一种微差压变送器自动校准系统

2013-12-10刘世疆宏岩张凡波

计测技术 2013年1期

刘世疆，宏岩，张凡波

(1. 新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000;2. 中国天然气股份有限公司长庆油田分公司，陕西西安710026;3. 辽阳石化分公司生产监测部，辽宁辽阳111003)

0 引言

在压力测量中，微差压测量校准是最为困难的，也是近年来发展最快的技术领域之一。主要应用于工业现场中的流量、液位、密度和流速等工业参量的自动化测量与控制，具有广泛需求，因此，微差压变送器获得了广泛应用。具有现场总线通讯功能的微差压变送器在自动化控制系统的普及应用，高准确度微差压变送器的现场应用，使得微差压测量能够为工业自动化过程提供可靠的测量结果和测量信息，同时，也促进了微差压测量校准技术进展。

由于微小压力的波动性和新型微差压变送器的复杂性，目前微差压变送器的校准存在以下问题:①由于微差压的压力范围很小，测量校准过程中，易受到大气压力或其它压力波动的影响;②微差压压力标准器的准确度在工业现场中不易实现和保证;③现场总线通讯功能的应用，需要采用现场总线技术进行校准;④仪表设备的维护管理，需要提高校准效率，采用新技术实现自动化校准。

为此，我们进行了多年研究，构建了以零点参考压力为准的微差压校准回路系统，给出了实现微差压校准的方法，并采用自动控制技术和数字压力校验技术，建立了一套压力自动校准系统，可对微差压变送器进行自动化校准，较好地解决了上述问题。

1 微差压校准回路

在对微差压变送器进行校准时，由于微压标准器(如补偿式微压计)在现场中使用不易保证准确度，为了限定温度影响，通常对微差压变送器的校准是在恒温室进行，校准时标准器和被校变送器分别以大气压力作为参考零点，但恒温室的风量会对大气压力产生波动，使校准不稳定。因此，为了克服波动影响，通常在达到恒定温度时，将恒温室的通风关断后，再在恒温室进行校准，校准工作繁琐。另外，校准时标准器和被校变送器分别接入大气压力的位置不同，也将产生微小压力的差异，相对微差压而言，表现为零点参考压力不一致，校准条件不易保证。有时实验室校准与现场校准的实际需求存在差异。微差压变送器校准回路方案示意图如图1 所示。

图1 校准回路方案原理图

为满足微差压变送器现场校准的实际需求，我们提出的微差压校准方法，以数字压力校准仪或精密数字压力表作为标准器，标准器经过温度补偿后，准确度不受温度影响，可在现场中使用。标准器与被校准变送器和压力连接管路构建成校准回路，见图1。

在校准回路中，为了克服大气压力波动影响，增设了一个足够体积的封闭容器为稳压气室，由一点与大气压力连通，并通过阀门1 的自动控制。在气室内产生一个与大气压力相当的稳定压力，作为微差压的零点参考压力，同时接入到标准器的大气端和被校变送器的参考压力端，组成一个封闭的零点参考压力校准回路，承受同一参考压力，由此，标准器和被校变送器的零点参考压力不存在差异。由于零点参考压力的校准回路是封闭系统，参考压力不受外部压力波动影响，因此保证了校准压力的稳定性。此时，将标准器与被校准变送器的压力输入端，由校准回路接入设定的控制压力后，按照校准要求，通过阀门2 的自动控制，逐点施加压力校准，微差压校准过程比较稳定。

2 自动校准系统

2.1 结构组成

自动校准系统的方案原理如图2 所示。

图2 自动校准系统原理图

自动校准系统主要由标准器、压力控制器、压力泵、压力控制阀及压力设定输入部分和系统控制软件组成。

在构建的自动校准系统中，标准器为数字压力计，它是本系统的主要设备，除包括压力测量校准功能外，还包括模拟电信号测量、HART 现场总线通讯、测量数据存储和计算机数字通讯功能。

校准系统中，压力控制及加压功能由压力控制器和压力泵来实现，在校准中主要起到微差压的产生及精确调节作用。该压力控制器既可作为一种定值压力控制器，用于对电动压力泵、压力控制阀进行反馈控制，快速准确输出设定压力;还可作为一种程控压力控制器，通过自身的校准设定，程控压力输出，改变校准压力，对变送器实施逐点压力校准检定，从而完成对变送器正反量程的校准。

2.2 校准方法

当被校准微差压变送器接入校准回路后，系统首先控制调节零点参考压力，然后，由压力设定输入部件设定压力值，由压力控制器对压力泵和阀门进行压力发生的控制，并通过标准器对校准回路的压力进行检测，压力检测读数以数字通讯方式传输给压力控制器，控制器根据标准器的检测数据，进行自动反馈调节，使校准回路的压力达到设定标准压力后，标准器再由电信号检测功能，对变送器输出4 ～20 mA 模拟电信号或HART 现场总线数字信号进行检测［1］，通过检测信号的量值与标准量的差值比较，产生校准结果，将变送器校准结果传输给自动校准系统，进行校准结果的存储处理，由此实现压力变送器的自动校准。

2.3 校准指标

采用的标准器要与被校准微差压变送器的测量范围及准确度之相对应，本系统采用的标准器其主要技术指标如表1 所示。

表1 标准器的技术指标

3 自动校准系统的功能

与通常的压力变送器校准不同，本自动校准系统不仅可对变送器输出的4 ～20 mA 模拟电信号进行检测校准，实现完成通常的压力变送器校准;还可对智能变送器或现场总线变送器输出的HART 现场总线数字信号进行检测，实现完成压力变送器的HART 现场总线校准。

另外，为了现场校准微差压压力开关，本系统还设计了压力开关的通断测试功能。

HART 现场总线校准中，可通过HART 现场总线命令对压力变送器进行程控操作，根据压力变送器的校准结果，对变送器的校准状态进行设定和调整，通过对变送器输出电流的调整、对变送器中传感器的调整或D/A 模拟输出的调整，使变送器的准确度特征与校准结果更相符合。现场校准中，还可根据压力变送器的现场应用状况，对变送器的校准状态进行设定和调整，使压力变送器的功能特性与现场实际应用更加符合。

本自动校准系统中，HART 命令程控操作与数字压力标准器的有效结合，大大提高了现场校准效率，使变送器在满足现场应用的前提下，提供的测量准确度与标准器提供的校准结果更加相符合。［2］例如:微差压变送器在流量或流速测量中，要进行流量下限截断LF Cut Off 设定调整;在液位或密度等现场使用中，需进行微差压测量上限URV 或下限LRV 的迁移调整，量程一旦发生变化后，之前对变送器进行的常规校准已失去作用，还要重复进行现场校准。本自动校准系统，可利用HART 现场总线校准功能，直接进行现场迁移操作的校准，避免了变送器的重复校准，提高了现场校准工作的效率，保证了变送器现场应用的准确性。