При выборе токового датчика перепада давления для промышленного применения выход 4-20mA является одной из наиболее распространенных форм сигнала. Он обеспечивает большую дальность передачи, высокую помехоустойчивость и удобное подключение к PLC, DCS и интеллектуальным цифровым индикаторным управляющим приборам. Однако при фактическом выборе недостаточно лишь подтвердить «выход 4-20mA» — необходимо также оценить измеряемую среду, диапазон перепада давления, уровень статического давления, возможности питания, нагрузку контура, способ монтажа и помехи окружающей среды.

Датчики перепада давления обычно используются для контроля засорения фильтров, измерения перепада давления в воздуховодах, измерения уровня, расчета расхода, регулирования перепада давления в чистых помещениях и контроля потерь давления до и после оборудования. В различных областях применения условия давления, характеристики среды и требования к управлению значительно различаются. Неправильный выбор параметров может привести к дрейфу нуля, аномалиям сигнала, неточности измерений и даже повреждению чувствительного элемента.

Для специалистов по технической оценке рациональная логика выбора должна начинаться с подтверждения рабочих условий, затем включать расчет электрического контура и совместимости с системой и завершаться определением условий монтажа, наладки и обслуживания. Компания Xi'an Shenghongchuang Instruments Co., Ltd. может предоставлять поддержку по подбору и техническому обслуживанию преобразователей перепада давления, а также сопутствующих устройств индикации и управления для задач промышленной автоматизации измерений.

I. Сначала определите объект измерения перепада давления и диапазон

Перепад давления — это не просто значение давления

Датчик перепада давления измеряет разность давления между стороной высокого и низкого давления; ее основное соотношение: перепад давления = давление на стороне высокого давления - давление на стороне низкого давления. При измерении давления воздуха диапазон может составлять лишь несколько десятков паскалей; при применении в системах измерения уровня или фильтрации он может достигать нескольких десятков килопаскалей или более. Поэтому перед выбором следует определить, к каким точкам подключаются стороны высокого и низкого давления, а также возможный перепад давления в нормальных, максимальных и аварийных режимах.

При выборе диапазона нормальный рабочий перепад давления обычно должен находиться в пределах от 30% до 80% полной шкалы. При слишком большом диапазоне снижается разрешающая способность по малым сигналам; при слишком малом диапазоне возможно превышение предела во время запуска оборудования, переключения клапанов или засорения фильтрующего элемента. Например, для условий с нормальным перепадом давления 6kPa и ожидаемым максимальным перепадом 10kPa обычно в первую очередь можно рассмотреть близкие стандартные диапазоны, такие как 0-10kPa и 0-16kPa.

Следует также учитывать необходимость измерения положительного и отрицательного перепада давления. В некоторых случаях наблюдается двустороннее изменение перепада давления, например в системах приточно-вытяжной вентиляции, двунаправленных фильтрующих установках или испытательном оборудовании, и требуется выбрать диапазон положительного и отрицательного перепада, например от -1kPa до 1kPa или от -10kPa до 10kPa. При использовании изделия с однонаправленным диапазоном, когда давление на стороне низкого давления выше давления на стороне высокого давления, выходной сигнал может быть ниже 4mA, вызвать аварийное состояние или привести к погрешности измерения.

Параметры, рекомендуемые для фиксации при подтверждении диапазона

Помимо номинального перепада давления, следует также зафиксировать максимальное рабочее статическое давление, мгновенный импульс давления, допустимое давление перегрузки и температуру среды. Особенно вблизи трубопроводов, выходов насосов и клапанов: хотя фактический перепад давления невелик, общее статическое давление, воспринимаемое обеими сторонами, может быть высоким. Диапазон перепада давления и допустимое статическое давление — это два разных показателя; нельзя заменять модель, пригодную для высокого статического давления, изделием с низким диапазоном перепада давления.

II. Для выхода 4-20mA необходимо рассчитать питание и нагрузку

Подтвердите двухпроводную или четырехпроводную схему подключения

Промышленные преобразователи перепада давления часто имеют двухпроводное исполнение 4-20mA, при котором питание и сигнал используют два общих проводника. Двухпроводная схема удобна для прокладки кабелей и подходит для передачи на большие расстояния, однако необходимо обеспечить, чтобы напряжение питания контура и сопротивление нагрузки находились в допустимом для изделия диапазоне. Обычно используется питание DC 24V, однако фактические значения должны соответствовать диапазону питания, указанному на шильдике датчика, в инструкции или техническом соглашении.

Некоторые изделия используют четырехпроводную схему с раздельным питанием и выходом, что подходит для отдельных специальных систем управления или потребностей в различных комбинациях выходов. При выборе необходимо подтвердить, является ли модуль аналогового входа PLC активным или пассивным входом, чтобы исключить повторную подачу питания, обратную полярность или невозможность замыкания сигнального контура. Если система уже оснащена источником питания контура 24V, схему подключения должны совместно подтвердить специалисты по КИПиА, электротехнике и автоматизации.

