核工業(yè)場景下小型化壓力/差壓變送器結(jié)構設計及測量膜片力學分析

0 引言

常見的壓力/差壓變送器根據(jù)測量原理的不同，可以分為電容式變送器[1-2]、半導體硅變送器等[3]。核工業(yè)場景中壓力/差壓變送器前期較多采用西安儀表廠的1151系列[4]，個別差壓測量采用川儀橫河的EJA系列；后續(xù)以羅斯蒙特（Rosemount）的3051C型變送器（壓力）/3051CD型變送器（差壓）5為主。羅斯蒙特的3051系列變送器為電容式智能型變送器，精度、可靠性等技術指標都要強于1151系列變送器，重量、體積都較1151型小。

近年來，隨著新方法、新器件、新材料、新工藝的引入，熱工參數(shù)測量已經(jīng)發(fā)展進入一個新的時代。測量方法上從傳統(tǒng)的單一測量發(fā)展到多參數(shù)測量，出現(xiàn)了新型無線以及微機電（MEMS）傳感器，測量儀表從傳統(tǒng)的模擬儀表發(fā)展為智能型和總線型儀表，傳輸方式由 發(fā)展到現(xiàn)場總線、無線傳輸?shù)?。這些新技術、新設備在石化、電力等行業(yè)中已經(jīng)有所應用并積累了一定的應用經(jīng)驗，這就為核工業(yè)場景總的過程儀表小型化奠定了基礎。

對于核工業(yè)場景中過程儀表系統(tǒng)的小型化研究，可從過程儀表系統(tǒng)的簡化和瘦身、新型測量架構、儀表小型化和安裝布置優(yōu)化幾方面入手進行分析，本文主要從壓力/差壓測量儀表小型化方面開展研究。

1壓力/差壓測量儀表小型化分析

壓力/差壓測量儀表中的壓力/差壓變送器是核工業(yè)場景中數(shù)量多、占用空間大的主要儀表，其小型化研究對整個過程儀表的小型化有十分重要的意義。

壓力/差壓變送器的小型化研究可以從變送器的傳感器和表頭兩部分入手，這兩部分也是占變送器的體積比重最大的兩部分。

變送器傳感器部分的小型化方面，傳統(tǒng)的電容式傳感器由于其工作原理，體積很難做到小型化；而半導體諧振式變送器由于半導體材料的耐輻照性能相對不足，無法長時間在輻照劑量高的區(qū)域使用。所以，變送器傳感器部分的小型化需要對變送器結(jié)構進行大幅調(diào)整，甚至涉及測量原理、材料以及制造工藝的改進，比如采用金屬材料應變測量原理或是引入MEMS等先進技術，但這些實現(xiàn)起來難度比較大（相當于從根本上新研制一類變送器），實現(xiàn)周期可能也比較長。

變送器的表頭部分包括外殼、信號調(diào)理放大與轉(zhuǎn)換電路、輸出接口模塊等幾部分，帶顯示表頭的變送器還包含有顯示模塊，智能型變送器還包括處理器模塊等。其中表頭內(nèi)部結(jié)構相對簡單，空間相對比較富裕，小型化的可能性比較大。

隨著科技的進步，集成IC水平日新月異，在保證功能的前提下，現(xiàn)有變送器表頭內(nèi)的電子部分體積可以大幅度減小；表頭的整體結(jié)構由水平橫置改為豎直放置，與變送器傳感器部分形成一個整體結(jié)構，可以省去傳統(tǒng)變送器中間過渡段結(jié)構；電纜連接采用電連接器型式取代現(xiàn)有的接口型式（現(xiàn)有接線是將電纜通過表頭頂部的接線接口引入后接在接線端子上的，因為需要手動操作，所以預留有操作空間）。

