一種微差壓變送器自動校準系統

劉世疆，宏巖，張凡波

(1. 新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依834000;2. 中國天然氣股份有限公司長慶油田分公司，陜西西安710026;3. 遼陽石化分公司生產監測部，遼寧 遼陽111003)

0 引言

在壓力測量中，微差壓測量校準是最為困難的，也是近年來發展最快的技術領域之一。主要應用于工業現場中的流量、液位、密度和流速等工業參量的自動化測量與控制，具有廣泛需求，因此，微差壓變送器獲得了廣泛應用。具有現場總線通訊功能的微差壓變送器在自動化控制系統的普及應用，高準確度微差壓變送器的現場應用，使得微差壓測量能夠為工業自動化過程提供可靠的測量結果和測量信息，同時，也促進了微差壓測量校準技術進展。

由于微小壓力的波動性和新型微差壓變送器的復雜性，目前微差壓變送器的校準存在以下問題:①由于微差壓的壓力范圍很小，測量校準過程中，易受到大氣壓力或其它壓力波動的影響;②微差壓壓力標準器的準確度在工業現場中不易實現和保證;③現場總線通訊功能的應用，需要采用現場總線技術進行校準;④儀表設備的維護管理，需要提高校準效率，采用新技術實現自動化校準。

為此，我們進行了多年研究，構建了以零點參考壓力為準的微差壓校準回路系統，給出了實現微差壓校準的方法，并采用自動控制技術和數字壓力校驗技術，建立了一套壓力自動校準系統，可對微差壓變送器進行自動化校準，較好地解決了上述問題。

1 微差壓校準回路

在對微差壓變送器進行校準時，由于微壓標準器(如補償式微壓計)在現場中使用不易保證準確度，為了限定溫度影響，通常對微差壓變送器的校準是在恒溫室進行，校準時標準器和被校變送器分別以大氣壓力作為參考零點，但恒溫室的風量會對大氣壓力產生波動，使校準不穩定。因此，為了克服波動影響，通常在達到恒定溫度時，將恒溫室的通風關斷后，再在恒溫室進行校準，校準工作繁瑣。另外，校準時標準器和被校變送器分別接入大氣壓力的位置不同，也將產生微小壓力的差異，相對微差壓而言，表現為零點參考壓力不一致，校準條件不易保證。有時實驗室校準與現場校準的實際需求存在差異。微差壓變送器校準回路方案示意圖如圖1 所示。

圖1 校準回路方案原理圖

為滿足微差壓變送器現場校準的實際需求，我們提出的微差壓校準方法，以數字壓力校準儀或精密數字壓力表作為標準器，標準器經過溫度補償后，準確度不受溫度影響，可在現場中使用。標準器與被校準變送器和壓力連接管路構建成校準回路，見圖1。

在校準回路中，為了克服大氣壓力波動影響，增設了一個足夠體積的封閉容器為穩壓氣室，由一點與大氣壓力連通，并通過閥門1 的自動控制。在氣室內產生一個與大氣壓力相當的穩定壓力，作為微差壓的零點參考壓力，同時接入到標準器的大氣端和被校變送器的參考壓力端，組成一個封閉的零點參考壓力校準回路，承受同一參考壓力，由此，標準器和被校變送器的零點參考壓力不存在差異。由于零點參考壓力的校準回路是封閉系統，參考壓力不受外部壓力波動影響，因此保證了校準壓力的穩定性。此時，將標準器與被校準變送器的壓力輸入端，由校準回路接入設定的控制壓力后，按照校準要求，通過閥門2 的自動控制，逐點施加壓力校準，微差壓校準過程比較穩定。

2 自動校準系統

2.1 結構組成

自動校準系統的方案原理如圖2 所示。

圖2 自動校準系統原理圖

自動校準系統主要由標準器、壓力控制器、壓力泵、壓力控制閥及壓力設定輸入部分和系統控制軟件組成。

在構建的自動校準系統中，標準器為數字壓力計，它是本系統的主要設備，除包括壓力測量校準功能外，還包括模擬電信號測量、HART 現場總線通訊、測量數據存儲和計算機數字通訊功能。

