目前國內(nèi)的靜壓標(biāo)定設(shè)備的主要技術(shù)難點(diǎn)之一，目前國內(nèi)尚未有全自動的變送器靜壓標(biāo)定設(shè)備。

（3）靜壓修正因子K。目前國內(nèi)變送器的靜壓修正因子一般是靠一定量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累推理而出的，以光華變送器為例，根據(jù)膜片材料、量程范圍，經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)試驗(yàn)，反推靜壓影響的規(guī)律，推算出靜壓量程變化修正因子，以上海光華的316L膜片為例，靜壓修正因子見表1。

國外供貨商EMERSON具備全自動的帶靜壓標(biāo)定設(shè)備，可以根據(jù)用戶需求，批量提供靜壓修正后的變送器，這種操作方法最為精確，但如果量程或者實(shí)際靜壓值有所改變，在現(xiàn)場不具備帶靜壓標(biāo)定的情況下，就必須通過公式法進(jìn)行重新修正，所以，為方便現(xiàn)場使用，修正因子還是需要計(jì)算和提供，以3RCP109MP為例，測量范圍0～2.76 MPa，標(biāo)定靜壓16.55 MPa（2400 psi）。

圖5 靜壓標(biāo)定設(shè)備基本原理圖

表1 CECC型差壓變送器靜壓量程變化修正因子

第一步：首先將變送器進(jìn)行帶靜壓標(biāo)定，數(shù)值如表2。

表2 3RCP109MP帶靜壓標(biāo)定數(shù)據(jù)

第二步：撤去靜壓后，測量變送器的輸出值，數(shù)值見表3。

表3 3RCP109MP撤去靜壓后測量數(shù)據(jù)

第三步：計(jì)算修正因子式（5）。

式中A，B，C，D取表2、表3中的數(shù)值，得出K=0.61%。

（4）經(jīng)驗(yàn)公式法的具體實(shí)施步驟。按變送器的量程分布，共兩種：一種量程無遷移；另一種為有量程遷移。有量程遷移的又包括量程正遷移和量程負(fù)遷移，量程正遷移和量程負(fù)遷移的變送器的修正方法基本一樣，下面就以量程負(fù)遷移為例說明這兩種變送器靜壓變化的修正方法：

第一步：計(jì)算靜壓量程變化的修正值：

根據(jù)公式（1）～（4），分別計(jì)算變送器在輸入量程下限和量程上限時的靜壓量程變化修正值。

第二步：測試變送器在P0靜壓下的零位誤差。先將負(fù)遷移的變送器調(diào)回至0～（Ps-Pz）量程，即取消負(fù)遷移，0輸入時變送器輸出為4 mA；（Ps-Pz）輸入時變送器輸出調(diào)整為20 mA；

對變送器雙腔同時施加靜壓P0，觀察變送器零位輸出，記錄I0；計(jì)算變送器靜壓零位誤差修正值ΔI0；卸去靜壓P0。

第三步：在無靜壓條件下修正變送器靜壓量程變化。將變送器負(fù)遷移至（Pz～Ps）；對變送器輸入量程下限值Pz，通過調(diào)整變送器調(diào)零電位器，將其輸出調(diào)整為IzmA；對變送器輸入量程上限值Ps，通過調(diào)整變送器量程電位器，將其輸出調(diào)整為IsmA；重新微調(diào)和復(fù)校，使變送器輸出為Iz～I(xiàn)s（mA）。

第四步：修正變送器靜壓零位誤差。按上述第三步，在無靜壓條件下，對變送器輸入量程下限值Pz，通過調(diào)整變送器調(diào)零電位器，將其輸出調(diào)整為Iz+I0，注意不可以再調(diào)整變送器量程電位器。至此變送器的靜壓零位誤差和靜壓量程誤差均得到修正。

3.秦二擴(kuò)電容式差壓變送器的管理

（1）秦二擴(kuò)電容式差壓變送器主要由上海光華儀表有限公司和美國羅斯蒙特兩家公司供貨，通過對兩家供貨商的技術(shù)分析來看，目前國內(nèi)電容式差壓變送器可以通過搭建靜壓標(biāo)定平臺，對設(shè)備進(jìn)行靜壓標(biāo)定，但由于自動化程度不高，且試驗(yàn)時受到人為的影響因素較多，校驗(yàn)速度慢，精度方面也不是很高，很難實(shí)現(xiàn)對變送器的批量校驗(yàn)，所以目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要還是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行靜壓誤差的修正。

（2）羅斯蒙特具有全自動的靜壓標(biāo)定設(shè)備，這是目前消除靜壓影響的最佳辦法，但是設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場或者運(yùn)行以后，在現(xiàn)場不具備帶靜壓標(biāo)定的情況下，需要注意以下問題：一是變送器在安裝前如果需要對變送器進(jìn)行校驗(yàn)，只能按照廠家提供的撤掉靜壓后的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，否則出廠時進(jìn)行的靜壓標(biāo)定將被恢復(fù)；二是如果實(shí)際運(yùn)行工況的靜壓或者量程有變，在不具備返廠的情況下，必須使用公式法進(jìn)行修正。三是機(jī)組運(yùn)行后備件的采購管理可以區(qū)分對待，對于精度要求較高的專用備件，可以根據(jù)設(shè)計(jì)靜壓，在設(shè)備出廠時即完成靜壓修正；對于可以用于多個設(shè)備上的備件，為節(jié)省費(fèi)用，無法按照具體某個設(shè)備的靜壓值和量程在出廠時完成靜壓修正的，可以根據(jù)實(shí)際的量程，利用計(jì)算出的靜壓修正因子，用公式法完成標(biāo)定。

（3）現(xiàn)場用戶對變送器靜壓消除的管理要求，由于需要對每臺表進(jìn)行靜壓消除，所以每臺表的測量量程不再是簡單的節(jié)流裝置（或液位差壓）對應(yīng)差壓的計(jì)算量程，每臺表（或每一量程系列）具有自己特殊的個性量程，這給現(xiàn)場維護(hù)管理帶來一定的難度，用戶需要建立每臺表自己的特殊量程檔案用于現(xiàn)場校驗(yàn)，且校驗(yàn)時必需嚴(yán)格按規(guī)程和每臺表的靜壓修正量進(jìn)行校驗(yàn)。

（4）對于電容式差壓變送器而言，靜壓對其的影響是由其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定的，因此是系統(tǒng)的，需要通過外部手段進(jìn)行修正。而擴(kuò)散硅式變送器從設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上很好的解決了靜壓影響的問題，雖然這種結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理的變送器目前尚沒有核級設(shè)備，但是這種設(shè)計(jì)思路為核級差壓變送器的靜壓影響誤差消除提供了一種參考方法。