電動差壓變送器綜合實驗臺的研制與應(yīng)用

關(guān)長輝

摘 要：文章通過對《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》和《中華人民共和國海船船員適任考試評估規(guī)范》中輪機員評估科目 “電氣與自動控制”中的項目7.1“電動差壓變送器的使用操作與調(diào)整” 中的相關(guān)要求進行研究，結(jié)合《中華人民共和國船員培訓管理規(guī)則》中關(guān)于申請輪機員培訓場地設(shè)施的相關(guān)要求設(shè)計出適合輪機工程技術(shù)專業(yè)高中學生使用的“電動差壓變送器實訓臺”。該實驗臺既能滿足“大綱”和“管理規(guī)則”的相關(guān)要求，又能應(yīng)用于“輪機自動化”和“船舶輔機”的部分章節(jié)的實際教學過程，通過實訓增進學生對于專業(yè)知識的理解，提高學生的實踐技能，重點強調(diào)對學生的能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：考試大綱；評估規(guī)范；管理規(guī)則；差壓變送器；能力培養(yǎng)

國際海事組織2010年通過了《STCW公約馬尼拉修正案》，新的STCW公約和STCW規(guī)則將于2012年生效，過渡期為5年。中華人民共和國海事局根據(jù)新版STCW公約要求于2011年12月27日發(fā)布了《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》，“規(guī)則”發(fā)布后國家海事局于2012年相繼印發(fā)了《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》和《中華人民共和國海船船員適任考試評估規(guī)范》。新版“考試大綱”和“評估規(guī)范”對于三管輪的培訓項目中增加了關(guān)于自動化知識的要求，“電動差壓變送器的測量與調(diào)節(jié)”是主推進動力裝置功率750kW及以上二/三管輪的評估必考內(nèi)容。評估要素包括：（1）氣路或電路鏈接；（2）差壓變送器調(diào)零；（3）差壓變送器量程的調(diào)整，基于以上要求電動差壓變送器的測量操作成為輪機工程技術(shù)專業(yè)學生必須掌握的內(nèi)容。

1 研究意義

隨著科技水平的不斷提高，現(xiàn)代化船舶也向著更加智能化的方向發(fā)展，尤其輪機設(shè)備對于自動控制的要求不斷增高，自動化設(shè)備在現(xiàn)代船舶中扮演著越來越重要的角色。這就要求我們現(xiàn)代的輪機員要掌握更多的自動化知識，本試驗臺正是針對現(xiàn)代化船舶中比較典型的自動化控制元件——電動差壓變送器的實際應(yīng)用所設(shè)計的，對于提高輪機工程技術(shù)專業(yè)學生輪機自動化相關(guān)知識的實際動手能力有著重要意義。自動化儀表是電氣工程自動化控制的一個專業(yè)門類有著一定的重要性和特殊性。

2 差壓變送器原理

差壓變送器可以用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成4～20mA DC信號輸出。目前在船舶機艙中主要以電容式電動差壓變送器為主。測量部件的作用是把被測壓差ΔP轉(zhuǎn)換成電容量的變化，其核心是差動電容敏感元件。差動電容敏感元件包括中心感壓片（可動電極），電極引線，正壓測、負壓測隔離膜片和基體等，如圖1所示。感壓片與其兩邊的弧形電極形成電容Ci1和Ci2，無差壓輸入時，Ci1=Ci2。來自兩側(cè)導壓管的差壓，直接作用于變送器傳感器兩側(cè)隔離膜片上，通過膜片內(nèi)的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的信號傳遞給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大等處理變?yōu)闃藴孰娦盘栞敵觥?/p>

3 試驗臺設(shè)計方案

3.1 氣路測量系統(tǒng)

