电动差压变送器综合实验台的研制与应用

关长辉

摘 要：文章通过对《中华人民共和国海船船员适任考试大纲》和《中华人民共和国海船船员适任考试评估规范》中轮机员评估科目 “电气与自动控制”中的项目7.1“电动差压变送器的使用操作与调整” 中的相关要求进行研究，结合《中华人民共和国船员培训管理规则》中关于申请轮机员培训场地设施的相关要求设计出适合轮机工程技术专业高中学生使用的“电动差压变送器实训台”。该实验台既能满足“大纲”和“管理规则”的相关要求，又能应用于“轮机自动化”和“船舶辅机”的部分章节的实际教学过程，通过实训增进学生对于专业知识的理解，提高学生的实践技能，重点强调对学生的能力培养。

关键词：考试大纲；评估规范；管理规则；差压变送器；能力培养

国际海事组织2010年通过了《STCW公约马尼拉修正案》，新的STCW公约和STCW规则将于2012年生效，过渡期为5年。中华人民共和国海事局根据新版STCW公约要求于2011年12月27日发布了《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》，“规则”发布后国家海事局于2012年相继印发了《中华人民共和国海船船员适任考试大纲》和《中华人民共和国海船船员适任考试评估规范》。新版“考试大纲”和“评估规范”对于三管轮的培训项目中增加了关于自动化知识的要求，“电动差压变送器的测量与调节”是主推进动力装置功率750kW及以上二/三管轮的评估必考内容。评估要素包括：（1）气路或电路链接；（2）差压变送器调零；（3）差压变送器量程的调整，基于以上要求电动差压变送器的测量操作成为轮机工程技术专业学生必须掌握的内容。

1 研究意义

随着科技水平的不断提高，现代化船舶也向着更加智能化的方向发展，尤其轮机设备对于自动控制的要求不断增高，自动化设备在现代船舶中扮演着越来越重要的角色。这就要求我们现代的轮机员要掌握更多的自动化知识，本试验台正是针对现代化船舶中比较典型的自动化控制元件——电动差压变送器的实际应用所设计的，对于提高轮机工程技术专业学生轮机自动化相关知识的实际动手能力有着重要意义。自动化仪表是电气工程自动化控制的一个专业门类有着一定的重要性和特殊性。

2 差压变送器原理

差压变送器可以用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4～20mA DC信号输出。目前在船舶机舱中主要以电容式电动差压变送器为主。测量部件的作用是把被测压差ΔP转换成电容量的变化，其核心是差动电容敏感元件。差动电容敏感元件包括中心感压片（可动电极），电极引线，正压测、负压测隔离膜片和基体等，如图1所示。感压片与其两边的弧形电极形成电容Ci1和Ci2，无差压输入时，Ci1=Ci2。来自两侧导压管的差压，直接作用于变送器传感器两侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，测量元件将测得的差压信号转换为与之对应的信号传递给转换器，经过放大等处理变为标准电信号输出。

3 试验台设计方案

3.1 气路测量系统

本实验台主要供学生研究以下内容：（1）差压变送器气路和电路系统组成；（2）差压变送器调整；（3）船用锅炉（模拟）水位自动调节方法。实验台设计两套系统：气路测量系统和模拟锅炉补水系统。如图2所示，气路系统主要包括气源、空气处理单元和测量校调单元。气源选用小型空压机配上容量相符的空气瓶，空气瓶的压力由压力继电器反馈到空压机的开关进行双位控制，以保持空气瓶内始终存有一定压力的空气。空气处理单元压缩空气经过空气滤器进行过滤净化以防空气中的杂质进入系统中，净化过得空气经过减压阀进行减压来为系统提供压力稳定的空气供入系统气源压力总阀，压缩空气经过压力总阀后被分为两路经过阶跃开关分别送入到压差变送器。通过阶跃开关调整两侧压力，当压力表1和压力表2显示气压相等时电流表应该显示4mA，当两侧压差达到设置最大量程时电流表应该显示20mA，当测量值不在4～20mA的范围内时可以通过调节旋钮来进行调节，这样就可以对差压变送器进行量程的设定和校对。通过连接气路和调节量程使学生更直观的感受到压力信号是如何变为电信号的。另外制造气源的小型空压机也是采用双位控制的，与实船相似，学生也可以学习一些空压机卸载起动等相关知识。气路部分虽然已经很完善，不过这部分是开环系统并没有形成真正的反馈闭环回路，所以在本实验台上我们又加装了模拟锅炉补水系统。

3.2 模拟锅炉补水系统

要完成电动差压变送器的反馈试验可以选用多种系统，本设计选用的模拟锅炉补水系统，与实船锅炉补水系统原理一致。此法简便易行，而且直观，尤其对初学者了解差压法测量液位的工作原理很有帮助，并还可在教中应用。根据流体静力学，由被测对象液柱的静压力，就可判断液位的高低。而静压力可用差压计等仪表把它检测出来。液位与差压有如下关系：H=△P/ρ。当液体密度恒定时，测出差压就可知道液位高度，而与液体容积无关，或者说知道了液体高度，也就知道了差压，即△P=ρH。模拟校验法就是基于上述原理进行的。现以校验水位计为例，介绍一下具体方法，校验装置及接线如图3所示。

制作一个模拟锅炉，在模拟锅炉上由上至下分别安装两个管路，这两根管路接到电动差压变送器的两端，由图3可知，如果锅炉水位低于H1时由于不受液体压力所以P1=P2差压变送器两端的压差为零，所对应的电流应该是4mA。当液位上升时随着△H不断增大△P越来越大所对应的电流值也在增大，当液面到达H2时△P值最大△P=P2-P1=ρg（H2-H1），这时差压变送器的输出电流应为20mA，从图中可以看出（H2-H1）是定值，所以即使液面進一步上升△P也会保持不变。这样我们就可以通过设置差压变送器的量程把锅炉的水位控制在H1和H2之间。当液面下降到H1时差压变送器输出的电信号为4mA，此电信号将控制起动水泵给锅炉补水，补水的过程中△P不断增大电流也不断增大，在锅炉水位到达H2压差到达最大值，输出的电信号为20mA，此电信号使水泵停止供水。这样就实现了锅炉水位的双位控制。在此过程中通过观察液位表的高度与输出电流之间的关系可以很直观的看出，液位在最低值和最高值时，所对应的电流也在4mA-20mA之间变化，只要设定量程我们就可以把最高液位控制在H1到H2之间的任何位置。

4 结束语

电动差压变送器综合试验台包含了轮机自动化常用到的电、气、液控制，与船上实物贴合度极高，理论与实践结合度高，可以做到寓教于乐，如果此项目最终成型能够很大程度上解决我校轮机学生自动化学习困难的问题。可以应用在“轮机自动化”“船舶辅机”“电气与自动控制实训”等相关课程的教学过程中。

参考文献

[1]中华人民共和国海事局.1978年海员培训、发证和值班标准国际公约马尼拉修正案[M].大连海事大学出版社，2010.

[2]中华人民共和国海事局.中华人民共和国海船船员适任评估规范[M].大连海事大学出版社，2012.

[3]中国海事服务中心.船舶电气与自动化（船舶自动化）[M].大连海事大学出版社，2012.

[4]李永斌.浅析差压变送器原理及其应用[J].吉林奇峰化纤股份有限责任公司，2011（12）.