4mA обычно соответствует нижнему пределу диапазона, а 20mA — верхнему. Например, для датчика с диапазоном 0-10kPa выход 12mA обычно соответствует 5kPa; для диапазона от -10kPa до 10kPa значение 12mA обычно соответствует 0kPa. При конфигурировании верхнего уровня необходимо обеспечить соответствие диапазона, единиц измерения, количества десятичных знаков и линейной зависимости; нельзя использовать только стандартную обработку 0-100%.

Нагрузка контура не должна превышать допустимое значение

Входное сопротивление PLC, местный индикаторный прибор, амперметр, изолятор и сопротивление линии в контуре формируют общую нагрузку. Распространенный резистор 250Ω может преобразовывать 4-20mA в 1-5V, однако чрезмерное количество последовательно подключенных устройств увеличивает нагрузку. При недостаточном напряжении питания или перегрузке датчик может не достигать 20mA в зоне высокого выходного сигнала, что проявляется как заниженное значение на полной шкале, колебание сигнала или аварийное сообщение.

III. Точность, стабильность и скорость отклика должны соответствовать цели управления

Не следует ориентироваться только на одно числовое значение точности

Точность датчика обычно выражается в процентах от полной шкалы, например 0.5%FS или 0.25%FS. Для диапазона 0-100kPa точность 0.5%FS приблизительно соответствует ±0.5kPa; для низкого диапазона 0-1kPa те же 0.5%FS приблизительно соответствуют ±5Pa. В условиях низкого перепада давления чувствительность к нулевой точке и температурному дрейфу выше, поэтому помимо базовой точности следует уделять внимание повторяемости, долговременной стабильности и показателям дрейфа нуля.

Если сигнал перепада давления используется только для оповещения о необходимости замены фильтрующей сетки, обычно достаточно стандартной промышленной точности; если он применяется для замкнутого регулирования перепада давления в чистом помещении, точного смешения газов или учета расхода, необходимо более строго оценивать класс точности, температурное влияние и время отклика. При коротком периоде дискретизации системы управления замедленный отклик датчика приведет к запаздыванию регулирования; слишком быстрый отклик, напротив, может непосредственно передавать пульсации давления в контур управления.

В условиях вибрации насосов, пульсаций компрессоров или частого срабатывания клапанов можно, исходя из фактических рабочих условий, добавить настройку демпфирования, буферное устройство или программную фильтрацию. Параметры фильтрации должны быть отрегулированы на месте; нельзя чрезмерно задерживать реальные изменения только ради стабильного отображения значений. Как правило, одновременно следует наблюдать значения при устойчивой работе, значения пусковых импульсов и кривые сигналов в нештатных режимах.

Изменение температуры влияет на долгосрочные результаты измерений

Температура среды монтажа, температура измеряемой среды и суточные перепады температуры влияют на стабильность измерений. Высокотемпературная среда не должна непосредственно воздействовать на интерфейс давления обычного датчика; для снижения теплопередачи следует использовать импульсную трубку, конденсационный отвод или изолирующее устройство. В низкотемпературной или влажной среде также необходимо предотвращать попадание конденсата в клеммную полость и канал давления, чтобы избежать снижения изоляции, засорения или смещения нуля.

IV. Среда, материал и уровень статического давления определяют надежность изделия

Материал интерфейса давления должен быть совместим со средой

Требования к совместимости с воздухом, чистым газом, обычной водой и гидравлическим маслом относительно стандартны; для кислотных и щелочных сред, газов с соляным туманом, коррозионных паров, вязких жидкостей или жидкостей с частицами необходимо особенно тщательно подтвердить материал смачиваемых частей. Распространенная нержавеющая сталь обладает хорошей универсальностью, однако подходит не для всех химических сред; конкретное решение также должно приниматься с учетом концентрации, температуры и давления среды.

Для сред, склонных к кристаллизации, застыванию, содержащих примеси или обладающих высокой вязкостью, следует избегать длительного контакта узких отверстий отбора давления со средой. При необходимости можно использовать мембранную конструкцию, фланцевый монтаж, промывочный интерфейс или комплектные импульсные трубопроводы. Степень защиты корпуса датчика также должна соответствовать условиям на объекте; при наружной установке, во влажной или запыленной среде следует обратить внимание на герметичность клеммной коробки и гидроизоляцию кабельного ввода.

