劉世疆，宏巖，張凡波

(1. 新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依834000;2. 中國(guó)天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司，陜西西安710026;3. 遼陽(yáng)石化分公司生產(chǎn)監(jiān)測(cè)部，遼寧 遼陽(yáng)111003)

0 引言

在壓力測(cè)量中，微差壓測(cè)量校準(zhǔn)是最為困難的，也是近年來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一。主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的流量、液位、密度和流速等工業(yè)參量的自動(dòng)化測(cè)量與控制，具有廣泛需求，因此，微差壓變送器獲得了廣泛應(yīng)用。具有現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能的微差壓變送器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的普及應(yīng)用，高準(zhǔn)確度微差壓變送器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使得微差壓測(cè)量能夠?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化過(guò)程提供可靠的測(cè)量結(jié)果和測(cè)量信息，同時(shí)，也促進(jìn)了微差壓測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)展。

由于微小壓力的波動(dòng)性和新型微差壓變送器的復(fù)雜性，目前微差壓變送器的校準(zhǔn)存在以下問(wèn)題:①由于微差壓的壓力范圍很小，測(cè)量校準(zhǔn)過(guò)程中，易受到大氣壓力或其它壓力波動(dòng)的影響;②微差壓壓力標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中不易實(shí)現(xiàn)和保證;③現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能的應(yīng)用，需要采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn);④儀表設(shè)備的維護(hù)管理，需要提高校準(zhǔn)效率，采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)。

為此，我們進(jìn)行了多年研究，構(gòu)建了以零點(diǎn)參考?jí)毫闇?zhǔn)的微差壓校準(zhǔn)回路系統(tǒng)，給出了實(shí)現(xiàn)微差壓校準(zhǔn)的方法，并采用自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字壓力校驗(yàn)技術(shù)，建立了一套壓力自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，可對(duì)微差壓變送器進(jìn)行自動(dòng)化校準(zhǔn)，較好地解決了上述問(wèn)題。

1 微差壓校準(zhǔn)回路

在對(duì)微差壓變送器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于微壓標(biāo)準(zhǔn)器(如補(bǔ)償式微壓計(jì))在現(xiàn)場(chǎng)中使用不易保證準(zhǔn)確度，為了限定溫度影響，通常對(duì)微差壓變送器的校準(zhǔn)是在恒溫室進(jìn)行，校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器和被校變送器分別以大氣壓力作為參考零點(diǎn)，但恒溫室的風(fēng)量會(huì)對(duì)大氣壓力產(chǎn)生波動(dòng)，使校準(zhǔn)不穩(wěn)定。因此，為了克服波動(dòng)影響，通常在達(dá)到恒定溫度時(shí)，將恒溫室的通風(fēng)關(guān)斷后，再在恒溫室進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作繁瑣。另外，校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器和被校變送器分別接入大氣壓力的位置不同，也將產(chǎn)生微小壓力的差異，相對(duì)微差壓而言，表現(xiàn)為零點(diǎn)參考?jí)毫Σ灰恢?，校?zhǔn)條件不易保證。有時(shí)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)際需求存在差異。微差壓變送器校準(zhǔn)回路方案示意圖如圖1 所示。

圖1 校準(zhǔn)回路方案原理圖

為滿足微差壓變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)際需求，我們提出的微差壓校準(zhǔn)方法，以數(shù)字壓力校準(zhǔn)儀或精密數(shù)字壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)器經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后，準(zhǔn)確度不受溫度影響，可在現(xiàn)場(chǎng)中使用。標(biāo)準(zhǔn)器與被校準(zhǔn)變送器和壓力連接管路構(gòu)建成校準(zhǔn)回路，見(jiàn)圖1。

在校準(zhǔn)回路中，為了克服大氣壓力波動(dòng)影響，增設(shè)了一個(gè)足夠體積的封閉容器為穩(wěn)壓氣室，由一點(diǎn)與大氣壓力連通，并通過(guò)閥門(mén)1 的自動(dòng)控制。在氣室內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與大氣壓力相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定壓力，作為微差壓的零點(diǎn)參考?jí)毫?，同時(shí)接入到標(biāo)準(zhǔn)器的大氣端和被校變送器的參考?jí)毫Χ耍M成一個(gè)封閉的零點(diǎn)參考?jí)毫π?zhǔn)回路，承受同一參考?jí)毫Γ纱耍瑯?biāo)準(zhǔn)器和被校變送器的零點(diǎn)參考?jí)毫Σ淮嬖诓町?。由于零點(diǎn)參考?jí)毫Φ男?zhǔn)回路是封閉系統(tǒng)，參考?jí)毫Σ皇芡獠繅毫Σ▌?dòng)影響，因此保證了校準(zhǔn)壓力的穩(wěn)定性。此時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)器與被校準(zhǔn)變送器的壓力輸入端，由校準(zhǔn)回路接入設(shè)定的控制壓力后，按照校準(zhǔn)要求，通過(guò)閥門(mén)2 的自動(dòng)控制，逐點(diǎn)施加壓力校準(zhǔn)，微差壓校準(zhǔn)過(guò)程比較穩(wěn)定。

2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的方案原理如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)器、壓力控制器、壓力泵、壓力控制閥及壓力設(shè)定輸入部分和系統(tǒng)控制軟件組成。

在構(gòu)建的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)器為數(shù)字壓力計(jì)，它是本系統(tǒng)的主要設(shè)備，除包括壓力測(cè)量校準(zhǔn)功能外，還包括模擬電信號(hào)測(cè)量、HART 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊功能。