通過這些措施，變送器表頭的體積可以縮小 50% 左右，相當于整個變送器的體積縮減 30% 左右。

2小型化壓力/差壓變送器功能性能要求

小型化壓力/差壓變送器安裝在核工業(yè)場景相關工藝系統(tǒng)測量位置，壓力/差壓信號通過管道引至帶膜片密封組件，再經(jīng)遠傳毛細管將壓力/差壓信號傳導至壓力/差壓變送器本體的隔離膜片上，隔離膜片再將壓力通過硅油傳導至中心測量膜片，測量膜片發(fā)生位移產(chǎn)生電容的變化，變送器的轉(zhuǎn)換部分將電容的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化，從而將壓力/差壓信號以線性或平方根關系轉(zhuǎn)換為兩線制 DC信號輸出。

變送器支持HART工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議，可通過手操器或其他設備對變送器進行在線調(diào)整或設置，包括零點與量程設定、線性或平方根輸出設定、阻尼設置、時間校準等。其測量范圍為 （壓力型）、 （差壓型），測量基本精度不低于 ±0.3% 量程，啟動時間不大于 。尺寸（不帶表頭）為：高度 lt; ，長度 ，寬度 ，重量不超過 。變送器本體可在累積輻照劑量 （正常運行）的情況下工作，帶膜片密封組件可在累積輻照劑量 （正常運行）的情況下工作。

3小型化壓力/差壓變送器測量原理和結(jié)構設計

3.1 測量原理

電容式壓力/差壓變送器是一種利用電容敏感元件將被測壓力和差壓轉(zhuǎn)換成與之成一定關系的標準電流信號，實現(xiàn)壓力和差壓測量的儀表。

3.2 總體結(jié)構

1）壓力/差壓變送器本體。小型化壓力/差壓變送器本體部分主要由壓力傳感器、傳感器法蘭夾板、螺栓、電路、外殼、電氣連接器、銘牌等組成，主要功能是將遠程法蘭測量裝置的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。

2）遠傳法蘭測量裝置。遠傳法蘭測量裝置主要由測量頭組件、鎧裝毛細管組件、填充液組成，其功能為將過程測量點壓力信號傳遞至傳感器本體。

本體部分與遠傳法蘭測量裝置通過密封連接，兩部分充灌耐輻照硅油實現(xiàn)壓力遠程傳遞。小型化壓力/差壓變送器測量系統(tǒng)整體外形圖如圖1所示，壓力/差壓傳感器本體組件爆炸圖如圖2所示。

3.3 結(jié)構設計

根據(jù)小型化的設計需求，電子倉部分由以往變送器的T型結(jié)構改為立式圓柱結(jié)構可減小外形尺寸，材質(zhì)采用316不銹鋼，外徑為 80mm ，產(chǎn)品高度 150mm 0新的變送器下部傳感器模板尺寸與傳統(tǒng)變送器接近，電子倉外形采用立式圓柱結(jié)構設計后，整體尺寸對比傳統(tǒng)變送器對空間的占用可減少 40% 左右。小型化變送器尺寸圖如圖3所示，滿足性能要求中的外形尺寸限制要求。

4小型化變送器測量膜片力學分析

傳感器是壓力變送器的核心部件，其性能取決于材料特性、力學結(jié)構和制造工藝。目前壓力傳感器主要為微位移傳感器，位移的產(chǎn)生來自于測量膜片受力后的撓曲變形。金屬電容壓力傳感器測量膜片為圓形膜片，低量程段為張緊膜，高量程段為雙面E型薄板。對于力傳感器而言，彈性材料的蠕變和回滯特性非常關鍵，必須嚴格控制。測量膜片材料采用3J53恒彈性合金，該材料可沉淀硬化，在適當?shù)臒崽幚砗螅? F溫度范圍內(nèi)彈性模量系數(shù)為 $（-46＼sim66＼$ 范圍內(nèi)為 ，抗拉強度為 1310MPa ，屈服強度為1 。測量膜片為塑性金屬材料，因此采用等效應力強度理論進行強度判定，最低安全系數(shù)取1.2，最高許用應力為 ，材料最高等效應力應低于許用應力。