Обе стороны датчика перепада давления могут воспринимать высокое общее статическое давление. Например, при измерении уровня в резервуаре фактический перепад давления уровня невелик, но внутреннее давление резервуара может быть высоким. В этом случае необходимо подтвердить максимальное статическое давление, способность к односторонней перегрузке и способность обеих сторон одновременно воспринимать давление; нельзя определять модель только по диапазону перепада давления. Для зон высокого давления, высокой температуры или пожаро- и взрывоопасных зон необходимо также дополнительно подтвердить соответствующие требования по взрывозащите, защите и безопасности.

Направление монтажа и положение отбора давления влияют на измерение

При измерении газа следует по возможности предотвращать накопление конденсата в импульсной трубке; при измерении жидкости необходимо исключать задержку пузырьков; при измерении пара следует обеспечить максимально одинаковые условия конденсации с обеих сторон. Обратное подключение сторон высокого и низкого давления приведет к противоположному направлению выходного сигнала, поэтому после подключения трубопроводов следует выполнить проверку с использованием известного перепада давления. Перед монтажом также необходимо убедиться в отсутствии в трубопроводе сварочного шлака, металлической стружки и остатков уплотнительных материалов, чтобы предотвратить засорение интерфейса датчика.

V. Не следует игнорировать прокладку проводки, заземление и наладку системы

Несмотря на помехоустойчивость 4-20mA, монтаж должен выполняться по нормам

Токовый сигнал по сравнению с сигналом 0-10V больше подходит для передачи на большие расстояния в промышленной среде, однако это не означает, что можно игнорировать электромагнитные помехи. Для сигнальной линии датчика рекомендуется использовать экранированную витую пару и по возможности прокладывать ее отдельно от силовых линий преобразователей частоты, кабелей двигателей и линий управления реле. При неизбежном пересечении рекомендуется выполнять его под углом, близким к 90 градусам, сокращая длину параллельной прокладки.

Экран обычно следует заземлять с одной стороны в соответствии с нормами заземления системы, чтобы избежать образования токов в контуре заземления. Схема заземления между полевым оборудованием, шкафом управления и отрицательным полюсом источника питания должна быть спланирована единообразно. В районах с частыми грозами, при длинных наружных трубопроводах или сильных электромагнитных помехах следует предусмотреть в сигнальном контуре подходящий ограничитель перенапряжений, сигнальный изолятор или барьер искрозащиты и учитывать, влияет ли падение напряжения на них на питание контура.

При наладке можно сначала отключить технологическое влияние, проверить питание 24V, полярность клемм и целостность контура, затем с помощью стандартного источника тока проверить корректность считывания значений 4mA, 12mA и 20mA PLC или индикаторным прибором. После этого подключите датчик к фактическим рабочим условиям и отдельно проверьте отображаемые значения при нулевом перепаде давления, нормальном перепаде давления и значении, близком к полной шкале, подтвердив правильность инженерных единиц и настроек порогов сигнализации.

Создайте механизм периодической проверки

Для критически важных технологических точек рекомендуется в соответствии с планом обслуживания оборудования регулярно проверять проходимость импульсных трубок, герметичность соединений, дрейф нуля и выходной ток. Для контроля перепада давления фильтра на основе исторических данных можно устанавливать значения предварительного предупреждения и блокировки, например выдавать предупреждение при 70%–80% номинального перепада давления, чтобы не ждать полного засорения перед принятием мер. При постоянной аномалии нуля, скачках выходного сигнала или явном запаздывании датчика сначала следует проверить трубопроводы, питание и проводку, а затем определять необходимость калибровки или замены.

VI. Перечень информации для выбора датчика перепада давления

При подаче запроса на подбор рекомендуется единовременно предоставить наименование среды, температуру, максимальное статическое давление, нормальный перепад давления, максимальный перепад давления, спецификацию интерфейса, место монтажа, напряжение питания, выходной сигнал, требования к защите на объекте и модель системы управления. Чем полнее эта информация, тем быстрее можно определить подходящую конструкцию и параметры датчика перепада давления, сократив затраты на последующую модернизацию.

Для контроля обычного давления воздуха, перепада давления фильтра, перепада давления уровня и промышленных трубопроводов в первую очередь можно выбрать промышленное изделие с подходящим диапазоном, питанием DC 24V, выходом 4-20mA и стабильной помехоустойчивостью. Для зон с высоким статическим давлением, коррозионной средой, высокой температурой, склонностью к засорению или взрывозащитными требованиями необходимо дополнительно подтвердить специальные рабочие условия на основе стандартных параметров и при необходимости использовать индивидуальное решение.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instruments Co., Ltd. может, исходя из фактического объекта измерения и условий системы управления, содействовать в определении диапазона перепада давления, способа выхода, материала интерфейса, класса допустимого давления и решения по комплектным цифровым индикаторным управляющим приборам. Перед закупкой предоставьте параметры рабочих условий на объекте и требования к подключению, чтобы получить более точные рекомендации по выбору токового датчика перепада давления 4-20mA.