遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器溫度影響的分析

楊 陽(yáng)

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

壓力變送器作為一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化電信號(hào)輸出的儀表，廣泛應(yīng)用于核電廠壓力、差壓、流量和液位等過(guò)程參數(shù)的測(cè)量，在核電廠的安全和運(yùn)行中扮演著重要的角色。

對(duì)于核安全相關(guān)壓力變送器，其不確定度一直是核電廠儀表設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。美國(guó)儀表標(biāo)準(zhǔn)ISA -S67.04.01 對(duì)核安全相關(guān)儀表在正常和事故工況下不確定度應(yīng)考慮的影響因素作出了明確規(guī)定，包括參考精度、溫度影響、壓力影響、電源變化影響、漂移、輻照影響、地震影響等，并提出了均方根、代數(shù)和兩種計(jì)算綜合不確定度的方法［1］。標(biāo)準(zhǔn)IEC-61888 也有相同表述［2］。

本文以ISA 和IEC 核安全相關(guān)儀表不確定度標(biāo)準(zhǔn)作為理論出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器溫度影響及標(biāo)定量程溫度修正展開(kāi)分析。

1 壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)介紹

在實(shí)際工業(yè)測(cè)量應(yīng)用中，若需要測(cè)量的工藝過(guò)程介質(zhì)具有溫度高、腐蝕性、有固體顆?；蛘吵硇?、易結(jié)晶等特點(diǎn)時(shí)，需將壓力變送器與工藝過(guò)程介質(zhì)隔離開(kāi)。因此可考慮為變送器配備遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，組成遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器，或稱壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器。

通常一個(gè)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器由以下四個(gè)部分組成，包括一個(gè)壓力或差壓變送器、一個(gè)或兩個(gè)隔膜密封件(常用為法蘭型結(jié)構(gòu))、相應(yīng)長(zhǎng)度的毛細(xì)管(數(shù)量與隔膜密封件數(shù)量對(duì)應(yīng))以及填充液。

2 壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)溫度影響

在壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)綜合不確定度影響因素中，溫度影響最為顯著。壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)暴露于核電廠正常運(yùn)行環(huán)境溫度中，環(huán)境溫度可能高于或低于系統(tǒng)最后標(biāo)定時(shí)所處的溫度，這樣系統(tǒng)的輸出相比最后標(biāo)定時(shí)的輸出將產(chǎn)生變化，這種影響應(yīng)該在儀表不確定度計(jì)算中考慮進(jìn)來(lái)。為了估計(jì)這種影響的幅度，應(yīng)該定義高于或者低于標(biāo)定溫度的極端運(yùn)行溫度(OT)。如果沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)文件和設(shè)計(jì)房間溫度數(shù)據(jù)可以參考，這些溫度值很多情況下都是基于導(dǎo)則假定的。例如，可以保守的假設(shè)最大運(yùn)行溫度(OT)和最小標(biāo)定溫度(CT)來(lái)放大溫度波動(dòng)區(qū)間，以獲得保守估計(jì)。只要定義好溫度波動(dòng)區(qū)間，溫度影響的不確定度就可以使用儀表供應(yīng)商發(fā)布的溫度影響規(guī)范書來(lái)計(jì)算獲得［3］。

以下從變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置兩方面來(lái)研究壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)溫度影響產(chǎn)生的機(jī)理。

2.1 變送器本體

目前，核電廠常用的經(jīng)過(guò)質(zhì)量鑒定的壓力變送器主要采用電容式測(cè)量原理。即檢測(cè)部件將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化，通過(guò)一定的測(cè)量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)并放大，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但很容易受溫度、濕度等外界干擾，尤其對(duì)溫度比較敏感，變化的環(huán)境溫度將對(duì)變送器的檢測(cè)部件和電子電路產(chǎn)生影響。