校準系統中，壓力控制及加壓功能由壓力控制器和壓力泵來實現，在校準中主要起到微差壓的產生及精確調節作用。該壓力控制器既可作為一種定值壓力控制器，用于對電動壓力泵、壓力控制閥進行反饋控制，快速準確輸出設定壓力;還可作為一種程控壓力控制器，通過自身的校準設定，程控壓力輸出，改變校準壓力，對變送器實施逐點壓力校準檢定，從而完成對變送器正反量程的校準。

2.2 校準方法

當被校準微差壓變送器接入校準回路后，系統首先控制調節零點參考壓力，然后，由壓力設定輸入部件設定壓力值，由壓力控制器對壓力泵和閥門進行壓力發生的控制，并通過標準器對校準回路的壓力進行檢測，壓力檢測讀數以數字通訊方式傳輸給壓力控制器，控制器根據標準器的檢測數據，進行自動反饋調節，使校準回路的壓力達到設定標準壓力后，標準器再由電信號檢測功能，對變送器輸出4 ～20 mA 模擬電信號或HART 現場總線數字信號進行檢測［1］，通過檢測信號的量值與標準量的差值比較，產生校準結果，將變送器校準結果傳輸給自動校準系統，進行校準結果的存儲處理，由此實現壓力變送器的自動校準。

2.3 校準指標

采用的標準器要與被校準微差壓變送器的測量范圍及準確度之相對應，本系統采用的標準器其主要技術指標如表1 所示。

表1 標準器的技術指標

3 自動校準系統的功能

與通常的壓力變送器校準不同，本自動校準系統不僅可對變送器輸出的4 ～20 mA 模擬電信號進行檢測校準，實現完成通常的壓力變送器校準;還可對智能變送器或現場總線變送器輸出的HART 現場總線數字信號進行檢測，實現完成壓力變送器的HART 現場總線校準。

另外，為了現場校準微差壓壓力開關，本系統還設計了壓力開關的通斷測試功能。

HART 現場總線校準中，可通過HART 現場總線命令對壓力變送器進行程控操作，根據壓力變送器的校準結果，對變送器的校準狀態進行設定和調整，通過對變送器輸出電流的調整、對變送器中傳感器的調整或D/A 模擬輸出的調整，使變送器的準確度特征與校準結果更相符合?，F場校準中，還可根據壓力變送器的現場應用狀況，對變送器的校準狀態進行設定和調整，使壓力變送器的功能特性與現場實際應用更加符合。

本自動校準系統中，HART 命令程控操作與數字壓力標準器的有效結合，大大提高了現場校準效率，使變送器在滿足現場應用的前提下，提供的測量準確度與標準器提供的校準結果更加相符合。［2］例如:微差壓變送器在流量或流速測量中，要進行流量下限截斷LF Cut Off 設定調整;在液位或密度等現場使用中，需進行微差壓測量上限URV 或下限LRV 的遷移調整，量程一旦發生變化后，之前對變送器進行的常規校準已失去作用，還要重復進行現場校準。本自動校準系統，可利用HART 現場總線校準功能，直接進行現場遷移操作的校準，避免了變送器的重復校準，提高了現場校準工作的效率，保證了變送器現場應用的準確性。

4 結語

通過長期現場應用和多種變送器的校準應用，我們構建的自動校準系統，克服了校準回路的壓力波動影響，提高了微差壓變送器檢定校準的準確度，增加了智能變送器和HART 現場總線變送器的現場校準功能。

校準系統配置的校準軟件，不但包含了校準任務設定功能，還可自動進行數據記錄、表格生成、數據修約、示值誤差計算等數據處理。該系統具有測量準確度高和測量功能多等特點。校準系統可攜帶至現場，在工業現場中具有實用意義。

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

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