隔膜密封件系統(tǒng)對(duì)變送器測(cè)量的影響

楊亞澤

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司 電控室， 武漢 420223)

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隔膜密封件系統(tǒng)對(duì)變送器測(cè)量的影響

楊亞澤

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司 電控室， 武漢 420223)

摘要：化工裝置中測(cè)量壓力、差壓、流量以及液位時(shí)經(jīng)常會(huì)用到隔膜式變送器，變送器中增加隔膜密封件系統(tǒng)可有效避免電容傳感元件和被測(cè)流體直接接觸， 提高變送器對(duì)被測(cè)流體的適應(yīng)能力，但會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)影響，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)精度和響應(yīng)時(shí)間兩方面。詳細(xì)分析了隔膜膜片尺寸、剛度，毛細(xì)管長(zhǎng)度、直徑以及填充液的性質(zhì)對(duì)隔膜變送器測(cè)量產(chǎn)生的影響，探討了工程設(shè)計(jì)中應(yīng)如何合理選擇這些參數(shù)，減少隔膜式變送器自身因素和環(huán)境因素帶來(lái)的誤差，從而使測(cè)量更精確。

關(guān)鍵詞：變送器隔離膜片 毛細(xì)管填充液

隔膜式變送器是由壓力/差壓變送器、隔膜密封件、充灌液及直接安裝或毛細(xì)管形式的連接結(jié)構(gòu)組成的。膜片密封件、充灌液及直接安裝或毛細(xì)管形式的連接結(jié)構(gòu)稱為隔膜密封系統(tǒng)。隔膜式變送器主要用于以下幾種場(chǎng)合[1]：

1) 被測(cè)量介質(zhì)是腐蝕性、結(jié)晶性、黏稠性、易氣化、含懸浮物的液體。

2) 過(guò)程介質(zhì)可能會(huì)在變送器或引壓管路里凍結(jié)或固化。

3) 過(guò)程溫度在變送器正常操作量程范圍之外，而且用引壓管路不能把溫度調(diào)整到溫度極限值以下。

4) 過(guò)程液體非常危險(xiǎn)，不能進(jìn)入變送器所在的控制區(qū)域。

5) 應(yīng)用情況要求采用衛(wèi)生的連接結(jié)構(gòu)。

變送器檢測(cè)部件設(shè)置隔膜是為了避免電容傳感元件和被測(cè)流體直接接觸， 使電容元件具有良好、穩(wěn)定的工作條件[2]，同時(shí)可以提高變送器對(duì)各種被測(cè)差壓流體的適應(yīng)能力。但是增加隔膜密封系統(tǒng)會(huì)影響變送器總的系統(tǒng)性能，主要體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)精度和響應(yīng)時(shí)間的影響。

1對(duì)系統(tǒng)精度的影響

采用隔膜式變送器對(duì)測(cè)量精度的影響主要包括兩個(gè)方面： 隔膜至測(cè)量膜片的壓力損耗；環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移。其中隔膜至測(cè)量膜片的壓力損耗主要與環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移、毛細(xì)管內(nèi)填充液的體積、填充液的熱膨脹系數(shù)以及隔膜膜片的性質(zhì)有關(guān)。

1．1隔膜至測(cè)量膜片的壓力損耗

隔膜變送器工作期間，當(dāng)過(guò)程壓力作用時(shí)，膜片發(fā)生位移，被測(cè)壓力通過(guò)充液系統(tǒng)及毛細(xì)管管路，將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器，這期間會(huì)造成隔膜至測(cè)量膜片的壓力損耗[3]。該損耗是指被測(cè)流體對(duì)檢測(cè)部件高壓側(cè)和低壓側(cè)隔膜分別作用以高壓力pH和低壓力pL時(shí)，測(cè)量膜片檢測(cè)到的差壓不等于pH-pL。

設(shè)這時(shí)高壓側(cè)和低壓側(cè)測(cè)量膜片受到的壓力分別為pH1和pL1，φs和φm分別是隔膜和測(cè)量膜片的剛度。測(cè)量膜片處的壓差可通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

隔膜變送器的壓力損耗pS為

(2)

可見壓力損耗主要與隔膜和測(cè)量膜片的剛度有關(guān)，膜片的剛度φ可通過(guò)下式計(jì)算：

(3)

式中： ΔV——膜片體積的變化量；E——膜片縱彈性系數(shù)；a——膜片直徑；h——膜片厚度；s——膜片位移。

由于隔膜變送器工作時(shí)膜片的位移很小，可以認(rèn)為不同材質(zhì)、不同半徑的膜片位移相同，即(s+3)2看作常數(shù)，記為A，所以式(3)可以等效為式(4)：

(4)

