Основные последствия завышенного диапазона измерения дифференциальных преобразователей давления Emerson

В проектах по измерению перепада давления больший диапазон не всегда означает более высокую безопасность. Если диапазон дифференциального преобразователя давления Emerson значительно превышает фактический рабочий перепад давления, это может предотвратить сигнализацию о выходе на полную шкалу вследствие случайного избыточного давления или кратковременных колебаний, однако полезный измерительный сигнал будет сосредоточен в небольшой части выходного диапазона. В результате снижается точность отображения на месте, считывания данных системой управления и технологической оценки.

Например, если фактический перепад давления длительное время составляет 0～10kPa, а преобразователь настроен на 0～100kPa, при нормальных условиях используется лишь 10% диапазона измерения. Для выходного сигнала 4～20mA диапазон в 10kPa соответствует изменению выходного сигнала всего примерно на 1.6mA. Незначительный дрейф нуля, ошибка сбора данных или помехи в линии могут при этом усиливаться и превращаться в заметную технологическую ошибку.

Завышенный выбор диапазона особенно часто встречается при измерении расхода с помощью сужающих устройств, измерении уровня в герметичных емкостях, мониторинге перепада давления на фильтрах и регулировании малых перепадов давления в воздуховодах. Перепад давления в таких условиях обычно невелик, но система чувствительна к динамике его изменения. При неправильно заданном диапазоне ранние признаки отклонений в работе оборудования могут быть своевременно не выявлены.

Поэтому при выборе необходимо различать «максимально допустимое давление» и «нормальный диапазон измерения». Способность преобразователя выдерживать избыточное давление, класс статического давления и диапазон измерения являются разными параметрами. Нельзя просто увеличивать диапазон измерения перепада давления только из-за высокого давления в трубопроводе.

Снижение разрешения измерения затрудняет обнаружение малых изменений

Точность дифференциальных преобразователей давления обычно указывается в процентах от диапазона, например ±0.075%URL, ±0.1%URL или ±0.2%URL, где URL означает верхний предел диапазона датчика. Чем меньше фактический диапазон измерения, тем выше доля абсолютной погрешности в измеряемом значении. Даже при высокой собственной точности прибора чрезмерно большой заданный диапазон снижает эффективность его практического применения.

Например, для преобразователя с верхним пределом диапазона 100kPa и точностью ±0.1%URL теоретически допустимая погрешность составляет около ±0.1kPa. При фактическом перепаде давления 2kPa только расчет по точности диапазона уже дает ошибку, эквивалентную 5% показания; при фактическом перепаде давления 20kPa относительное влияние снижается примерно до 0.5%.

При мониторинге перепада давления на фильтре он может постепенно увеличиваться от 1.5kPa до 4kPa. При выборе диапазона 0～50kPa тенденция роста перепада давления будет сжата, и системе управления будет трудно точно различать состояния «незначительное засорение» и «приближение к порогу замены». Обслуживающему персоналу, возможно, придется полагаться только на ручную проверку.

Для процессов, требующих наблюдения за незначительными изменениями перепада давления, следует в приоритетном порядке выбирать более низкий диапазон, покрывающий фактическое пиковое значение, и комплексно учитывать время демпфирования, фильтрацию сигнала и условия монтажа. Нельзя стремиться к так называемой стабильности только путем увеличения диапазона.

Могут пострадать точность регулирования и надежность блокировок

В системах автоматического управления выходной сигнал 4～20mA или цифровой сигнал дифференциального преобразователя давления обычно непосредственно участвует в PID-регулировании, оценке аварийных сигналов и блокировке оборудования. При завышении диапазона изменение сигнала, соответствующее единичному изменению перепада давления, уменьшается, вследствие чего чувствительность PLC, DCS или модулей удаленного I/O к изменениям процесса также снижается.

На примере сигнала 4～20mA: в диапазоне 0～10kPa каждому 1kPa соответствует примерно 1.6mA; при изменении диапазона на 0～100kPa каждому 1kPa соответствует лишь 0.16mA. При одновременном наличии ограничения разрешения модулей сбора данных, погрешности аналоговых модулей и электромагнитных помех полезные изменения в области низкого перепада давления могут проявляться в виде скачков или запаздывания.

В таких применениях, как давление воздуха в котлах, перепад давления в чистых помещениях и перепад давления в пылеуловителях, точки сигнализации обычно задаются в относительно узком числовом диапазоне. Например, при порогах аварийной сигнализации 2.0kPa и 2.5kPa чрезмерный диапазон приводит к недостаточной разнице сигналов вблизи точек сигнализации, что может вызвать несвоевременное срабатывание сигнализации либо частое ее срабатывание из-за колебаний сигнала.

Следует учитывать, что расширение диапазона не позволяет действительно решить проблему пульсаций технологического давления. Если колебания на объекте вызваны пульсациями насосного агрегата, возмущениями воздушного потока, скоплением жидкости в импульсных трубках или частым срабатыванием клапанов, прежде всего следует проверить причины, связанные с монтажом и технологическим процессом, а затем повысить стабильность сигнала посредством рационального демпфирования, фильтрации и оптимизации параметров управления.

