摘要：化工裝置中測量壓力、差壓、流量以及液位時經(jīng)常會用到隔膜式變送器，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流體直接接觸，提高變送器對被測流體的適應(yīng)能力，但會對測量帶來影響，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)精度和響應(yīng)時間兩方面。詳細分析了隔膜膜片尺寸、剛度，毛細管長度、直徑以及填充液的性質(zhì)對隔膜變送器測量產(chǎn)生的影響，探討了工程設(shè)計中應(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)境因素帶來的誤差，從而使測量更精que。
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管形式的連接結(jié)構(gòu)稱為隔膜密封系統(tǒng)。隔膜式壓力變送器主要用于以下幾種場合：
１）被測量介質(zhì)是腐蝕性、結(jié)晶性、黏稠性、易氣化、含懸浮物的液體。
２）過程介質(zhì)可能會在變送器或引壓管路里凍結(jié)或固化。
３）過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）過程液體非常危險，不能進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)。
變送器檢測部件設(shè)置隔膜是為了避免電容傳感元件和被測流體直接接觸，使電容元件具有良好、穩(wěn)定的工作條件，同時可以提高變送器對各種被測差壓流體的適應(yīng)能力。但是增加隔膜密封系統(tǒng)會影響變送器總的系統(tǒng)性能，主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)精度和響應(yīng)時間的影響。
１ 對系統(tǒng)精度的影響
采用隔膜式變送器對測量精度的影響主要包括兩個方面：隔膜至測量膜片的壓力損耗；環(huán)境溫度變化引起的零點漂移。其中隔膜至測量膜片的壓力損耗主要與環(huán)境溫度變化引起的零點漂移、毛細管內(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 隔膜至測量膜片的壓力損耗
隔膜變送器工作期間，當(dāng)過程壓力作用時，膜片發(fā)生位移，被測壓力通過充液系統(tǒng)及毛細管管路，將過程壓力間接傳遞到變送器，這期間會造成隔膜至測量膜片的壓力損耗［３］。該損耗是指被測流體對檢測部件高壓側(cè)和低壓側(cè)隔膜分別作用以高壓力ｐＨ和低壓力ｐＬ時，測量膜片檢測到的差壓不等于ｐＨ －ｐＬ。
設(shè)這時高壓側(cè)和低壓側(cè)測量膜片受到的壓力分別為ｐＨ１和ｐＬ１，φｓ和φｍ分別是隔膜和測量膜片的剛度。測量膜片處的壓差可通過下式計算：
可見壓力損耗主要與隔膜和測量膜片的剛度有關(guān)，膜片的剛度φ 可通過下式計算：
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膜片的位移很小，可以認為不同材質(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）
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，這時隔膜的壓力損耗變得越小。當(dāng)φｍ遠大于φｓ時，ｐＨ１－ｐＬ１ ≈ｐＨｐＬ，被測差壓幾乎全部傳遞到測量膜片上。因此，設(shè)計時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)，通常隔離膜片都會選用波紋膜片。
１．２ 環(huán)境溫度變化引起的零點漂移
１．２．１ 填充液對測量的影響
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影響遠傳膜片密封系統(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的誤差。填充液體積越大，其膨脹潛力也越大，因而選擇毛細管的長度要盡可能短，毛細管直徑要盡可能小，以減小填充液體積的方式來達到減小溫度誤差的目的。無論是用于差壓、流量還是液位測量，正負壓室密封系統(tǒng)的膜片規(guī)格、兩端毛細管長度、填充液應(yīng)相同。環(huán)境溫度變化所引起的兩端毛細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量誤差。２５℃時常用填充液的特性見表１所列，環(huán)境溫度變化將會引起填充液密度和黏度的變化。
