气田如何选用各类变送器

气田如何选用各类变送器陈应洪摘要：温度、压力、液位、流量四大类变送器在油气田生产中有着举足轻重的作用。变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，一般还具有一定的放大作用。本文地介绍了各类送器的原理及特点，以供相关使用者参考选用。关键词：温度变送器压力变送器液位变送器流量变送器一、温度变送器温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特征来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。分类及优缺点见下表：变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电偶和热电阻型两种类型。油气田现场一般选用温度变送器的原则为：热电偶一般用于中高温的测量，而热电阻主要是低温的测量。油气田中温度范围一般都在-200~500摄氏度，故目前铂电阻的温度变送器在东方气田中应用特别广泛。顺便指出，当现场具体选择温度变送器的时候，应当考虑的因素除了测量范围之外，还要考虑精度、信号类型、结构形式和安装要求等等实际详细情况。二、压力变送器压力是油气田生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行检测和控制。但需说明的是，油气田生产中所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。压力测量的原理可以分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。油气田中为了远距离显示压力和需要压力参数参加PID或其它运算控制，就要采用压力变送器，一般用气动或电动压力变送器，也可用电器压力传感器。压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。对于爆炸危险场所，常选用气动压力变送器、防爆型电动压力变送器；对于微压力的测量，可采用微差压变送器；对粘稠、易堵、易结晶和腐蚀强的测量介质，宜选用带法兰的膜片式压力变送器；在大气腐蚀场所及强腐蚀性等介质测量中，可选用1151系列或3051系列压力变送器。东方气田主要选用的是罗斯蒙特的电容式压力变送器。电容式压力变送器：采用结构简单、坚固耐用且极稳定的可变电容形式，可变电容由压力腔上的膜片和固定在其上的绝缘电极所组成，当感受到压力变化时，膜片要产生微微的翘曲变形，从而改变了两极的间距，采用独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度补偿。传感器输出与被测压力成正比的直流电压或电流信号。精巧的结构、高性能的材料及先进的检测电路的完美结合，赋予了电容式压力变送器以很高的性能。它具有如下特点：1、高性能：制作变送器的电容材料具有极稳定的物理化学性能，使产品具有极高的性能。精度高达±0.02%FS的传感器，稳定性优于±0.05%FS，如此高的性能是采用其它敏感原理的产品难以达到的。2、机械变形：敏感电容模极板间距的微小的变化，即可产生可测量的电压信号变化，小的机械变形使传感器的迟滞和非重复性误差大大降低，同时传感器的速度也得到很大提高。3、测量范围宽：的压力变送器具有很宽的测量范围，它可对25Pa～70MPa范围的压力进行精确的测量，且具有极高的稳定性。4、长期稳定性好：压力变送器与其他同类产品相比具有更高的稳定性，与其它传感器如金属应变式传感器不同，电容式压力变送器的蠕变，时效和温度影响均很小。几乎所有不利因素对电容式传感器输出稳定性的影响均小于其他形式的传感器。压力变送器的零点稳定性可达到0.05%FS/年。5、高输出信号：压力变送器的电路可将电容的微小变化直接转换成高输出信号，而无需进行信号放大，压阻式传感器（薄模式，C式）输出信号低，易受外界信号干扰等缺点，而这通常是传感器稳定性差，受温度影响大，易受电磁波干扰的主要原因。6、防腐性能好：压力变送器与介质相接触的材料均采用优质不锈钢材料，因而可与许多酸碱溶液，腐蚀性气体或液体很好地相容。7、抗电磁场干扰：高输出信号、抗干扰设计及采用金属外壳和，压力变送器对外部电磁场具有很高的抑制能力，它具有与可编程控制相当的抗干扰能力。8、在恶劣环境中工作：的压力变送器非常经久耐用，它的工业级的产品可承受最小107次测满量程压力循环，如果工作压力不，传感器的循环寿命几乎可达到无限长，而且其工业的产品均能承受100～200kg的冲击和最小10～20的振动。油气田中选择压力变送器一般考虑一下几点：1.变送器要测量的范围。先确定系统中测量压力的最大值，一般而言需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器。持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，这样做还会使精度下降。于是可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时要充分考虑压力范围、精度与其稳定性。2.使用什么种类的压力介质。黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送器中与这些介质直接接触的材料。以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料。3.变送器的精度要求。决定精度的有，非线性，迟滞性，非重复性，温度、零点偏置刻度，温度的影响。但主要由非线性，迟滞性，非重复性，精度越高，价格也就越高。4、变送器的温度范围。通常一个变送器会标定两个温确段，其中一个温度段是正常工作温度，另外一个是温度补偿范围，正常工作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补偿范围时可能会达不到其应用的性能指标。温度补偿范围是一个比工作温度范围小的典型范围。在这个范围内工作变送器肯定会达到其应有的性能指标。温度变从两方面影响着其输出，一是零点漂移，二是影响满量程输出。5、需要得到的输出信号类型及范围。