Справочные требования к использованию диапазона в различных применениях

Для практического выбора не существует абсолютно единого соотношения, однако обычно рекомендуется, чтобы перепад давления при нормальной работе находился в пределах 30%～80% установленного диапазона. Для условий со значительной амплитудой изменений, заметным пусковым воздействием или риском кратковременного превышения предела верхний запас можно соответствующим образом увеличить, однако следует избегать длительной работы на значениях ниже 10%～20% полной шкалы.

При измерении расхода по перепаду давления требуется особая осторожность, поскольку расход и перепад давления обычно связаны зависимостью квадратного корня. Сигнал перепада давления в области малых расходов сам по себе невелик, и выбор еще более широкого диапазона преобразователя дополнительно снизит эффективную разрешающую способность измерения малых расходов, что приведет к увеличению отклонений суммарного и мгновенного расхода.

При измерении уровня в герметичной емкости необходимо выполнять расчет с учетом плотности среды, высоты уровня, величины смещения, давления газовой фазы и влияния капилляров. Нельзя определять диапазон перепада давления только по расчетному давлению емкости, иначе уровень во всем диапазоне может занимать лишь небольшую долю выходного сигнала.

Для условий с высоким статическим давлением и малым перепадом давления необходимо уделять особое внимание номинальному статическому давлению преобразователя, способности выдерживать одностороннюю перегрузку и минимальному регулируемому диапазону. Высокое статическое давление не равнозначно высокому перепаду давления; правильная конфигурация позволяет одновременно обеспечить безопасность и достаточную чувствительность измерения.

Методы рационального определения диапазона дифференциального преобразователя давления

Прежде всего необходимо получить реальные технологические данные, а не выбирать прибор только на основе паспортной таблички оборудования или расчетного давления трубопровода. Рекомендуется определить нормальный перепад давления, максимальный длительный перепад давления, кратковременный пиковый перепад давления, величину колебаний на этапах пуска и остановки, а также допустимые условия избыточного давления. При необходимости следует проводить непрерывный отбор данных с помощью временного манометра или регистратора данных.

Далее запас следует определять в соответствии с важностью технологического процесса. Для обычных условий мониторинга можно принимать 1.2～1.5-кратное значение максимального нормального перепада давления; при наличии заметных гидроударов или сезонных изменений рабочих условий запас можно умеренно увеличить до 1.5～2 раз. Слишком большой запас не повышает точность прибора, а, напротив, ухудшает измерения в нижней части диапазона.

Также необходимо проверить диапазон модуля датчика и фактически установленный диапазон. Некоторые интеллектуальные дифференциальные преобразователи давления поддерживают настройку диапазона в определенных пределах, однако при чрезмерном уменьшении диапазона могут измениться суммарная точность, характеристики отклика и доступный диапазон перенастройки. Следует руководствоваться технической документацией конкретной модели и результатами калибровки.

Наконец, качество монтажа также определяет конечный результат. Неодинаковая длина и уклон импульсных трубок с обеих сторон, дисбаланс столбов конденсата, засорение отборов давления и неправильная эксплуатация трехвентильного блока могут создавать дополнительный перепад давления. Даже при правильном выборе диапазона ошибки монтажа могут привести к дрейфу нуля или искажению показаний.

Практические рекомендации по выбору и обслуживанию

Для объектов, где уже установлены дифференциальные преобразователи давления Emerson с завышенным диапазоном, нет необходимости немедленно заменять прибор. Сначала следует проверить, поддерживает ли данная модель повторную настройку диапазона, и оценить, соответствуют ли после перенастройки минимальный коэффициент диапазонирования, требования к точности и технологическим пиковым значениям. При выполнении этих условий фактический результат измерения можно улучшить путем корректной калибровки.

После перенастройки необходимо одновременно проверить верхний и нижний пределы диапазона, инженерные единицы, значения сигнализации, значения блокировки и масштаб отображения в DCS или PLC. Изменение диапазона полевого прибора при сохранении старого диапазона в системе управления является распространенной причиной отклонений отображения, ошибочной сигнализации и нарушений логики управления.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может предоставить поддержку в выборе дифференциальных датчиков давления, преобразователей и комплектных интеллектуальных цифровых индикаторов и приборов управления для таких применений, как фильтрация, измерение уровня, расхода и давления воздуха, с учетом фактического диапазона перепада давления, характеристик среды, условий статического давления, типа выхода и монтажной конструкции. Для нестандартных условий также необходимо на раннем этапе уточнить требования к температуре, коррозионной стойкости, классу взрывозащиты и технологическим присоединениям.

При наличии на объекте таких проблем, как значительные колебания измерений, длительно заниженные фактические показания, недостаточная чувствительность сигнализации или нестабильное регулирование расхода, рекомендуется систематизировать сведения о текущем диапазоне, нормальном перепаде давления, пиковом перепаде давления, параметрах среды и способе монтажа. Профессиональные технические специалисты смогут выполнить проверку диапазона и оценку конфигурации прибора, чтобы определить более подходящее решение для измерения перепада давления.