遠傳隔膜密封壓力變送器溫度影響的分析
對于核安全相關(guān)壓力變送器，其不確定度一直是核電廠(chǎng)儀表設計的關(guān)注重點(diǎn)。美國儀表標準ISA - S67.04. 01對核安全相關(guān)儀表在正常和事故工況下不確定度應考慮的影響因素作出了明確規定，包括參考精度、溫度影響、壓力影響、電源變化影響、漂移、輻照影響、地震影響等，并提出了均方根、代數和兩種計算綜合不確定度的方法。標準IEC - 61888也有相同表述。
本文以ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度標準作為理論出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)對遠傳隔膜密封壓力變送器溫度影響及標定量程溫度修正展開(kāi)分析。
1壓力遠傳系統介紹
在實(shí)際工業(yè)測量應用中，若需要測量的工藝過(guò)程介質(zhì)具有溫度高、腐蝕性、有固體顆�；蛘吵硇�、易結晶等特點(diǎn)時(shí)，需將壓力變送器與工藝過(guò)程介質(zhì)隔離開(kāi)。因此可考慮為變送器配備遠傳隔膜密封裝置，組成遠傳隔膜密封壓力變送器，或稱(chēng)壓力遠傳系統，將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器。
通常一個(gè)遠傳隔膜密封壓力變送器由以下四個(gè)部分組成，包括一個(gè)壓力或差壓變送器、一個(gè)或兩個(gè)隔膜密封件（常用為法蘭型結構）、相應長(cháng)度的毛細管（數量與隔膜密封件數量對應）以及填充液。
2、壓力遠傳系統溫度影響
在壓力遠傳系統綜合不確定度影響因素中，溫度影響#為顯著(zhù)。壓力遠傳系統暴露于核電廠(chǎng)正常運行環(huán)境溫度中，環(huán)境溫度可能高于或低于系統#后標定時(shí)所處的溫度，這樣系統的輸出相比#后標定時(shí)的輸出將產(chǎn)生變化，這種影響應該在儀表不確定度計算中考慮進(jìn)來(lái)。為了估計這種影響的幅度，應該定義高于或者低于標定溫度的極端運行溫度( OT)。如果沒(méi)有運行經(jīng)驗文件和設計房間溫度數據可以參考，這些溫度值很多情況下都是基于導則假定的。例如，可以保守的假設#大運行溫度( OT)和#小標定溫度(CT)來(lái)放大溫度波動(dòng)區間，以獲得保守估計。只要定義好溫度波動(dòng)區間，溫度影響的不確定度就可以使用儀表供應商發(fā)布的溫度影響規范書(shū)來(lái)計算獲得。
以下從變送器本體和遠傳隔膜密封裝置兩方面來(lái)研究壓力遠傳系統溫度影響產(chǎn)生的機理。
2.1變送器本體
目前，核電廠(chǎng)常用的經(jīng)過(guò)質(zhì)量鑒定的壓力變送器主要采用電容式測量原理。即檢測部件將壓力變化轉化為電容值的變化，通過(guò)一定的測量電路將電容值轉換為電壓、電流或頻率信號并放大，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應好、過(guò)載能力強等優(yōu)點(diǎn)，但很容易受溫度、濕度等外界干擾，尤其對溫度比較敏感，變化的環(huán)境溫度將對變送器的檢測部件和電子電路產(chǎn)生影響。
2.1.1檢測部件
一方面，變送器測量的膜片的初始張力會(huì )隨溫度變化，使得靈敏度發(fā)生改變，從而帶來(lái)誤差；另一方面，變送器本體腔室中的充液體積會(huì )隨溫度變化膨脹或收縮，使得充液壓力發(fā)生變化，從而導致變送器輸出產(chǎn)生漂移。另外，變送器檢測部件在進(jìn)行零部件裝配（包括安裝法蘭）后，不可避免地會(huì )存在一定的裝配應力，這些應力數值會(huì )隨著(zhù)溫度發(fā)生變化，引起檢測部件的工作特性產(chǎn)生溫度誤差。
2.1.2電子電路
shou先，變送器絕緣及屏蔽性能隨溫度變化。在溫度升高時(shí)，絕緣及屏蔽性能將下降，使變送器信號的抗干擾能力減弱，從而對測量精度產(chǎn)生不利影響。其次，變送器電子元器件的工作性能參數也會(huì )隨溫度產(chǎn)生一定的變化。以上兩部分原因將導致輸出信號偏離正常值。
2.2遠傳隔膜密封裝置
遠傳隔膜密封裝置由隔膜密封件、毛細管以及填充液組成，其性能隨環(huán)境溫度發(fā)生變化。這是因為填充液隨溫度變化而膨脹或收縮，帶來(lái)充液體積的變化，而隔膜密封膜片有剛性，填充液體積的變化作用在剛性膜片上，膜片無(wú)法在彈性形變范圍內將填充液體積變化全部吸收，因此隔膜密封膜片的反向作用力將通過(guò)系統傳遞至變送器的感壓膜片上，引起誤差。另外，對于在豎直方向安裝的遠傳隔膜密封裝置，由于填充液的密度也隨溫度變化，因此在豎直方向上會(huì )有靜壓的影響。該影響是由環(huán)境溫度波動(dòng)引起的，可加到溫度影響的誤差上。