mV、V、mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号，是否需要放大器，放大器的位置等。6、变送器超时工作后需要保持稳定度大部分变送器在经过超额工作后会产生“漂移”，因此很有必要在购买前了解变送器的稳定性，这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。7、变送器的封装。变送器的封装，往往容易忽略是它的机架，然而这一点在以后使用中会逐渐暴露出其缺点。在选购变送器时一定要考虑到将来变送器的工作环境，湿度如何，怎样安装变送器，会不会有强烈的撞击或振动等。三、液位变送器油气田生产过程中罐、塔等容器中存放的液体表面位置成为液位，对液位进行测量的仪表被称为液位检测仪表。测量的目的，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，以便使生产过程正常进行，保证生产安全。东方气田中主要选用了磁翻板液位变送器。磁翻板液位计的工作原理与结构磁性翻柱（磁翻柱）液位计是根据磁极耦合原理、阿基米德（浮力定律）等原理巧妙地结合机械传动的特性而开发研制的一种专门用于液位测量的装置。在此基础上，不断扩大其使用范围，延伸出多种类型的产品，在检测液位的同时我们赋予它们更多的实用功能。该类型的仪表都有一个容纳浮球的腔体（称为主体管或外壳），腔体通过法兰或其他接口与容器组成一个连通器。这样，仪表的腔体内的液面与容器内的液面是相同高度的，所以腔体内的浮球会随着容器内液面的升降而升降；这时候我们并不能看到液位，所以我们在腔体的外面装了一个翻柱显示器，因为我们在制造浮球时在浮球沉入液体与浮出部分的交界处安装了磁钢，它与浮球随液面升降时，它的磁性透过外壳传递给翻柱显示器，推动磁翻柱翻转180°；由于磁翻柱是有红、白两个半圆柱合成的圆柱体，所以翻转180°后朝向翻柱显示器外的会改变颜色（液面以下红色、以上白色），两色交界处即是液面的高度。为了扩大它的使用范围，还可以根据相关标准及要求增加液位变送装置，以输出多种电信号（如：电阻信号、电压信号、或者电流信号）。其中，4～20mA电流信号是比较常用的一种。比如：在监测液位的同时磁控开关信号可用于对液位进行控制或报警；在翻柱液位计的基础上增加了4~20mA变送传感器，在现场监测液位的同时，将液位的变化通过变送传感器、线缆及仪表传到控制室，实现远程监测和控制。磁翻板液位计的产品特点测量范围大，读数直观清晰；密封结合面少，不易渗漏,安全可靠；指示部分与被测介质完全隔离；易于安装、维修方便。适用范围：几乎可以适用于各种工业自动化过程控制中的液位测量与控制。广泛运用于石油加工、市政、食品加工、化工、水处理、制药、电力、造纸、冶金、船舶和锅炉等领域中的液位测量、控制与监测。液位变送器的选型原则1.对于腐蚀性液体,粘稠性液体,熔融性液体,沉淀性液体等,当采取灌隔离液,吹气或冲液等措施时,可选用差压变送器。2.对于腐蚀性液体,粘稠性液体,易气化液体,含悬浮物液体等,宜选用平法兰式差压变送器。3.对于易结晶液体,高粘度液体,结胶性液体,沉淀性液体等,宜选用插入式法兰差压变送器。4.对于被测对象有大量冷凝物或沉淀物析出时,宜选用双法兰式差压液位变送器5．测液位的差压液位变送器宜带有正负迁移机构,其迁移量应在选择仪表量程时确定6．对于正常工况下液体密度发生明显变化介质,不宜选用差压式液位变送器。四、流量变送器油气田生产过程中另外一个重要参数就是流量。流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示，其单位分别用m3/h、L/h和kg/h等。流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值；工业上常用的流量仪表可分为两大类。1.速度式流量计以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、漩涡流量计、冲量式流量计等。2.容积式流量计它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。如椭圆齿轮流量计、刮板式流量计和活塞式流量计等等。东方气田液体流量的测量主要使用电磁流量计，所选厂家型号为罗斯蒙特的8732系列。电磁流量计是利用电磁感应原理制成的流量测量仪表，可用来测量导电液体体积流量（流速）。变送器几乎没有压力损失，内部无活动部件。用涂层或衬里易解决腐蚀性介质流量的测量。检测过程中不受被测介质的速度、压力、密度、粘度、及流动状态等变化的影响，没有测量滞后现象。实际生产反应测量结果并不是很准，分析原因可能是跟生产流体中含有大量气泡有关。东方气田生产的天然气的测量选用的是丹尼尔的FLOBOSS809，属于孔板差压式流量计。孔板流量计的主要优点：1.适用于较大口径管道的计量（目前口径大于DN600的流量计一般只能选用孔板）2.无可动部件，耐用。3.应用历史悠久，标准规定最全4.制造相对容易，价格便宜。东方气田实际应用中选用可更换孔板的丹尼尔流量计效果显著，测量结果还是比较满意的。贴流量计选型并不是一件容易的事，它要考虑的因素很多。大致有：仪表性能、流体特性、安装要求、环境条件、以及价格因素等。要经过周密分析比较，深思熟虑后才能作出决定。一旦决定有误，可能使整个测量导致失败。其中对测量对象（即流体的实际状况）的确切了解非常重要，在此要指出，并非用户对自己的测量对象都有准确的了解，往往需要选型设计人员进行深入调查才能搞清楚。对在石油计量系统工作几十年的计量人员来说，对于天然气等气体计量，会不加思索地选择孔板流量计，认为这是早已定论的。五、总结建议按实际工况要求，选型时尽可能实用简单，就是指仪表显示及控制精度只要能够达到设备使用要求就可以，对不同设备，不同的用途有不同的要求。随着技术含量提高，使用的系统也越来越复杂。但总的来说，系统的复杂化可能伴随着可靠性的降低、维修保养支出的增加和操作的繁锁。一般来说，较简单的产品使用和维护也都简单些，操作人员易学易用，购置成本和安装维护费用及对环境的要求也相对较低。参考文献1陆德民主编。石油化工自动控制设计手册。第二版。北京：化学工业出版社，19882.乐嘉谦主编。仪表工手册。第