Распространённые причины и методы диагностики дрейфа нуля и скачков сигнала датчиков давления

Датчики давления являются важными измерительными элементами в системах промышленной автоматизации и широко применяются в гидравлическом оборудовании, системах водоснабжения, химических трубопроводах, интеллектуальном оборудовании, воздушных компрессорах и системах управления технологическими процессами. В реальной эксплуатации дрейф нуля и скачки сигнала являются достаточно распространёнными неисправностями: первый проявляется постепенным отклонением выходного значения от исходной нулевой точки при отсутствии давления, а вторые — внезапным повышением, понижением или частыми колебаниями показаний давления.

Эти две проблемы могут влиять на точность сбора данных PLC, частотного регулирования, блокировочной сигнализации и статистики производственных данных. Особенно в аналоговых контурах управления 4mA-20mA, 0V-10V и аналогичных небольшая погрешность после программного преобразования может быть увеличена до заметного отклонения давления, что способно привести к ложным аварийным сигналам, частым пускам и остановкам либо защитному отключению оборудования.

При диагностике следует обращать внимание не только на сам датчик, но и комплексно оценивать источник питания, сигнальные кабели, место установки, состояние среды, систему управления и электромагнитную обстановку на объекте. Ниже приведено описание с точки зрения признаков неисправности, распространённых причин, последовательности действий на объекте и профилактических мер.

I. Сначала различите дрейф нуля и скачки сигнала

Дрейф нуля обычно происходит постепенно

Дрейф нуля означает постепенное отклонение выходного сигнала датчика от первоначального калибровочного значения при неизменном фактическом давлении, особенно в состоянии сброса давления или холостого хода. Например, для преобразователя давления с диапазоном 0MPa-1.0MPa и выходом 4mA-20mA теоретическое выходное значение при отсутствии давления должно быть близко к 4.00mA, однако на объекте оно может постепенно измениться до 4.08mA, 4.15mA или даже выше.

Такая неисправность обычно имеет постепенный характер и может возникнуть после нескольких часов или дней работы оборудования либо после изменения температуры. Если величина дрейфа стабильна и сохраняется после повторного включения питания и сброса давления, следует в первую очередь проверить чувствительную мембрану датчика, внутреннюю электрическую схему, сведения о длительных перегрузках и состояние калибровки нуля.

Следует учитывать, что в некоторых высокоточных измерительных задачах требования к погрешности особенно высоки. Например, для изделий класса точности 0.25 допустимая погрешность при полной шкале невелика; если диапазон выбран слишком большим, то даже изменение выхода всего на 0.1%FS может привести к тому, что фактическое измеренное значение в области низкого давления утратит практическую значимость.

Скачки сигнала чаще проявляются как внезапные колебания

Скачок сигнала означает прерывистое изменение выхода датчика за короткое время. Например, отображаемое давление мгновенно изменяется с 0.60MPa до 0.95MPa, а затем возвращается назад; либо значение аналогового сигнала PLC часто колеблется вверх и вниз около нормального уровня. Величина скачка может составлять лишь несколько байтов или достигать более 10% диапазона.

Если скачки в значительной степени совпадают по времени с запуском двигателя, регулированием частотного преобразователя, срабатыванием электромагнитного клапана, работой сварочного аппарата и подобными событиями, в первую очередь следует рассмотреть электромагнитные помехи, несоблюдение требований к заземлению или колебания питания. Если скачки возникают только при запуске насоса, переключении клапанов или пульсациях в трубопроводе, необходимо дополнительно подтвердить наличие реальных ударных изменений давления.

Для цифровых датчиков давления также необходимо наблюдать за состоянием связи. Прерывание связи RS485, конфликт адресов, отсутствие оконечного резистора или несоответствие настроек скорости передачи данных могут вызывать некорректное отображение на верхнем уровне управления. В этом случае необходимо различать «скачок сигнала сбора данных» и «скачок реального выходного сигнала», чтобы не признать изделие неисправным напрямую.

II. Основные причины дрейфа нуля датчиков давления

Перегрузочные удары и повреждение мембраны

Хотя датчики давления обладают определённой перегрузочной способностью, длительная работа вблизи верхнего предела или воздействие кратковременных ударов высокого давления всё же могут вызвать необратимую микродеформацию чувствительного элемента. Например, для изделия с номинальным диапазоном 1.6MPa риск смещения нуля значительно возрастает, если давление на объекте часто приближается к 1.5MPa и в системе присутствуют гидроудары или гидравлические удары.