2.1.1 檢測(cè)部件

一方面，變送器測(cè)量的膜片的初始張力會(huì)隨溫度變化，使得靈敏度發(fā)生改變，從而帶來(lái)誤差;另一方面，變送器本體腔室中的充液體積會(huì)隨溫度變化膨脹或收縮，使得充液壓力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致變送器輸出產(chǎn)生漂移。另外，變送器檢測(cè)部件在進(jìn)行零部件裝配(包括安裝法蘭)后，不可避免地會(huì)存在一定的裝配應(yīng)力，這些應(yīng)力數(shù)值會(huì)隨著溫度發(fā)生變化，引起檢測(cè)部件的工作特性產(chǎn)生溫度誤差［4］。

2.1.2 電子電路

首先，變送器絕緣及屏蔽性能隨溫度變化。在溫度升高時(shí)，絕緣及屏蔽性能將下降，使變送器信號(hào)的抗干擾能力減弱，從而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不利影響。其次，變送器電子元器件的工作性能參數(shù)也會(huì)隨溫度產(chǎn)生一定的變化。以上兩部分原因?qū)?dǎo)致輸出信號(hào)偏離正常值。

2.2 遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置

遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置由隔膜密封件、毛細(xì)管以及填充液組成，其性能隨環(huán)境溫度發(fā)生變化。這是因?yàn)樘畛湟弘S溫度變化而膨脹或收縮，帶來(lái)充液體積的變化，而隔膜密封膜片有剛性，填充液體積的變化作用在剛性膜片上，膜片無(wú)法在彈性形變范圍內(nèi)將填充液體積變化全部吸收，因此隔膜密封膜片的反向作用力將通過(guò)系統(tǒng)傳遞至變送器的感壓膜片上，引起誤差。另外，對(duì)于在豎直方向安裝的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，由于填充液的密度也隨溫度變化，因此在豎直方向上會(huì)有靜壓的影響。該影響是由環(huán)境溫度波動(dòng)引起的，可加到溫度影響的誤差上。

根據(jù)上述內(nèi)容，可知有兩個(gè)主要因素影響遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置的溫度性能:填充液的特性和隔膜密封膜片的剛性。

2.2.1 填充液特性

(1)熱膨脹系數(shù)。填充液起到壓力傳遞的作用，其隨溫度的變化而膨脹或收縮，熱膨脹系數(shù)確定了該變化量，即單位體積填充液?jiǎn)挝粶囟鹊捏w積變化量，單位為mL/(mL·℃-1)。各種填充液熱膨脹系數(shù)如表1所示［5］。

表1 填充液熱膨脹系數(shù)Tab. 1 Thermal expansion coefficient of filling solution

(2)填充液體積:填充液體積越大，其膨脹潛力也越大。因此，縮短毛細(xì)管長(zhǎng)度、減小毛細(xì)管內(nèi)徑，可減少填充液的體積，有助于減少溫度變化帶來(lái)的誤差。

(3)充液操作的質(zhì)量。在對(duì)毛細(xì)管進(jìn)行充液操作時(shí)，若填充液中混入了氣體或其他易揮發(fā)物質(zhì)，則隨著溫度升高，密封系統(tǒng)中的易揮發(fā)物質(zhì)就會(huì)膨脹，引起總的填充液體積發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)過(guò)度緊張，導(dǎo)致永久變形。

2.2.2 膜片剛性

膜片剛性受膜片測(cè)量部分的直徑、膜片材料、膜片厚度及膜片波紋樣式的影響，在這些因素中，膜片的直徑是最重要的。每種膜片都有自己的剛性曲線，如圖1所示。

圖1 膜片剛性Fig.1 Rigidness of diaphragm

一般來(lái)說(shuō)，直徑越大的膜片剛性越弱，即彈性越強(qiáng)，可在彈性形變范圍內(nèi)更多地吸收填充液體積的變化，有助于最大限度地減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)反生的壓力誤差。圖1 所示膜片剛性曲線表明，由溫度變化引起的充液體積變化對(duì)大直徑膜片帶來(lái)的誤差比小直徑膜片帶來(lái)的誤差小［6］。

3 如何選擇遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置

經(jīng)理論分析和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)測(cè)量性能受溫度變化影響的程度主要取決于遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，將合理選擇遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，將有利于減少溫度變化帶來(lái)的不確定度誤差。

