一種PDS超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器

陳軍

摘要：本文闡述了重慶四聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司PDS分體式超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的特點(diǎn)。對(duì)該變送器在高溫傳壓結(jié)構(gòu)、專用高溫液態(tài)傳壓介質(zhì)、溫場(chǎng)有限元分析等方面做了一定的介紹。

關(guān)鍵詞：PDS超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器;分體式結(jié)構(gòu)

1 引言：

PDS超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器以重慶四聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司自主研發(fā)的PDS高精度壓力變送器基表為基礎(chǔ)，解決高溫散熱問題及高介質(zhì)溫度低環(huán)境溫度的壓力測(cè)量問題，實(shí)現(xiàn)在+10℃～+700℃寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定測(cè)量。同時(shí)基于壓力變送器對(duì)光熱發(fā)電/化工領(lǐng)域高溫環(huán)境介質(zhì)的測(cè)量需求，研究設(shè)計(jì)適宜高溫環(huán)境壓力測(cè)量的傳壓結(jié)構(gòu)，滿足在不同環(huán)境溫度變化下的壓力穩(wěn)定傳遞和傳感器的精確測(cè)量;研制適宜在高溫狀態(tài)的一種液態(tài)專有特種壓力傳遞介質(zhì)材料，保障在一定溫度范圍工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。最終開發(fā)滿足高溫熔鹽壓力測(cè)量需求的壓力變送器，實(shí)現(xiàn)在光熱發(fā)電/化工領(lǐng)域的示范應(yīng)用。

2問題分析：

由于填充液的溫度特性，目前針對(duì)壓力儀表的充灌液溫度適用范圍通常在+400℃以下，對(duì)于接液溫度通常在其以上的熔鹽加熱系統(tǒng)裝置及其它一些需超高溫測(cè)量的場(chǎng)合，其壓力測(cè)量已無法實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)傳毛細(xì)管內(nèi)填充液具有一定的溫度使用范圍，若測(cè)量介質(zhì)溫度較高（>+250℃），而環(huán)境溫度較低時(shí)（-10℃～- 40℃），此時(shí)毛細(xì)管內(nèi)填充的高溫硅油由于低溫凝結(jié)已不適應(yīng)，測(cè)量時(shí)會(huì)有較大誤差。

目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品關(guān)于高溫、高壓的壓力變送器結(jié)構(gòu)、充灌介質(zhì)以及高溫傳壓系統(tǒng)測(cè)量精度及可靠性的研究均鮮有報(bào)道。我公司PDS分體式超高溫法蘭變送器是一款專門針對(duì)光熱、化工等特種工況需求分析開展的高溫、高壓型在線壓力變送器，具有明顯先進(jìn)性其最高測(cè)量溫度可達(dá)+700℃。

3技術(shù)方案：

（一）壓力變送器通常使用的壓力傳遞介質(zhì)材料是有機(jī)化合物，如：硅油、氟油等，其溫度適用范圍在+400℃以下，當(dāng)超過該工作溫度時(shí)會(huì)氣化或炭化，使壓力變送器無法正常工作。針對(duì)光熱行業(yè)或部分化工行業(yè)，被測(cè)介質(zhì)溫度遠(yuǎn)超過+400℃。為此我們自制了液態(tài)合金制備裝置，根據(jù)材料特性調(diào)配金屬鎵、金屬銦、金屬錫比例試驗(yàn)出了一種新的壓力傳遞介質(zhì)材料，最終試驗(yàn)出能承受即能承受+700℃以上高溫，又能在一定低溫下保持液態(tài)，同時(shí)穩(wěn)定傳遞被測(cè)介質(zhì)壓力的專用高溫液態(tài)傳壓介質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了+10℃-+700℃溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定測(cè)量。

（二）基于敏感傳壓構(gòu)件材質(zhì)特性分析和溫度傳遞仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)獨(dú)特的高溫傳壓結(jié)構(gòu)。整個(gè)技術(shù)方案完成了高溫傳壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過溫場(chǎng)模擬及測(cè)試解決了高溫散熱及高介質(zhì)溫度低環(huán)境溫度的壓力測(cè)量問題?；跍貓?chǎng)變化仿真設(shè)計(jì)出高溫傳壓結(jié)構(gòu)形式，保證壓力變送器在極低溫度環(huán)境下，傳壓介質(zhì)的不被凝固穩(wěn)定工作。同時(shí)保證環(huán)境溫度處于高溫極限狀態(tài)下，壓力敏感元件正常工作。解決傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)構(gòu)在低溫條件下需要伴熱的工藝復(fù)雜性和使用局限性。

（1）溫場(chǎng)有限元分析。

根據(jù)傳熱學(xué)的相關(guān)理論，我們知道凡是有溫度差的地方，就有熱量自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，或從物體的高溫部分傳向低溫部分。熱量傳遞有三種方式導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射。由于高溫法蘭變送器傳熱散熱較為復(fù)雜，根據(jù)傳熱學(xué)通過環(huán)肋的導(dǎo)熱模擬計(jì)算如下：

單片環(huán)肋散熱模擬計(jì)算模型

模型中D1=40，δ=2，H=16。

根據(jù)導(dǎo)熱基本定律傅里葉定律并根據(jù)矩形環(huán)肋的效率曲線計(jì)算如下：（其中H'為單肋有效散熱高度，R'2為單肋有效散熱直徑，矩形環(huán)肋的效率曲線見下圖）