Пуск и остановка гидравлического насоса, быстрое закрытие клапана и высокоскоростное переключение распределительного клапана могут создавать мгновенные пиковые значения, значительно превышающие установившееся давление. Обычный манометр из-за сравнительно медленного отклика не всегда способен показать такой пик, однако мембрана датчика уже могла подвергнуться удару. Для систем с выраженными пульсациями рекомендуется предусматривать запас диапазона от 1.5 до 2 раз.

При диагностике можно сначала полностью сбросить давление в системе, затем медленно подать давление от стандартного источника и отдельно записать выходные данные при 0%, 25%, 50%, 75% и 100% диапазона. Если при повышении и понижении давления наблюдается заметный гистерезис либо нулевая точка не восстанавливается, обычно требуется профессиональная калибровка или замена датчика.

Изменение температуры, влияние среды и длительное старение

Изменения температуры окружающей среды и измеряемой среды вызывают тепловое расширение и сжатие чувствительного элемента, электронных компонентов и материалов корпуса. Хотя промышленные преобразователи давления обычно оснащены температурной компенсацией, при чередовании высоких и низких температур, значительной разнице между дневной и ночной температурой либо температуре среды за пределами номинального диапазона всё равно может возникнуть временный или накопительный дрейф нуля.

Коррозионные, вязкие, кристаллизующиеся среды и жидкости с частицами также могут воздействовать на отверстие отбора давления и разделительную мембрану. При частичном засорении отверстия отбора давления отклик датчика замедляется; при остатках среды или кристаллическом покрытии мембраны нуль может сместиться в положительную или отрицательную сторону. Перед очисткой следует убедиться, что материал и герметизирующая конструкция допускают контакт с чистящим средством.

Не следует игнорировать и изменение параметров электронных компонентов после длительной эксплуатации. Датчики, используемые более 24 месяцев и выполняющие критически важные функции управления, следует включать в план периодической поверки. Для применений со строгими требованиями к метрологии можно проводить сравнительную калибровку с периодичностью 6 или 12 месяцев, сохраняя записи нуля и полной шкалы.

Пункты быстрой проверки дрейфа нуля

Сначала убедитесь, что давление в интерфейсе полностью сброшено и изделия с избыточным давлением нормально сообщаются с атмосферой; изделия абсолютного давления нельзя оценивать по нулю так же, как изделия избыточного давления. Затем измерьте напряжение питания мультиметром: для системы 24VDC рекомендуется подтвердить, что фактическое напряжение находится в допустимом для оборудования диапазоне, а также проверить отсутствие аномальных пульсаций источника питания.

Затем изолируйте датчик от контура управления на объекте и напрямую измерьте выходной сигнал. Для изделий 4mA-20mA можно последовательно подключить амперметр, для изделий 0V-10V — измерить выходное напряжение; если отклонение сохраняется после отключения от PLC, причина с большей вероятностью находится в самом датчике или интерфейсе давления, а не в модуле сбора данных.

Наконец, выполните сравнение со стандартным прибором или калибратором давления. Если выход во всём диапазоне смещён в одном направлении, можно рассмотреть корректировку нуля; если погрешность различается в разных точках давления или линейность заметно ухудшилась, не следует ограничиваться только регулировкой нуля — необходима повторная калибровка специалистами.

III. Распространённые факторы скачков сигнала давления на объекте

Питание, подключение и электромагнитные помехи

Нестабильное питание является важной причиной аномалий аналогового сигнала. Когда несколько электромагнитных клапанов, реле или контакторов используют один и тот же источник питания 24VDC, в момент срабатывания нагрузки напряжение может кратковременно снижаться, вызывая временное искажение выхода датчика. В первую очередь следует проверить мощность источника питания, подключение общего провода и состояние фильтрации источника постоянного тока.

Прокладка сигнальных и силовых кабелей параллельно на слишком малом расстоянии также легко приводит к наведённым помехам. Особенно рядом с выходными кабелями частотных преобразователей, кабелями мощных двигателей и линиями питания сварочных аппаратов в цепях аналоговых сигналов могут возникать импульсные шумы. Рекомендуется использовать для сигнала датчика экранированную витую пару и прокладывать её отдельно от силовых линий; экран обычно следует заземлять с одной стороны, чтобы избежать образования контура заземления.

Ослабление, окисление, попадание воды на клеммы или ненадёжное обжатие также могут вызывать периодические скачки. При проверке на объекте следует слегка потянуть провода, проверить наличие почернения и нагрева клемм, а также уделить особое внимание авиационным разъёмам M12, кабельным соединителям и общим клеммам внутри шкафа управления. Нельзя исключать плохой контакт только на основании нормального внешнего вида.

