隔膜密封压力变送器设计选型中应注意的事项

　摘要:隔膜密封系统测量精度和响应时间受诸多因素影响, 不仅受到膜片结构、毛细管直径和长度、填充液特性等密封系统内在因素的影响, 而且也受到安装环境, 主要是环境温度变化带来的影响。针对上述各类影响因素进行了剖析, 并对设计选型中应注意的事项进行了归纳总结, 以帮助工程设计人员正确选用、安装隔膜密封系统。

1　引　言
隔膜密封系统变送器是由膜片密封系统, 毛细管及填充液, 压力或差压变送器组合而成, 适用于因任何原因需要把变送器与工艺处理过程进行隔离的场合, 在工程设计中经常选用该类变送器, 在石化行业多用于腐蚀性、黏稠性、易结晶介质的液位、界面或流量测量。

膜片密封系统和毛细管将过程压力间接传递到变送器, 因此在选用隔膜密封压力变送器时有许多因素要考虑。温度的影响是主要因素, 如何避免或减少温度变化对隔膜密封压力变送器的性能影响, 并尽可能提高仪表的响应时间, 是正确合理选用隔膜密封压力变送器的关键。

2　影响温度性能的因素
2.1　膜片硬度及直径
膜片硬度是影响温度特性的重要参数。当充填液随着温度的变化而膨胀或收缩时, 硬度小(弹性好)的膜片承受的反作用力比硬度高的膜片要小, 温度变化产生的反向压力作用于变送器的感应膜片上, 从而引起测量误差。膜片硬度越小弹性越好, 硬度小弹性好的膜片在弹性范围内的形变可吸收充填液体积变化, 能够减小由温度变化引起的充填液体积变化带来的压力影响, 较大限度克服温度变化引起的误差。

在充填液体积因温度引起变化时, 大直径膜片产生的压力测量误差较小, 而较小直径膜片产生的压力测量误差较大。

以某一品牌变送器(单侧毛细管密封系统)为例, 其填充液为DC200 , 密封膜片为316LSS , 每20 K 温度变化所产生的压力测量误差如表1 所列;两侧毛细管密封系统的变送器, 每20 K 温度变化所产生的压力测量误差为表中误差值的25 %。

温度每变化20 K 的压力测量误差kPa

2.2 　填充液
填充液起到压力传递的作用, 充填液随着温度的变化而膨胀或收缩, 填充液的流动性和膨胀特性会影响远传膜片密封系统的性能。填充液特性参见表2 所示。填充液特性(25℃)

充填液膨胀系数：选择膨胀系数较小的填充液有助于减小温度变化带来的误差。填充液体积越大, 其膨胀潜力也越大, 因此选择毛细管的长度要尽可能短, 毛细管直径要尽可以小, 以减小填充液体积达到减少温度误差的目的。
充填液黏度：充填液的黏度为其流动性能的量度, 填充液的黏度、毛细管的长度和毛细管的内径均影响摩擦阻力, 摩擦阻力越大, 响应时间越长。选择黏度性小的充填液将加快响应时间。

填充液响应时间
图1 为DN 50 膜片1 mm 直径毛细管密封系统, 在不同填充液时每米的响应时间典型值(T90 %)。

毛细管内径越小, 对压力传递阻力越大, 速度也越慢。毛细管内径大能加快传递速度, 缩短响应时间。毛细管越长, 压力信号传输距离就越长, 增加了响应时间。

无论是用于差压、流量还是液位测量, 正负压室密封系统的膜片规格、两端毛细管长度、填充液应相同。环境温度变化所引起的两端毛细管充灌液膨胀量相同, 尽可能减少因环境温度变化造成的测量误差。

2.3　对系统精度的影响
密封系统由于温度变化引起零点误差, 毛细管填充液特性、温度和长度决定了零点压力偏移值。以DN80 , 316 L , 硅油填充液膜片密封系统为例, 毛细管长度为5 m , 毛细管环境温度为45 ℃。该毛细管密封系统的“ TK 环境” 静压曲线如图2所示。 “ TK 环境”静压曲线

        根据该曲线, 毛细管长度为5 m 的该密封系统, 对应的“ TK 环境”静压值为140 Pa/10K 。
        温度变化值T =TK 环境-TK 校准=45 ℃-25 ℃=20 ℃;
        温度变化产生的静压值p = T ×140 Pa/10 K =280 Pa 。
        因此该密封系统的零点漂移值是280 Pa 。
        在测量液位或界面时, 如图3 所示, 对于双法兰变送器, 虽然两端毛细管的长度相同, 可以克服环境温度变化膨胀量的影响, 但不能克服两端毛细管静压的影响。上下两个取压口的距离(H)这段(毛细管内充填液由于温度变化而影响密度的变化, 温度膨胀系数大则密度变化大)由填充液密度变化引起的静压是很难抵消。因此应考虑选用充填液密度受温度变化影响小的充填液, 也就是选用温度膨胀系数小的充填液。填充液特性表中的密度是25 ℃时的密度, 环境温度变化将会引起填充液密度变化。

双法兰变送器安装示意
        25 ℃时, 假如液位变送器以负迁移量-Δp1为零点, Δp1 =ρ2 gH ;
        温度变化时, 充填液密度的变化量为Δp 时,此时实际零点-Δp2 =(ρ2 +Δp)gH ;
        #终引起的静压变化值Δp =ΔρgH , 也就是零点飘移值。
        测量范围大毛细管越长、充填液膨胀系数大、环境温度变化大的情况下, 零点漂移越严重。解决此问题的方案是对充填液密度变化进行温度补偿(需要精que测量时), 或者通过改变安装位置和稳定环境温度等措施把膨胀静压减到#小。
        选择毛细管的长度要尽可能短, 毛细管直径要尽可能小, 以减小填充液体积达到减少温度误差。