本實驗臺主要供學生研究以下內(nèi)容：（1）差壓變送器氣路和電路系統(tǒng)組成；（2）差壓變送器調(diào)整；（3）船用鍋爐（模擬）水位自動調(diào)節(jié)方法。實驗臺設(shè)計兩套系統(tǒng)：氣路測量系統(tǒng)和模擬鍋爐補水系統(tǒng)。如圖2所示，氣路系統(tǒng)主要包括氣源、空氣處理單元和測量校調(diào)單元。氣源選用小型空壓機配上容量相符的空氣瓶，空氣瓶的壓力由壓力繼電器反饋到空壓機的開關(guān)進行雙位控制，以保持空氣瓶內(nèi)始終存有一定壓力的空氣?？諝馓幚韱卧獕嚎s空氣經(jīng)過空氣濾器進行過濾凈化以防空氣中的雜質(zhì)進入系統(tǒng)中，凈化過得空氣經(jīng)過減壓閥進行減壓來為系統(tǒng)提供壓力穩(wěn)定的空氣供入系統(tǒng)氣源壓力總閥，壓縮空氣經(jīng)過壓力總閥后被分為兩路經(jīng)過階躍開關(guān)分別送入到壓差變送器。通過階躍開關(guān)調(diào)整兩側(cè)壓力，當壓力表1和壓力表2顯示氣壓相等時電流表應(yīng)該顯示4mA，當兩側(cè)壓差達到設(shè)置最大量程時電流表應(yīng)該顯示20mA，當測量值不在4～20mA的范圍內(nèi)時可以通過調(diào)節(jié)旋鈕來進行調(diào)節(jié)，這樣就可以對差壓變送器進行量程的設(shè)定和校對。通過連接氣路和調(diào)節(jié)量程使學生更直觀的感受到壓力信號是如何變?yōu)殡娦盘柕?。另外制造氣源的小型空壓機也是采用雙位控制的，與實船相似，學生也可以學習一些空壓機卸載起動等相關(guān)知識。氣路部分雖然已經(jīng)很完善，不過這部分是開環(huán)系統(tǒng)并沒有形成真正的反饋閉環(huán)回路，所以在本實驗臺上我們又加裝了模擬鍋爐補水系統(tǒng)。

3.2 模擬鍋爐補水系統(tǒng)

要完成電動差壓變送器的反饋試驗可以選用多種系統(tǒng)，本設(shè)計選用的模擬鍋爐補水系統(tǒng)，與實船鍋爐補水系統(tǒng)原理一致。此法簡便易行，而且直觀，尤其對初學者了解差壓法測量液位的工作原理很有幫助，并還可在教中應(yīng)用。根據(jù)流體靜力學，由被測對象液柱的靜壓力，就可判斷液位的高低。而靜壓力可用差壓計等儀表把它檢測出來。液位與差壓有如下關(guān)系：H=△P/ρ。當液體密度恒定時，測出差壓就可知道液位高度，而與液體容積無關(guān)，或者說知道了液體高度，也就知道了差壓，即△P=ρH。模擬校驗法就是基于上述原理進行的?，F(xiàn)以校驗水位計為例，介紹一下具體方法，校驗裝置及接線如圖3所示。

制作一個模擬鍋爐，在模擬鍋爐上由上至下分別安裝兩個管路，這兩根管路接到電動差壓變送器的兩端，由圖3可知，如果鍋爐水位低于H1時由于不受液體壓力所以P1=P2差壓變送器兩端的壓差為零，所對應(yīng)的電流應(yīng)該是4mA。當液位上升時隨著△H不斷增大△P越來越大所對應(yīng)的電流值也在增大，當液面到達H2時△P值最大△P=P2-P1=ρg（H2-H1），這時差壓變送器的輸出電流應(yīng)為20mA，從圖中可以看出（H2-H1）是定值，所以即使液面進一步上升△P也會保持不變。這樣我們就可以通過設(shè)置差壓變送器的量程把鍋爐的水位控制在H1和H2之間。當液面下降到H1時差壓變送器輸出的電信號為4mA，此電信號將控制起動水泵給鍋爐補水，補水的過程中△P不斷增大電流也不斷增大，在鍋爐水位到達H2壓差到達最大值，輸出的電信號為20mA，此電信號使水泵停止供水。這樣就實現(xiàn)了鍋爐水位的雙位控制。在此過程中通過觀察液位表的高度與輸出電流之間的關(guān)系可以很直觀的看出，液位在最低值和最高值時，所對應(yīng)的電流也在4mA-20mA之間變化，只要設(shè)定量程我們就可以把最高液位控制在H1到H2之間的任何位置。

4 結(jié)束語

電動差壓變送器綜合試驗臺包含了輪機自動化常用到的電、氣、液控制，與船上實物貼合度極高，理論與實踐結(jié)合度高，可以做到寓教于樂，如果此項目最終成型能夠很大程度上解決我校輪機學生自動化學習困難的問題。可以應(yīng)用在“輪機自動化”“船舶輔機”“電氣與自動控制實訓”等相關(guān)課程的教學過程中。

參考文獻

[1]中華人民共和國海事局.1978年海員培訓、發(fā)證和值班標準國際公約馬尼拉修正案[M].大連海事大學出版社，2010.

[2]中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任評估規(guī)范[M].大連海事大學出版社，2012.

[3]中國海事服務(wù)中心.船舶電氣與自動化（船舶自動化）[M].大連海事大學出版社，2012.

[4]李永斌.淺析差壓變送器原理及其應(yīng)用[J].吉林奇峰化纖股份有限責任公司，2011（12）.