彈性膜片分為薄膜和薄板兩種類型，薄膜又分為無初始張力和有初始張力型。

無初始張力型就按球面考慮，中心撓度滿足式（1）：

式中： 為中心撓度 5 為泊松比； 為膜片半徑 為均布壓力（MPa）； E 為楊氏模量 （Pa） ，h 為膜片厚度 。

薄膜的法向位移如式（2）所示：

式中： r 為計算半徑 為中心撓度受力變化后的膜片半徑，其計算如下：

有初始張力型薄膜的法向位移與膜片的張力相關，如式（4）所示：

式中： σ 為膜片張力 ，張力為單位長度力，因此應力乘以膜片厚度就是張力，即張力考慮了膜片厚度。

當撓度很小時，可以進一步簡化得式（5）：

當考慮膜片剛度時，按圓形薄板計算，法向位移如式（6）所示：

顯然，每種計算方法都有局限性，而有限元分析的數(shù)值近似解法具備更高的精度。以下采用有限元分析方法對各測量膜片進行仿真分析。

總體而言，由于膜座的球面弧坑深度約 綜合考慮膜片的線性彈性和寬量程，傳感器滿量程設計為最大撓度（中心撓度） 左右為宜。

對于薄膜片，為使其保持在彈性形變范圍內(nèi)，施加預張緊力成為關鍵工藝。對于有限元仿真，膜片預張緊力載荷的施加采用在周邊施加徑向位移來實現(xiàn)。

1#傳感器量程為 ，測量膜片厚度為 。周邊施加4～m{m}"徑向位移，產(chǎn)生一致的60.3MPa 拉伸應力，因此張力為 。在預張緊力基礎上施加均布壓力 1.5，撓度和應力強度如圖4所示。

由圖5中分析可知，滿量程載荷下最大撓度為0.0528mm ，在合理范圍。最大等效應力為 75.3MPa ，遠低于許用應力，因此材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。

用同樣的方法對2#、3#和4#傳感器進行計算，所有數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

由表1可知，從1#到3#傳感器在滿量程載荷下的最大撓度均在合理范圍內(nèi)，最大等效應力均遠低于或低于許用應力。因此，膜片材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。只有4#傳感器在滿量程載荷下最大撓度為 ，與 傳感器相比其撓度變形偏大一些，但也可以正常工作。最大等效應力為 693.5MPa ，低于許用應力 ，因此膜片材料能正常工作，彈性性能也能得到保證。

傳感器膜片為雙面E型薄板結(jié)構，不再進行張緊，撓度形變主要由環(huán)形槽較薄處產(chǎn)生。

5#傳感器量程為 ，測量膜片厚度為 ，開槽處厚度為 ，5#膜片結(jié)構如圖6所示。

施加均布壓力 ，撓度和應力強度等位圖切剖示意圖如圖7所示。

由圖7（a）可知，滿量程載荷下最大撓度為0.0608mm ，在合理范圍內(nèi)。最大等效應力為 1230.9MPa ，低于許用應力 ，因此材料能正常工作，彈性性能得到保證。

由表2可知，5#和6#傳感器在滿量程載荷下最大撓度均在合理范圍內(nèi)，最大等效應力均低于許用應力。因此，膜片材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。7#和8#傳感器在滿量程載荷下最大撓度為""和 0.0364mm ，二者的撓度變形偏小一些，靈敏度相對低，但可以正常測量。7#和8#傳感器的最大等效應力均低于許用應力""，因此膜片材料能正常工作，彈性性能也能得到保證。

5 結(jié)論

本文結(jié)合核工業(yè)應用場景對過程測量系統(tǒng)小型化的需求，從儀表小型化角度出發(fā)，通過對電容式壓力/差壓變送器的小型化進行可行性分析并提出功能性能要求，進行了結(jié)構設計；同時對所設計結(jié)構的關鍵感壓元件測量膜片開展了力學分析，測量膜片撓度和應力強度分析結(jié)果表明，小型化變送器測量膜片的材料性能和彈性性能均可滿足測量要求。

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