电容式差压变送器的静压影响及修正

王武士 张建平

（中核核电运行管理有限公司 浙江海盐）

一、引言

变送器按测量方式主要分为压力、差压、绝压变送器，按测量原理主要分为电容式、电感式和扩散硅式变送器，其中电感式变送器由于测量误差大、抗干扰性差等缺点，现在应用较少，扩散硅式变送器测量精度高、稳定性好，在各行业已经大量使用，但由于硅晶体对射线敏感，在放射性区域的应用受到限制，而电容式变送器其特性能满足复杂工况的需求，精度也较高，所以目前应用广泛，尤其在核电厂的特殊工艺系统中，核级变送器大多选择都是电容式变送器。电容式差压变送器在生产工艺系统运行过程中，几乎都会受到静压的影响，当运行工况的静压超过一定值时，其静压影响的误差将超过变送器本身的精度，对测量通道进行通道精度计算时，如果加入静压影响误差，则可能无法满足通道精度要求，因此电容式差压变送器校验时必须对静压影响进行修正。

二、电容式差压变送器的基本原理

电容式差压变送器主要由检测部分和转换部分组成，其原理方框图见图1。

图1 原理方框图

检测部分的主要部件为测量元件。测量元件的结构见图2，工作原理见图3。

有预张力的中心膜片作为可动极板，和两侧固定的弧形极板形成电容CL和CH。被测压力P1和P2分别加在两外侧的隔离膜片上，经腔内所充液体传递到中心膜片的两侧。当P1=P2时，中心膜片在中心位置，CH=CL；当 P1≠P2时，中心膜片产生位移Δd，使中心膜片与两侧固定极板的距离不等，CH≠CL；从而实现差压-位移-电容量的转换，转换部分原理图如图4。

图2 测量元件结构

图3 工作原理

图4 转换部分原理图

三、电容式差压变送器静压对零点的影响

1.静压对零点的影响的原因

根据电容式差压变送器的原理可以看出，当两边加上相等的压力时，即当P1=P2时，理论上应该输出为零，但由于实际的组装工艺，敏感元件高压室和低压室两边的元件不对称、充液体积、绝缘体受力以及焊接引起中心膜片偏心等因素造成零位误差。

2.静压对零点的影响的消除

静压对零点的影响，出现正误差或者负误差是随机的，但对于每一台变送器其大小和方向是固定的，具有重复性。静压对零点的影响误差可通过在变送器双腔施加静压作用下，重新调整调零电位器来消除。

四、电容式差压变送器静压对量程的影响

1.静压对量程的影响的原因

根据电容式差压变送器的原理可以看出，当有静压作用到敏感元件时，由于中心膜片张紧力增加，造成中心膜片位移减少，产生静压量程误差。量程误差是系统的，可重复的和基本线性的。

2.静压对量程的影响的消除

静压对量程的误差可以通过经验公式法或者静压设备标定方法进行修正。

（1）经验公式法。经验公式法是靠一定量的经验数据积累推理而出的，对于不同量程和不同膜片材料，静压对量程影响的变化量是不同的，计算公式见式（1）。

量程下限的静压量程变化修正量△IZ。

式中Pz——给定量程规格变送器的差压量程下限值

Ps——给定量程规格变送器的差压量程上限值

P0——给定量程规格变送器的静压

量程上限的静压量程变化修正量△IS式（2）。

量程下限的对应输出电流应由4 mA修正为Iz。

量程上限的对应输出电流应由20 mA修正为IS。

公式（1）和公式（2）中的K是每10 MPa的静压对量程变化影响的修正因子。

（2）静压设备标定法。静压标定设备主要包括加静压系统设备、加差压系统设备以及自动控制系统和相关的阀门组成。其基本原理图如图5。

图5只是一个简化的工作原理图，通过计算机控制静压回路和差压回路阀门的开启或闭合，来实现静压和差压的叠加。其中加差压设备最为关键，精度要求较高，尤其是高静压微差压的变送器，这也是目前国内的静压标定设备的主要技术难点之一，目前国内尚未有全自动的变送器静压标定设备。

（3）静压修正因子K。目前国内变送器的静压修正因子一般是靠一定量的经验数据积累推理而出的，以光华变送器为例，根据膜片材料、量程范围，经过多次的数据试验，反推静压影响的规律，推算出静压量程变化修正因子，以上海光华的316L膜片为例，静压修正因子见表1。