在測量液位或界面時，對于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細管的長度相同，可以克服環(huán)境溫度變化對膨脹量的影響，但不能克服上下２個取壓口之間毛細管靜壓的影響。這是因為環(huán)境溫度改變使得毛細管內(nèi)填充液密度改變，從而引起這段毛細管產(chǎn)生的靜壓發(fā)生改變，導(dǎo)致變送器的實際遷移量發(fā)生改變，引起零點漂移。需要注意的是，當(dāng)被測介質(zhì)溫度較高，采用高溫硅油（如ＤＣ７０４）時，需要對毛細管實施伴熱，保證硅油的工作溫度。
在直徑為０．７ｍｍ、長度為３０５ｍｍ 的毛細管里，填充液隨溫度產(chǎn)生的膨脹如圖１所示。
選擇填充液時并不是單純選擇熱膨脹系數(shù)#低的，而是應(yīng)綜合被測介質(zhì)的特性、溫度以及填充液的特性，根據(jù)經(jīng)濟適用原則，選擇能夠應(yīng)用在實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)情況下其實用性低于ＤＣ．２００硅油。
１．２．２ 膜片剛度對溫度性能的影響
當(dāng)溫度變化使填充液膨脹與收縮時，膜片會承受一個反向的壓力，導(dǎo)致膜片承受的實際壓力和傳遞到檢測膜片壓力不一致，會引起測量誤差。剛度小的膜片在彈性范圍內(nèi)的形變可以吸收充液使體積變化，能夠減小由溫度變化引起的填充液體積變化帶來的反向壓力，較大限度減小溫度變化引起的誤差。一般來說，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#大限度減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時可發(fā)生的壓力誤差值［８］。填充液體積變化相同的情況下，對于同種材料的膜片，大直徑（剛度小）和小直徑（剛度大）對測量誤差的影響如圖２所示。
因此，填充液因溫度變化而引起體積變化時，剛度小的膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較小，而剛度大的膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較大。同時需要指出的是，通常情況下，φｍ／φｓ可達１０３ 數(shù)量級，φｍ遠大于φｓ，被測壓力幾乎全部傳遞到測量膜片上，因而膜片剛度對溫度性能的影響要遠大于對測量精度的影響。
２ 填充液對響應(yīng)時間的影響
填充液的黏度及毛細管的長度、內(nèi)徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大響應(yīng)時間越長。填充液黏度為其流動性能的量度，并與溫度有關(guān)，溫度越高，流動性能越高，選擇黏度較小的填充液將加快響應(yīng)時間。毛細管內(nèi)徑越小，則產(chǎn)生更強的節(jié)流，對壓力傳遞阻力越大，速度也越慢。毛細管內(nèi)徑大能加快傳遞速度，縮短響應(yīng)時間。毛細管越長，壓力信號傳輸距離就越長，增加了響應(yīng)時間。
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)不同場合的需要來選用。
從綜合情況考慮，一般情況下，毛細管長度小于６ｍ時可以選用直徑為０．７ｍｍ，６～１０ｍ 可以選擇直徑為１．１ｍｍ，大于１０ｍ 時應(yīng)該選用直徑為１．７５ｍｍ。
在大型容器與液位緩慢變化的應(yīng)用場合，響應(yīng)時間對測量的影響甚微，可以不受較長響應(yīng)時間的影響。然而，如果是一個又小又窄的容器，若響應(yīng)時間太長，容易發(fā)生測量滯后太大。另外，如測量流量等變化較快的工藝參數(shù)時，要求較快的響應(yīng)時間，這時需要選擇長度較小和內(nèi)徑較大的毛細管，以便達到較理想的測量效果。
３ 結(jié)束語
在選用隔膜密封時需考慮許多因素，如何減小隔膜至測量膜片的壓力損耗，避免或減小溫度變化對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)時間，是正確合理選用隔膜密封壓力變送器的關(guān)鍵。選擇#合適的膜片密封件、毛細管與填充液可#大限度減小這些影響。綜上分析，當(dāng)設(shè)計一個遠傳膜片系統(tǒng)時，應(yīng)考慮以下方面。
１）選用較大直徑的膜片以#大限度減少壓力損耗和溫度的影響。
２）盡可能縮短毛細管長度以減小溫度對測量的影響，減少響應(yīng)時間。
３）選擇內(nèi)直徑較大的毛細管以縮短響應(yīng)時間或選擇內(nèi)直徑較小的毛細管來改善溫度性能。
４）盡量選擇黏度小、熱膨脹系數(shù)小而同時能滿足#極端的過程條件的填充液。選擇時需要考慮測量效果和經(jīng)濟成本，根據(jù)現(xiàn)場實際情況選取：如果毛細管的長度較短，可以選擇大口徑或者小口徑的膜片；如果測量范圍較大，毛細管長度較長，則需要選擇大口徑的膜片，一方面是減少壓損，另一方面可以彌補部分毛細管長度太長引起的零點漂移。
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