H′=H+δ/2=17mm R1=D1/2=20 R′2=R1+H′=37mm

故

（其中AL表示肋片的縱剖面積）

肋效率曲線橫坐標(biāo)：

其中（鋼導(dǎo)熱系數(shù)λ=45w/（mk）其中K為開氏溫度 肋面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=130w/m3k

由矩形剖面環(huán)肋的效率曲線查表可知ηf=0.82（其中ηf肋效率表示肋片散熱的有效程度）

通過單片環(huán)肋的理論散熱量：

每一個(gè)肋片實(shí)際散熱量：

這樣計(jì)算出來的只是通過一個(gè)環(huán)肋的導(dǎo)熱量，對(duì)于法蘭部分散熱量應(yīng)為多個(gè)環(huán)肋的總合。由于實(shí)際高溫介質(zhì)只是接觸隔離膜片部分，故此計(jì)算與實(shí)際還是存在一定的出入，為此我們通過有限元理論和試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

高級(jí)有限元分析軟件對(duì)分體式法蘭表溫場(chǎng)模擬測(cè)試（試驗(yàn)條件：模擬介質(zhì)溫度+10℃～+700℃，環(huán)境溫度-35℃～+80℃）

以上模擬分析了環(huán)境溫度為-35℃，介質(zhì)溫度為+290℃和環(huán)境溫度為+70℃，介質(zhì)溫度為+700℃兩種極限狀況，溫場(chǎng)有限元分析可以看出在兩種極限工況下傳感器測(cè)量部溫度均能滿足使用要求。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）分體式超高溫法蘭變送器結(jié)構(gòu)型式（傳輸電纜≤10米）

下面就分體式遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)型式（傳輸電纜≤10米）做一說明：

如圖二所示：PDS分體式超高溫法蘭變送器采用分體式結(jié)構(gòu)。主要由PDS智能壓力變送器顯示部件、傳輸電纜、測(cè)量部組件、法蘭組件等組成。其中測(cè)量部組件與PDS智能壓力變送器顯示部件通過傳輸電纜連接、測(cè)量部組件與法蘭組件連接且連接部分充灌金屬合金充灌液，各零部件之間主要采用焊接結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在就這四大部分的細(xì)節(jié)做一簡要說明：

（a）顯示部分

如圖三所示：PDS智能壓力變送器顯示部件包含：顯示外殼、液晶顯示屏、按鍵、安裝部件、電氣接頭等。

顯示外殼主體材料316與鋁殼可選。按鍵安裝在外殼頂部，由蓋板密封，操作時(shí)需打開蓋板，用按鍵可以直接設(shè)定參數(shù)?？梢酝高^視窗玻璃，直接觀察顯示器上的變送器讀數(shù)和報(bào)警信號(hào)。安裝部件采用4-M8螺栓連接，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件進(jìn)行定制。

（b）傳輸部分

如圖四所示：傳輸部分選取耐腐蝕屏蔽電纜，連接可靠，線纜長度10米以內(nèi)。

（c）測(cè)量部組件

如圖五所示：測(cè)量頭組件包括測(cè)量頭連接件、散熱表體、隔離膜片、過程接頭等零部件。實(shí)際使用時(shí)散熱表體能有效散除由于高溫介質(zhì)通過法蘭組件所傳遞過來熱量從而保護(hù)測(cè)量部件有效工作。傳統(tǒng)散熱均位于法蘭組件的支撐桿上，這樣雖也能有效散熱，但由于冬季環(huán)境溫度有可能低至-40℃，從而會(huì)使金屬充灌液凝結(jié)，必需對(duì)金屬液充灌部位有效伴熱才能測(cè)量，散熱片位于表體能有效避免這個(gè)問題，即使冬季環(huán)境溫度低至-40℃仍可以通過溫度傳遞使得金屬充灌部位溫度達(dá)到+10℃以上，金屬液不會(huì)凝結(jié)而能進(jìn)行有效測(cè)量，實(shí)際測(cè)量時(shí)不需要對(duì)變送器進(jìn)行伴熱處理，夏季環(huán)境溫度+70℃，介質(zhì)溫度為+700℃ ，通過法蘭組件和散熱裝置仍能夠使變送器有效工作。

（d）法蘭組件

如圖六所示：法蘭組件包括支撐桿、整體法蘭、隔離膜片等零部件。在法蘭組件隔離膜片與測(cè)量部組件隔離膜片間充灌金屬合金充灌液。

4結(jié)束語：

由以上分析可知：與高溫介質(zhì)接觸的法蘭組件隔離膜片與測(cè)量部組件間充灌金屬合金充灌液，但其遠(yuǎn)傳部分不再使用毛細(xì)管而選取了耐腐蝕屏蔽的傳輸電纜，線纜長度可達(dá)10米。測(cè)量部組件特有的散熱結(jié)構(gòu)能有效避免傳感器因介質(zhì)高溫而損壞。這種分體式結(jié)構(gòu)不但解決了超高溫介質(zhì)的壓力測(cè)量同時(shí)也解決了高介質(zhì)溫度低環(huán)境溫度的壓力測(cè)量問題，不但實(shí)現(xiàn)在+10℃～+700℃寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定測(cè)量而且擴(kuò)充了PDS法蘭表種類。PDS分體式超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器其相關(guān)性能指標(biāo)經(jīng)測(cè)試完全合格。

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