国外供货商EMERSON具备全自动的带静压标定设备，可以根据用户需求，批量提供静压修正后的变送器，这种操作方法最为精确，但如果量程或者实际静压值有所改变，在现场不具备带静压标定的情况下，就必须通过公式法进行重新修正，所以，为方便现场使用，修正因子还是需要计算和提供，以3RCP109MP为例，测量范围0～2.76 MPa，标定静压16.55 MPa（2400 psi）。

图5 静压标定设备基本原理图

表1 CECC型差压变送器静压量程变化修正因子

第一步：首先将变送器进行带静压标定，数值如表2。

表2 3RCP109MP带静压标定数据

第二步：撤去静压后，测量变送器的输出值，数值见表3。

表3 3RCP109MP撤去静压后测量数据

第三步：计算修正因子式（5）。

式中A，B，C，D取表2、表3中的数值，得出K=0.61%。

（4）经验公式法的具体实施步骤。按变送器的量程分布，共两种：一种量程无迁移；另一种为有量程迁移。有量程迁移的又包括量程正迁移和量程负迁移，量程正迁移和量程负迁移的变送器的修正方法基本一样，下面就以量程负迁移为例说明这两种变送器静压变化的修正方法：

第一步：计算静压量程变化的修正值：

根据公式（1）～（4），分别计算变送器在输入量程下限和量程上限时的静压量程变化修正值。

第二步：测试变送器在P0静压下的零位误差。先将负迁移的变送器调回至0～（Ps-Pz）量程，即取消负迁移，0输入时变送器输出为4 mA；（Ps-Pz）输入时变送器输出调整为20 mA；

对变送器双腔同时施加静压P0，观察变送器零位输出，记录I0；计算变送器静压零位误差修正值ΔI0；卸去静压P0。

第三步：在无静压条件下修正变送器静压量程变化。将变送器负迁移至（Pz～Ps）；对变送器输入量程下限值Pz，通过调整变送器调零电位器，将其输出调整为IzmA；对变送器输入量程上限值Ps，通过调整变送器量程电位器，将其输出调整为IsmA；重新微调和复校，使变送器输出为Iz～Is（mA）。

第四步：修正变送器静压零位误差。按上述第三步，在无静压条件下，对变送器输入量程下限值Pz，通过调整变送器调零电位器，将其输出调整为Iz+I0，注意不可以再调整变送器量程电位器。至此变送器的静压零位误差和静压量程误差均得到修正。

3.秦二扩电容式差压变送器的管理

（1）秦二扩电容式差压变送器主要由上海光华仪表有限公司和美国罗斯蒙特两家公司供货，通过对两家供货商的技术分析来看，目前国内电容式差压变送器可以通过搭建静压标定平台，对设备进行静压标定，但由于自动化程度不高，且试验时受到人为的影响因素较多，校验速度慢，精度方面也不是很高，很难实现对变送器的批量校验，所以目前国内的生产厂家主要还是利用经验公式进行静压误差的修正。

（2）罗斯蒙特具有全自动的静压标定设备，这是目前消除静压影响的最佳办法，但是设备到达现场或者运行以后，在现场不具备带静压标定的情况下，需要注意以下问题：一是变送器在安装前如果需要对变送器进行校验，只能按照厂家提供的撤掉静压后的测试数据进行验证，否则出厂时进行的静压标定将被恢复；二是如果实际运行工况的静压或者量程有变，在不具备返厂的情况下，必须使用公式法进行修正。三是机组运行后备件的采购管理可以区分对待，对于精度要求较高的专用备件，可以根据设计静压，在设备出厂时即完成静压修正；对于可以用于多个设备上的备件，为节省费用，无法按照具体某个设备的静压值和量程在出厂时完成静压修正的，可以根据实际的量程，利用计算出的静压修正因子，用公式法完成标定。

（3）现场用户对变送器静压消除的管理要求，由于需要对每台表进行静压消除，所以每台表的测量量程不再是简单的节流装置（或液位差压）对应差压的计算量程，每台表（或每一量程系列）具有自己特殊的个性量程，这给现场维护管理带来一定的难度，用户需要建立每台表自己的特殊量程档案用于现场校验，且校验时必需严格按规程和每台表的静压修正量进行校验。

（4）对于电容式差压变送器而言，静压对其的影响是由其设计结构决定的，因此是系统的，需要通过外部手段进行修正。而扩散硅式变送器从设计原理和设计结构上很好的解决了静压影响的问题，虽然这种结构和设计原理的变送器目前尚没有核级设备，但是这种设计思路为核级差压变送器的静压影响误差消除提供了一种参考方法。