Фактические пульсации давления и неправильный способ установки

Некоторые скачки вызваны не электрическими неисправностями, а нестабильностью самого давления. Например, плунжерные насосы, мембранные насосы, воздушные компрессоры и высокоскоростные гидравлические системы создают периодические пульсации. Если датчик установлен непосредственно на выходе насоса или рядом с клапаном, он часто регистрирует переходное давление, поэтому значительные колебания отображаемого значения являются нормальным физическим явлением.

Для таких условий эксплуатации, при подтверждении допустимости с точки зрения технологического процесса, можно установить демпфер, буферную трубку, дроссельное отверстие или устройство поглощения пульсаций, а также рационально настроить время фильтрации в контроллере. Не следует необоснованно увеличивать фильтрацию: например, при слишком медленной настройке реакции выборки показания станут стабильными, но может задерживаться сигнализация о превышении давления и действие защиты оборудования.

Место установки также должно находиться вне зон сильной вибрации. Длительная механическая вибрация может привести к ослаблению соединений, усталости паяных точек или нарушениям внутренних соединений. Для оборудования с заметной вибрацией можно применять гибкую импульсную трубку, виброизолирующий кронштейн или дистанционный способ установки, одновременно обеспечивая правильное направление нагрузки на датчик и предотвращая передачу монтажного крутящего момента непосредственно на корпус.

IV. Последовательность диагностики на объекте и рекомендации по профилактике

Проводите диагностику в последовательности «условия эксплуатации, электрика, датчик, система»

Рекомендуется сначала подтвердить, действительно ли давление на технологической стороне колеблется, используя для сравнения механический манометр, стандартный цифровой манометр или калибратор. Если оба прибора изменяются синхронно, сначала следует устранить проблемы насоса, клапанов, пульсаций трубопровода или среды; если стандартный прибор стабилен, а выход датчика аномален, следует перейти к проверке электрической части и самого изделия.

На втором этапе проверьте питание и подключение, уделяя особое внимание измерению фактического питания на клеммах датчика, а не только индикатору питания шкафа управления. Для двухпроводных преобразователей 4mA-20mA также необходимо рассчитать, находится ли нагрузка контура в допустимых пределах; при низком напряжении питания или чрезмерно большом сопротивлении нагрузки выход на полной шкале может быть ограничен и стать аномальным.

На третьем этапе проведите независимую проверку датчика. Подключите изделие к стабильному источнику питания и стандартному источнику давления, затем проверьте нуль, полную шкалу, линейность и повторяемость. Если автономное испытание стабильно, а после подключения к системе возникают аномалии, следует продолжить проверку модуля аналогового сигнала PLC, изолятора сигнала, клеммной колодки и параметров программной фильтрации; если аномалия сохраняется и в автономном режиме, необходимо провести калибровку, ремонт или замену.

Снижайте вероятность неисправностей на этапах выбора и обслуживания

При выборе необходимо чётко определить тип среды, рабочее давление, максимальное давление, температурный диапазон, монтажное соединение, выходной сигнал и требования к защите. Чем больше диапазон, тем не всегда лучше: слишком большой диапазон снижает разрешающую способность в области низкого давления, а слишком малый диапазон легко подвергается перегрузке. Обычно следует предусматривать разумный запас с учётом нормального рабочего давления и возможных пиковых значений.

Для высокотемпературных, сильнокоррозионных, высоковязких или легко кристаллизующихся сред следует выбирать подходящие материалы мембраны, уплотнительные материалы и разделительную конструкцию. Для объектов с сильными помехами следует преимущественно использовать промышленные преобразователи давления с высокой помехоустойчивостью и применять стандартизированные меры экранирования, заземления, защиты от импульсных перенапряжений и независимого питания.

Не менее важно вести учёт оборудования, фиксируя модель датчика, диапазон, дату установки, результаты поверки, время возникновения неисправностей и способ их устранения. Если смещение нуля превышает допустимое технологическим процессом значение, выходной сигнал часто скачет или изделие подвергалось явному удару избыточного давления, следует своевременно обратиться к профессиональным техническим специалистам для проверки. Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может предоставить поддержку по подбору датчиков давления, анализу неисправностей, калибровке, обслуживанию и нестандартной настройке в соответствии со средой на объекте, диапазоном давления, типом выхода и условиями установки.