校準(zhǔn)系統(tǒng)中，壓力控制及加壓功能由壓力控制器和壓力泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，在校準(zhǔn)中主要起到微差壓的產(chǎn)生及精確調(diào)節(jié)作用。該壓力控制器既可作為一種定值壓力控制器，用于對(duì)電動(dòng)壓力泵、壓力控制閥進(jìn)行反饋控制，快速準(zhǔn)確輸出設(shè)定壓力;還可作為一種程控壓力控制器，通過(guò)自身的校準(zhǔn)設(shè)定，程控壓力輸出，改變校準(zhǔn)壓力，對(duì)變送器實(shí)施逐點(diǎn)壓力校準(zhǔn)檢定，從而完成對(duì)變送器正反量程的校準(zhǔn)。

2.2 校準(zhǔn)方法

當(dāng)被校準(zhǔn)微差壓變送器接入校準(zhǔn)回路后，系統(tǒng)首先控制調(diào)節(jié)零點(diǎn)參考?jí)毫?，然后，由壓力設(shè)定輸入部件設(shè)定壓力值，由壓力控制器對(duì)壓力泵和閥門(mén)進(jìn)行壓力發(fā)生的控制，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)校準(zhǔn)回路的壓力進(jìn)行檢測(cè)，壓力檢測(cè)讀數(shù)以數(shù)字通訊方式傳輸給壓力控制器，控制器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，使校準(zhǔn)回路的壓力達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)壓力后，標(biāo)準(zhǔn)器再由電信號(hào)檢測(cè)功能，對(duì)變送器輸出4 ～20 mA 模擬電信號(hào)或HART 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)［1］，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的量值與標(biāo)準(zhǔn)量的差值比較，產(chǎn)生校準(zhǔn)結(jié)果，將變送器校準(zhǔn)結(jié)果傳輸給自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果的存儲(chǔ)處理，由此實(shí)現(xiàn)壓力變送器的自動(dòng)校準(zhǔn)。

2.3 校準(zhǔn)指標(biāo)

采用的標(biāo)準(zhǔn)器要與被校準(zhǔn)微差壓變送器的測(cè)量范圍及準(zhǔn)確度之相對(duì)應(yīng)，本系統(tǒng)采用的標(biāo)準(zhǔn)器其主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)

3 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的功能

與通常的壓力變送器校準(zhǔn)不同，本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅可對(duì)變送器輸出的4 ～20 mA 模擬電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)完成通常的壓力變送器校準(zhǔn);還可對(duì)智能變送器或現(xiàn)場(chǎng)總線變送器輸出的HART 現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)完成壓力變送器的HART 現(xiàn)場(chǎng)總線校準(zhǔn)。

另外，為了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)微差壓壓力開(kāi)關(guān)，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了壓力開(kāi)關(guān)的通斷測(cè)試功能。

HART 現(xiàn)場(chǎng)總線校準(zhǔn)中，可通過(guò)HART 現(xiàn)場(chǎng)總線命令對(duì)壓力變送器進(jìn)行程控操作，根據(jù)壓力變送器的校準(zhǔn)結(jié)果，對(duì)變送器的校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，通過(guò)對(duì)變送器輸出電流的調(diào)整、對(duì)變送器中傳感器的調(diào)整或D/A 模擬輸出的調(diào)整，使變送器的準(zhǔn)確度特征與校準(zhǔn)結(jié)果更相符合?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中，還可根據(jù)壓力變送器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用狀況，對(duì)變送器的校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，使壓力變送器的功能特性與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用更加符合。

本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，HART 命令程控操作與數(shù)字壓力標(biāo)準(zhǔn)器的有效結(jié)合，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)效率，使變送器在滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的前提下，提供的測(cè)量準(zhǔn)確度與標(biāo)準(zhǔn)器提供的校準(zhǔn)結(jié)果更加相符合。［2］例如:微差壓變送器在流量或流速測(cè)量中，要進(jìn)行流量下限截?cái)郘F Cut Off 設(shè)定調(diào)整;在液位或密度等現(xiàn)場(chǎng)使用中，需進(jìn)行微差壓測(cè)量上限URV 或下限LRV 的遷移調(diào)整，量程一旦發(fā)生變化后，之前對(duì)變送器進(jìn)行的常規(guī)校準(zhǔn)已失去作用，還要重復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，可利用HART 現(xiàn)場(chǎng)總線校準(zhǔn)功能，直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遷移操作的校準(zhǔn)，避免了變送器的重復(fù)校準(zhǔn)，提高了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作的效率，保證了變送器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和多種變送器的校準(zhǔn)應(yīng)用，我們構(gòu)建的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，克服了校準(zhǔn)回路的壓力波動(dòng)影響，提高了微差壓變送器檢定校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，增加了智能變送器和HART 現(xiàn)場(chǎng)總線變送器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)功能。

校準(zhǔn)系統(tǒng)配置的校準(zhǔn)軟件，不但包含了校準(zhǔn)任務(wù)設(shè)定功能，還可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、表格生成、數(shù)據(jù)修約、示值誤差計(jì)算等數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高和測(cè)量功能多等特點(diǎn)。校準(zhǔn)系統(tǒng)可攜帶至現(xiàn)場(chǎng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中具有實(shí)用意義。

［1］馬海峰. 介紹一種微差壓變送器的電路接續(xù)控制［J］. 中國(guó)建材裝備，2001 (1):34 －35.

［2］潘曉峰. 差壓變送器在超微壓時(shí)精度及誤差［J］. 華章，2011 (12):314.