從式(4)可以看出，要減小隔離膜片的剛度，就要選擇縱彈性系數(shù)小的膜片，增大膜片的直徑或者減小膜片的厚度。同樣材料和厚度的膜片，直徑越大彈性越好，剛度越小，即采用直徑越大的膜片，φs的值就越小，φm/φs值就越大，pH1-pL1和pH-pL的值越接近，這時(shí)隔膜的壓力損耗變得越小。當(dāng)φm遠(yuǎn)大于φs時(shí)，pH1-pL1≈pH-pL，被測(cè)差壓幾乎全部傳遞到測(cè)量膜片上。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇較大直徑的隔膜有利于減小壓力損耗，提高變送器的測(cè)量精度。同種材質(zhì)下，波紋膜片的縱彈性系數(shù)小于平膜片的縱彈性系數(shù)，通常隔離膜片都會(huì)選用波紋膜片[4]。

1.2環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移

1.2.1填充液對(duì)測(cè)量的影響

填充液起到壓力傳遞的作用，但填充液的膨脹特性和體積會(huì)影響遠(yuǎn)傳膜片密封系統(tǒng)的性能。所有填充液都隨溫度的變化產(chǎn)生膨脹與收縮，熱膨脹系數(shù)確定了該變化量。選擇膨脹系數(shù)較小的填充液有助于減小溫度變化帶來(lái)的誤差。填充液體積越大，其膨脹潛力也越大，因而選擇毛細(xì)管的長(zhǎng)度要盡可能短，毛細(xì)管直徑要盡可能小，以減小填充液體積的方式來(lái)達(dá)到減小溫度誤差的目的。無(wú)論是用于差壓、流量還是液位測(cè)量，正負(fù)壓室密封系統(tǒng)的膜片規(guī)格、兩端毛細(xì)管長(zhǎng)度、填充液應(yīng)相同。環(huán)境溫度變化所引起的兩端毛細(xì)管充灌液膨脹量相同，應(yīng)盡可能減少因環(huán)境溫度變化造成的測(cè)量誤差。25℃時(shí)常用填充液的特性見表1所列，環(huán)境溫度變化將會(huì)引起填充液密度和黏度的變化[5]。

表1常用填充液特性(25℃)

充填液溫度極限/℃(絕壓p<100kPa)溫度極限/℃(絕壓p>100kPa)密度/(kg·m-3)熱膨脹系數(shù)/(℃-1)黏度/(Pa·s)DC.200硅油-45~100-45~2050.930.001080.0095DC704硅油0~2000~3151.070.000950.0440惰性填充液-45~175-45~1751.850.0008640.0065Syltherm?XLT硅油不適用-75~1500.850.0011990.0016甘油與水不適用 15~951.130.000340.0125丙二醇與水不適用-15~951.020.000340.0028NeobeeM-20-15~120-15~2050.920.0010080.0098

在測(cè)量液位或界面時(shí)，對(duì)于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細(xì)管的長(zhǎng)度相同，可以克服環(huán)境溫度變化對(duì)膨脹量的影響，但不能克服上下2個(gè)取壓口之間毛細(xì)管靜壓的影響。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度改變使得毛細(xì)管內(nèi)填充液密度改變，從而引起這段毛細(xì)管產(chǎn)生的靜壓發(fā)生改變，導(dǎo)致變送器的實(shí)際遷移量發(fā)生改變，引起零點(diǎn)漂移。需要注意的是，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度較高，采用高溫硅油(如DC704)時(shí)，需要對(duì)毛細(xì)管實(shí)施伴熱，保證硅油的工作溫度。

在直徑為0.7mm、長(zhǎng)度為305mm的毛細(xì)管里，填充液隨溫度產(chǎn)生的膨脹如圖1所示。

圖1　填充液體積隨溫度的變化示意

選擇填充液時(shí)并不是單純選擇熱膨脹系數(shù)最低的，而是應(yīng)綜合被測(cè)介質(zhì)的特性、溫度以及填充液的特性，根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用原則，選擇能夠應(yīng)用在實(shí)際工況下熱膨脹系數(shù)小的填充液。如DC704硅油，雖然熱膨脹系數(shù)較小，溫度上限較大但黏度較大，溫度下限值只有0℃，在冬季環(huán)境溫度低于0℃時(shí)還需要采取伴熱保溫措施，通常只在高溫介質(zhì)情況下使用，非高溫介質(zhì)情況下其實(shí)用性低于DC.200硅油[6]。

1.2.2膜片剛度對(duì)溫度性能的影響

當(dāng)溫度變化使填充液膨脹與收縮時(shí)，膜片會(huì)承受一個(gè)反向的壓力，導(dǎo)致膜片承受的實(shí)際壓力和傳遞到檢測(cè)膜片壓力不一致，會(huì)引起測(cè)量誤差[7]。剛度小的膜片在彈性范圍內(nèi)的形變可以吸收填充液使體積變化，能夠減小由溫度變化引起的填充液體積變化帶來(lái)的反向壓力，較大限度減小溫度變化引起的誤差。

一般來(lái)說(shuō)，直徑較小的膜片要比直徑較大的膜片剛度大，其剛性曲線斜率較小。斜率大的剛性曲線有助于最大限度減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)可發(fā)生的壓力誤差值[8]。填充液體積變化相同的情況下，對(duì)于同種材料的膜片，大直徑(剛度小)和小直徑(剛度大)對(duì)測(cè)量誤差的影響如圖2所示。

