電動差壓變送器綜合實驗臺的研制與應用

關長輝

摘 要：文章通過對《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》和《中華人民共和國海船船員適任考試評估規范》中輪機員評估科目 “電氣與自動控制”中的項目7.1“電動差壓變送器的使用操作與調整” 中的相關要求進行研究，結合《中華人民共和國船員培訓管理規則》中關于申請輪機員培訓場地設施的相關要求設計出適合輪機工程技術專業高中學生使用的“電動差壓變送器實訓臺”。該實驗臺既能滿足“大綱”和“管理規則”的相關要求，又能應用于“輪機自動化”和“船舶輔機”的部分章節的實際教學過程，通過實訓增進學生對于專業知識的理解，提高學生的實踐技能，重點強調對學生的能力培養。

關鍵詞：考試大綱；評估規范；管理規則；差壓變送器；能力培養

國際海事組織2010年通過了《STCW公約馬尼拉修正案》，新的STCW公約和STCW規則將于2012年生效，過渡期為5年。中華人民共和國海事局根據新版STCW公約要求于2011年12月27日發布了《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》，“規則”發布后國家海事局于2012年相繼印發了《中華人民共和國海船船員適任考試大綱》和《中華人民共和國海船船員適任考試評估規范》。新版“考試大綱”和“評估規范”對于三管輪的培訓項目中增加了關于自動化知識的要求，“電動差壓變送器的測量與調節”是主推進動力裝置功率750kW及以上二/三管輪的評估必考內容。評估要素包括：（1）氣路或電路鏈接；（2）差壓變送器調零；（3）差壓變送器量程的調整，基于以上要求電動差壓變送器的測量操作成為輪機工程技術專業學生必須掌握的內容。

1 研究意義

隨著科技水平的不斷提高，現代化船舶也向著更加智能化的方向發展，尤其輪機設備對于自動控制的要求不斷增高，自動化設備在現代船舶中扮演著越來越重要的角色。這就要求我們現代的輪機員要掌握更多的自動化知識，本試驗臺正是針對現代化船舶中比較典型的自動化控制元件——電動差壓變送器的實際應用所設計的，對于提高輪機工程技術專業學生輪機自動化相關知識的實際動手能力有著重要意義。自動化儀表是電氣工程自動化控制的一個專業門類有著一定的重要性和特殊性。

2 差壓變送器原理

差壓變送器可以用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將其轉變成4～20mA DC信號輸出。目前在船舶機艙中主要以電容式電動差壓變送器為主。測量部件的作用是把被測壓差ΔP轉換成電容量的變化，其核心是差動電容敏感元件。差動電容敏感元件包括中心感壓片（可動電極），電極引線，正壓測、負壓測隔離膜片和基體等，如圖1所示。感壓片與其兩邊的弧形電極形成電容Ci1和Ci2，無差壓輸入時，Ci1=Ci2。來自兩側導壓管的差壓，直接作用于變送器傳感器兩側隔離膜片上，通過膜片內的密封液傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的信號傳遞給轉換器，經過放大等處理變為標準電信號輸出。