3.1 隔膜密封件

選擇較大直徑的隔膜密封膜片，以減小膜片剛性。另外，當(dāng)系統(tǒng)完成充液操作后，其充液量應(yīng)當(dāng)使膜片工作在圖1 所示的膜片剛性曲線上線性最好且斜率最大的一段區(qū)間內(nèi)［6］。

3.2 填充液

選擇低膨脹系數(shù)的填充液，可減少填充液隨溫度變化而膨脹或收縮的程度，有助于降低溫度變化帶來(lái)的誤差。

3.3 毛細(xì)管

縮短毛細(xì)管的長(zhǎng)度，并減小毛細(xì)管內(nèi)徑，使總的填充液量減少，從而減小填充液的膨脹潛力。但需注意的是，一味減小毛細(xì)管內(nèi)徑將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加，致使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降。二者之間如何平衡取舍要由不同的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)決定。

隔離密封膜片直徑、填充液類型和毛細(xì)管尺寸這三者之間不同組合的測(cè)量誤差(由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致)對(duì)比如圖2 所示［6］。誤差數(shù)據(jù)基于的條件為:變送器所在環(huán)境溫度分別變化25 ℉(14 ℃)和50 ℉(28 ℃)。圖2 中，縱坐標(biāo)代表由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的變送器壓力輸出變化，即測(cè)量誤差，用ΔP 表示，單位采用壓力單位;橫坐標(biāo)表示不同的膜片直徑、充液、毛細(xì)管長(zhǎng)度與毛細(xì)管內(nèi)徑的組合，其中膜片直徑單位為英寸(1 英寸=25.4 mm)、毛細(xì)管長(zhǎng)度單位為英尺(1 英尺=0.304 8 m)。

圖2 各種組合溫度影響對(duì)比Fig.2 Various combinations of temperature effects

另外，在雙隔膜密封系統(tǒng)中，兩側(cè)配置盡量保持一致，可使溫度影響得到最大的平衡。

4 標(biāo)定量程修正

理論上，壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的標(biāo)定溫度應(yīng)同設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度一致。在某些情況下，由于儀表不具備在設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度下進(jìn)行標(biāo)定的條件，會(huì)導(dǎo)致儀表設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度與標(biāo)定溫度有差異，這將帶來(lái)非隨機(jī)的不確定度，即偏差。根據(jù)ISA -RP67.04.02 -2000 標(biāo)準(zhǔn)的定義，偏差是一種系統(tǒng)性的儀表不確定度，在一系列給定的條件下是可預(yù)測(cè)的，從而可知其變化的方向(正或負(fù))。其幅度也可根據(jù)相關(guān)影響規(guī)范書來(lái)計(jì)算［3］。

通常情況下，由設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境和標(biāo)定環(huán)境差異導(dǎo)致的偏差需要進(jìn)行修正，這在標(biāo)定規(guī)程中都有規(guī)定［3］。以某核電廠安全殼廠房外環(huán)廊地坑液位變送器為例，說(shuō)明標(biāo)定量程的溫度修正，其安裝示意圖如圖3 所示。

該液位變送器采用羅斯蒙特K1 級(jí)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器，液位測(cè)量范圍為-3.4 ～-1 m。變送器本體為1154 系列電容式差壓變送器，高壓側(cè)連接1159 系列隔膜密封裝置，其中毛細(xì)管長(zhǎng)度為15 英尺，填充液為DC200 硅油。1154 系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示，環(huán)境溫度每變化56 ℃的變送器本體測(cè)量誤差為ε1，其計(jì)算公式為:

式中:URL 為Upper Range Limit，表示變送器測(cè)量上限值;Span 為變送器標(biāo)定量程，即4 ～20 mA 輸出對(duì)應(yīng)的壓力測(cè)量范圍。對(duì)于壓力變送器，其測(cè)量誤差ε 通常以標(biāo)定量程的百分比來(lái)表示，即ε(% of span)，故以ε(% of URL)表示的誤差需按下式轉(zhuǎn)換。