圖2　膜片剛性對(duì)測(cè)量誤差的影響

因此，填充液因溫度變化而引起體積變化時(shí)，剛度小的膜片產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差較小，而剛度大的膜片產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差較大。同時(shí)需要指出的是，通常情況下，φm/φs可達(dá)103數(shù)量級(jí)[3]，φm遠(yuǎn)大于φs，被測(cè)壓力幾乎全部傳遞到測(cè)量膜片上，因而膜片剛度對(duì)溫度性能的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)測(cè)量精度的影響。

2填充液對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

填充液的黏度及毛細(xì)管的長(zhǎng)度、內(nèi)徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。填充液黏度為其流動(dòng)性能的量度，并與溫度有關(guān)，溫度越高，流動(dòng)性能越高，選擇黏度較小的填充液將加快響應(yīng)時(shí)間[9]。毛細(xì)管內(nèi)徑越小，則產(chǎn)生更強(qiáng)的節(jié)流，對(duì)壓力傳遞阻力越大，速度也越慢。毛細(xì)管內(nèi)徑大能加快傳遞速度，縮短響應(yīng)時(shí)間。毛細(xì)管越長(zhǎng)，壓力信號(hào)傳輸距離就越長(zhǎng)，增加了響應(yīng)時(shí)間。

某變送器廠家隔膜密封件提供的三種規(guī)格為0.7mm，1.1mm，1.75mm，可以根據(jù)不同場(chǎng)合的需要來(lái)選用。

從綜合情況考慮，一般情況下，毛細(xì)管長(zhǎng)度小于6m時(shí)可以選用直徑為0.7mm，6～10m可以選擇直徑為1.1mm，大于10m時(shí)應(yīng)該選用直徑為1.75mm[10]。

在大型容器與液位緩慢變化的應(yīng)用場(chǎng)合，響應(yīng)時(shí)間對(duì)測(cè)量的影響甚微，可以不受較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的影響。然而，如果是一個(gè)又小又窄的容器，若響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，容易發(fā)生測(cè)量滯后太大。另外，如測(cè)量流量等變化較快的工藝參數(shù)時(shí)，要求較快的響應(yīng)時(shí)間，這時(shí)需要選擇長(zhǎng)度較小和內(nèi)徑較大的毛細(xì)管，以便達(dá)到較理想的測(cè)量效果。

3結(jié)束語(yǔ)

在選用隔膜密封時(shí)需考慮許多因素，如何減小隔膜至測(cè)量膜片的壓力損耗，避免或減小溫度變化對(duì)隔膜密封壓力變送器的性能影響，并盡可能縮短儀表的響應(yīng)時(shí)間，是正確合理選用隔膜密封壓力變送器的關(guān)鍵。選擇最合適的膜片密封件、毛細(xì)管與填充液可最大限度減小這些影響。綜上分析，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)傳膜片系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下方面。

1) 選用較大直徑的膜片以最大限度減少壓力損耗和溫度的影響。

2) 盡可能縮短毛細(xì)管長(zhǎng)度以減小溫度對(duì)測(cè)量的影響，減少響應(yīng)時(shí)間。

3) 選擇內(nèi)直徑較大的毛細(xì)管以縮短響應(yīng)時(shí)間或選擇內(nèi)直徑較小的毛細(xì)管來(lái)改善溫度性能。

4) 盡量選擇黏度小、熱膨脹系數(shù)小而同時(shí)能滿足最極端的過(guò)程條件的填充液。

選擇時(shí)需要考慮測(cè)量效果和經(jīng)濟(jì)成本，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選?。?如果毛細(xì)管的長(zhǎng)度較短，可以選擇大口徑或者小口徑的膜片；如果測(cè)量范圍較大，

毛細(xì)管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則需要選擇大口徑的膜片，一方面是減少壓損，另一方面可以彌補(bǔ)部分毛細(xì)管長(zhǎng)度太長(zhǎng)引起的零點(diǎn)漂移。

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Influence of Diaphragm Sealing Element System on Transmitter Measurement

Yang Yaze

(China Wuhuan Engineering Co. Ltd.， Wuhan， 420223， China)

Abstract：Diaphragm transmitter is frequently used on pressure， different pressure， flow and level measurement in chemical installations. The added diaphragm seal in transmitter is designed to avoid direct contact of capacitive sensing element with measured fluid to improve the adaptive capability of transmitter to measured fluid. But the diaphragm will have an impact on measurement on two aspects of system accuracy and response time mainly. The influences of diaphragm seal size， stiffness， length，diameter of capillary and fill fluid property to diaphragm seal transmitter are evaluated in detail. It also discussed on how to choose these parameters reasonably to reduce error from factors of diaphragm transmitter itself and environment， and to make measurement more accurate.

Key words：transmitter; diaphragm seal; capillary; fill fluid

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0066-03

作者簡(jiǎn)介：楊亞澤(1985—)，男，甘肅白銀人，2010年畢業(yè)于中南大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)五環(huán)工程有限公司，從事儀表設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-07-16，修改稿收到日期： 2015-09-16。