3 試驗臺設計方案

3.1 氣路測量系統

本實驗臺主要供學生研究以下內容：（1）差壓變送器氣路和電路系統組成；（2）差壓變送器調整；（3）船用鍋爐（模擬）水位自動調節方法。實驗臺設計兩套系統：氣路測量系統和模擬鍋爐補水系統。如圖2所示，氣路系統主要包括氣源、空氣處理單元和測量校調單元。氣源選用小型空壓機配上容量相符的空氣瓶，空氣瓶的壓力由壓力繼電器反饋到空壓機的開關進行雙位控制，以保持空氣瓶內始終存有一定壓力的空氣。空氣處理單元壓縮空氣經過空氣濾器進行過濾凈化以防空氣中的雜質進入系統中，凈化過得空氣經過減壓閥進行減壓來為系統提供壓力穩定的空氣供入系統氣源壓力總閥，壓縮空氣經過壓力總閥后被分為兩路經過階躍開關分別送入到壓差變送器。通過階躍開關調整兩側壓力，當壓力表1和壓力表2顯示氣壓相等時電流表應該顯示4mA，當兩側壓差達到設置最大量程時電流表應該顯示20mA，當測量值不在4～20mA的范圍內時可以通過調節旋鈕來進行調節，這樣就可以對差壓變送器進行量程的設定和校對。通過連接氣路和調節量程使學生更直觀的感受到壓力信號是如何變為電信號的。另外制造氣源的小型空壓機也是采用雙位控制的，與實船相似，學生也可以學習一些空壓機卸載起動等相關知識。氣路部分雖然已經很完善，不過這部分是開環系統并沒有形成真正的反饋閉環回路，所以在本實驗臺上我們又加裝了模擬鍋爐補水系統。

3.2 模擬鍋爐補水系統

要完成電動差壓變送器的反饋試驗可以選用多種系統，本設計選用的模擬鍋爐補水系統，與實船鍋爐補水系統原理一致。此法簡便易行，而且直觀，尤其對初學者了解差壓法測量液位的工作原理很有幫助，并還可在教中應用。根據流體靜力學，由被測對象液柱的靜壓力，就可判斷液位的高低。而靜壓力可用差壓計等儀表把它檢測出來。液位與差壓有如下關系：H=△P/ρ。當液體密度恒定時，測出差壓就可知道液位高度，而與液體容積無關，或者說知道了液體高度，也就知道了差壓，即△P=ρH。模擬校驗法就是基于上述原理進行的。現以校驗水位計為例，介紹一下具體方法，校驗裝置及接線如圖3所示。

制作一個模擬鍋爐，在模擬鍋爐上由上至下分別安裝兩個管路，這兩根管路接到電動差壓變送器的兩端，由圖3可知，如果鍋爐水位低于H1時由于不受液體壓力所以P1=P2差壓變送器兩端的壓差為零，所對應的電流應該是4mA。當液位上升時隨著△H不斷增大△P越來越大所對應的電流值也在增大，當液面到達H2時△P值最大△P=P2-P1=ρg（H2-H1），這時差壓變送器的輸出電流應為20mA，從圖中可以看出（H2-H1）是定值，所以即使液面進一步上升△P也會保持不變。這樣我們就可以通過設置差壓變送器的量程把鍋爐的水位控制在H1和H2之間。當液面下降到H1時差壓變送器輸出的電信號為4mA，此電信號將控制起動水泵給鍋爐補水，補水的過程中△P不斷增大電流也不斷增大，在鍋爐水位到達H2壓差到達最大值，輸出的電信號為20mA，此電信號使水泵停止供水。這樣就實現了鍋爐水位的雙位控制。在此過程中通過觀察液位表的高度與輸出電流之間的關系可以很直觀的看出，液位在最低值和最高值時，所對應的電流也在4mA-20mA之間變化，只要設定量程我們就可以把最高液位控制在H1到H2之間的任何位置。

4 結束語

電動差壓變送器綜合試驗臺包含了輪機自動化常用到的電、氣、液控制，與船上實物貼合度極高，理論與實踐結合度高，可以做到寓教于樂，如果此項目最終成型能夠很大程度上解決我校輪機學生自動化學習困難的問題。可以應用在“輪機自動化”“船舶輔機”“電氣與自動控制實訓”等相關課程的教學過程中。

參考文獻

[1]中華人民共和國海事局.1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約馬尼拉修正案[M].大連海事大學出版社，2010.

[2]中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任評估規范[M].大連海事大學出版社，2012.

[3]中國海事服務中心.船舶電氣與自動化（船舶自動化）[M].大連海事大學出版社，2012.

[4]李永斌.淺析差壓變送器原理及其應用[J].吉林奇峰化纖股份有限責任公司，2011（12）.