隔膜密封壓力變送器設計選型中應注意的事項

　  摘要:隔膜密封系統測量精度和響應時間受諸多因素影響, 不僅受到膜片結構、毛細管直徑和長度、填充液特性等密封系統內在因素的影響, 而且也受到安裝環境, 主要是環境溫度變化帶來的影響。針對上述各類影響因素進行了剖析, 并對設計選型中應注意的事項進行了歸納總結, 以幫助工程設計人員正確選用、安裝隔膜密封系統。

1　引　言
        隔膜密封系統變送器是由膜片密封系統, 毛細管及填充液, 壓力或差壓變送器組合而成, 適用于因任何原因需要把變送器與工藝處理過程進行隔離的場合, 在工程設計中經常選用該類變送器, 在石化行業多用于腐蝕性、黏稠性、易結晶介質的液位、界面或流量測量。

        膜片密封系統和毛細管將過程壓力間接傳遞到變送器, 因此在選用隔膜密封壓力變送器時有許多因素要考慮。溫度的影響是主要因素, 如何避免或減少溫度變化對隔膜密封壓力變送器的性能影響, 并盡可能提高儀表的響應時間, 是正確合理選用隔膜密封壓力變送器的關鍵。

2　影響溫度性能的因素
2.1　膜片硬度及直徑
        膜片硬度是影響溫度特性的重要參數。當充填液隨著溫度的變化而膨脹或收縮時, 硬度小(彈性好)的膜片承受的反作用力比硬度高的膜片要小, 溫度變化產生的反向壓力作用于變送器的感應膜片上, 從而引起測量誤差。膜片硬度越小彈性越好, 硬度小彈性好的膜片在彈性范圍內的形變可吸收充填液體積變化, 能夠減小由溫度變化引起的充填液體積變化帶來的壓力影響, 較大限度克服溫度變化引起的誤差。

        在充填液體積因溫度引起變化時, 大直徑膜片產生的壓力測量誤差較小, 而較小直徑膜片產生的壓力測量誤差較大。

        以某一品牌變送器(單側毛細管密封系統)為例, 其填充液為DC200 , 密封膜片為316LSS , 每20 K 溫度變化所產生的壓力測量誤差如表1 所列;兩側毛細管密封系統的變送器, 每20 K 溫度變化所產生的壓力測量誤差為表中誤差值的25 %。

2.2 　填充液
        填充液起到壓力傳遞的作用, 充填液隨著溫度的變化而膨脹或收縮, 填充液的流動性和膨脹特性會影響遠傳膜片密封系統的性能。填充液特性參見表2 所示。

        充填液膨脹系數：選擇膨脹系數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, 因此選擇毛細管的長度要盡可能短, 毛細管直徑要盡可以小, 以減小填充液體積達到減少溫度誤差的目的。
        充填液黏度：充填液的黏度為其流動性能的量度, 填充液的黏度、毛細管的長度和毛細管的內徑均影響摩擦阻力, 摩擦阻力越大, 響應時間越長。選擇黏度性小的充填液將加快響應時間。

        圖1 為DN 50 膜片1 mm 直徑毛細管密封系統, 在不同填充液時每米的響應時間典型值(T90 %)。

毛細管內徑越小, 對壓力傳遞阻力越大, 速度也越慢。毛細管內徑大能加快傳遞速度, 縮短響應時間。毛細管越長, 壓力信號傳輸距離就越長, 增加了響應時間。

無論是用于差壓、流量還是液位測量, 正負壓室密封系統的膜片規格、兩端毛細管長度、填充液應相同。環境溫度變化所引起的兩端毛細管充灌液膨脹量相同, 盡可能減少因環境溫度變化造成的測量誤差。

2.3　對系統精度的影響
        密封系統由于溫度變化引起零點誤差, 毛細管填充液特性、溫度和長度決定了零點壓力偏移值。以DN80 , 316 L , 硅油填充液膜片密封系統為例, 毛細管長度為5 m , 毛細管環境溫度為45 ℃。該毛細管密封系統的“ TK 環境” 靜壓曲線如圖2所示。

        根據該曲線, 毛細管長度為5 m 的該密封系統, 對應的“ TK 環境”靜壓值為140 Pa/10K 。
        溫度變化值T =TK 環境-TK 校準=45 ℃-25 ℃=20 ℃;
        溫度變化產生的靜壓值p = T ×140 Pa/10 K =280 Pa 。
        因此該密封系統的零點漂移值是280 Pa 。
        在測量液位或界面時, 如圖3 所示, 對于雙法蘭變送器, 雖然兩端毛細管的長度相同, 可以克服環境溫度變化膨脹量的影響, 但不能克服兩端毛細管靜壓的影響。上下兩個取壓口的距離(H)這段(毛細管內充填液由于溫度變化而影響密度的變化, 溫度膨脹系數大則密度變化大)由填充液密度變化引起的靜壓是很難抵消。因此應考慮選用充填液密度受溫度變化影響小的充填液, 也就是選用溫度膨脹系數小的充填液。填充液特性表中的密度是25 ℃時的密度, 環境溫度變化將會引起填充液密度變化。

        25 ℃時, 假如液位變送器以負遷移量-Δp1為零點, Δp1 =ρ2 gH ;
        溫度變化時, 充填液密度的變化量為Δp 時,此時實際零點-Δp2 =(ρ2 +Δp)gH ;
        最終引起的靜壓變化值Δp =ΔρgH , 也就是零點飄移值。
        測量范圍大毛細管越長、充填液膨脹系數大、環境溫度變化大的情況下, 零點漂移越嚴重。解決此問題的方案是對充填液密度變化進行溫度補償(需要精確測量時), 或者通過改變安裝位置和穩定環境溫度等措施把膨脹靜壓減到最小。
        選擇毛細管的長度要盡可能短, 毛細管直徑要盡可能小, 以減小填充液體積達到減少溫度誤差。

3　結束語
        總之, 合理選用法蘭密封系統差壓變送器應綜合考慮, 既要盡可能減少環境溫度變化帶來的測量誤差, 又要滿足過程測量工藝介質特性、溫度、響應時間等要求。

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