1159 系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示，環(huán)境溫度每變化56 ℃的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置測(cè)量誤差為ε2，其計(jì)算公式為:

式(3)表達(dá)的含義為，在環(huán)境溫度變化56 ℃的條件下，長(zhǎng)度為5 英尺的毛細(xì)管引起的壓力測(cè)量誤差為9.3 英寸水柱，在此基礎(chǔ)上，毛細(xì)管長(zhǎng)度每額外增加5 英尺，將導(dǎo)致壓力測(cè)量誤差增加3.2 英寸水柱。

圖3 安全殼地坑液位變送器示意圖Fig.3 Schematic diagram of the level transmitter of containment shell sump

液位變送器定位于LOCA 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后安全殼廠房環(huán)廊地坑液位監(jiān)測(cè)，為事故后調(diào)查分析提供數(shù)據(jù)，在邏輯上未做任何設(shè)計(jì)。LOCA 事故后，當(dāng)安全殼噴淋系統(tǒng)轉(zhuǎn)入地坑取水循環(huán)運(yùn)行時(shí)，地坑水溫度溫度在120 ℃，因此該變送器的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度應(yīng)為120 ℃。然而，由于變送器不具備在120 ℃高溫環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定的條件(壓力變送器檢定規(guī)程規(guī)定實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定變送器的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為20 ±5 ℃［7］)。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:儀表需投運(yùn)時(shí)的環(huán)境溫度迅速上升至120 ℃，相比于上次有效標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度(25 ℃)，整套壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)將在事故期間承受最高達(dá)95 ℃的環(huán)境溫度變化，根據(jù)式(1)和式(3)來(lái)計(jì)算，這將帶來(lái)總共29.5inH2O(7.375 kPa)的正向誤差，而按25 ℃下DC200 硅油相對(duì)密度計(jì)算出的變送器量程為-23.798 ～0.192 kPa，相當(dāng)于帶來(lái)了約30%的誤差，顯然不滿足事故后的監(jiān)測(cè)要求。因此，必須對(duì)25 ℃標(biāo)定溫度下變送器的量程作溫度正向修正，避免引入過(guò)大的溫度誤差，以滿足設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)要求。具體修正計(jì)算表格如表2 所示。

表2 溫度修正表格Tab. 2 Temperature correction form

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從美國(guó)ISA 和IEC 核安全相關(guān)儀表不確定度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，著重介紹了核電廠用壓力變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置因運(yùn)行環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差的機(jī)理，并詳細(xì)闡述了遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置的溫度性能影響因素，提出了遠(yuǎn)程隔膜密封裝置的設(shè)計(jì)選型建議，有助于工程設(shè)計(jì)者考慮如何最大程度地減少遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器受環(huán)境溫度變化的影響。最后，以實(shí)例說(shuō)明了如何針對(duì)壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定量程的溫度修正，避免在設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境條件下引入過(guò)大的溫度誤差。

［1］ Instrument Society of America.ANSI/ISA S67.04.01-2000 Setpoints for nuclear safety-related lnstrumentation［S］.2000.

［2］ International Electrotechnical Commission.IEC 61888-2002 Nuclear power plants - lnstrumentation important to safety - determination and maintenance of trip setpoints［S］.2002.

［3］ Instrument Society of America.ISA RP67.04.02-2000 Methodologies for the determination of setpoints for nuclear safety-related lnstrumentation［S］.2000.

［4］ 邱嗣鑫. 電容式差壓變送器檢測(cè)部件溫度穩(wěn)定性分析［J］. 自動(dòng)化與儀表，1988(3):27 -30.

［5］ 李洪偉，李勝利.合理選用隔膜密封壓力變送器［J］. 石油化工自動(dòng)化，2008(5):77 -78.

［6］ 李桂芝.如何選用遠(yuǎn)傳式變送器［J］.石油化工自動(dòng)化，1998(3):35-38.

［7］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 882 -2004 壓力變送器檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2004.