根據上述內容，可知有兩個(gè)主要因素影響遠傳隔膜密封裝置的溫度性能：填充液的特性和隔膜密封膜片的剛性。
2.2.1填充液特性
(l)熱膨脹系數。填充液起到壓力傳遞的作用，其隨溫度的變化而膨脹或收縮，熱膨脹系數確定了該變化量，即單位體積填充液?jiǎn)挝粶囟鹊捏w積變化量，單位為mU( mL．℃。1)。各種填充液熱膨脹系數如表1所示。
(2)填充液體積：填充液體積越大，其膨脹潛力也越大。因此，縮短毛細管長(cháng)度、減小毛細管內徑，可減少填充液的體積，有助于減少溫度變化帶來(lái)的誤差。
(3)充液操作的質(zhì)量。在對毛細管進(jìn)行充液操作時(shí)，若填充液中混入了氣體或其他易揮發(fā)物質(zhì)，則隨著(zhù)溫度升高，密封系統中的易揮發(fā)物質(zhì)就會(huì )膨脹，引起總的填充液體積發(fā)生變化，甚至出現過(guò)度緊張，導致永久變形。
2.2.2膜片剛性
膜片剛性受膜片測量部分的直徑、膜片材料、膜片厚度及膜片波紋樣式的影響，在這些因素中，膜片的直徑是#重要的。每種膜片都有自己的剛性曲線(xiàn)，如圖1所示。
一般來(lái)說(shuō)，宣徑越大的膜片剛性越弱，即彈性越強，可在彈性形變范圍內更多地吸收填充液體積的變化，有助于#大限度地減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)反生的壓力誤差。圖l所示膜片剛性曲線(xiàn)表明，由溫度變化引起的充液體積變化對大直徑膜片帶來(lái)的誤差比小直徑膜片帶來(lái)的誤差小。3如何選擇遠傳隔膜密封裝置。
經(jīng)理論分析和實(shí)際應用經(jīng)驗表明，壓力遠傳系統測量性能受溫度變化影響的程度主要取決于遠傳隔膜密封裝置，將合理選擇遠傳隔膜密封裝置，將有利于減少溫度變化帶來(lái)的不確定度誤差。
3.1隔膜密封件
選擇較大直徑的隔膜密封膜片，以減小膜片剛性。另外，當系統完成充液操作后，其充液量應當使膜片工作在圖1所示的膜片剛性曲線(xiàn)上線(xiàn)性#好且斜率#大的一段區間內。
3.2填充液
選擇低膨脹系數的填充液，可減少填充液隨溫度變化而膨脹或收縮的程度，有助于降低溫度變化帶來(lái)的誤差。
3.3毛細管
縮短毛細管的長(cháng)度，并減小毛細管內徑，使總的填充液量減少，從而減小填充液的膨脹潛力。但需注意的是，一味減小毛細管內徑將導致系統響應時(shí)間增加，致使系統動(dòng)態(tài)性能下降。二者之間如何平衡取舍要由不同的應用場(chǎng)合來(lái)決定。
隔離密封膜片直徑、填充液類(lèi)型和毛細管尺寸這三者之間不同組合的測量誤差（由環(huán)境溫度變化導致）對比如圖2所示。誤差數據基于的條件為：變送器所在環(huán)境溫度分別變化25下(140C)和50下(28℃)。圖2中，縱坐標代表由環(huán)境溫度變化導致的變送器壓力輸出變化，即測量誤差，用AP表示，單位采用壓力單位；橫坐標表示不同的膜片直徑、充液、毛細管長(cháng)度與毛細管內徑的組合，其中膜片直徑單位為英寸（1英寸= 25.4 mm）、毛細管長(cháng)度單位為英尺(1英尺=0. 304 8 m)。
另外，在雙隔膜密封系統中，兩側配置盡量保持一致，可使溫度影響得到#大的平衡。
4標定量程修正
理論上，壓力遠傳系統的標定溫度應同設計運行溫度一致。在某些情況下，由于儀表不具備在設計運行溫度下進(jìn)行標定的條件，會(huì )導致儀表設計運行溫度與標定溫度有差異，這將帶來(lái)非隨機的不確定度，即偏差。根據ISA - RP67. 04. 02 - 2000標準的定義，偏差是一種系統性的儀表不確定度，在一系列給定的條件下是可預測的，從而可知其變化的方向（正或負）。其幅度也可根據相關(guān)影響規范書(shū)來(lái)計算。
通常情況下，由設計運行環(huán)境和標定環(huán)境差異導致的偏差需要進(jìn)行修正，這在標定規程中都有規定。以某核電廠(chǎng)安全殼廠(chǎng)房外環(huán)廊地坑液位變送器為例，說(shuō)明標定量程的溫度修正，其安裝示意圖如圖3所示。
該液位變送器采用羅斯蒙特K1級遠傳隔膜密封壓力變送器，液位測量范圍為-3.4 - -1 m。變送器本體為1154系列電容式差壓變送器，高壓側連接1159系列隔膜密封裝置，其中毛細管長(cháng)度為15英尺，填充液為DC200硅油。1154系列產(chǎn)品手冊顯示，環(huán)境溫度每變化56℃的變送器本體測量誤差為81，其計算公式為：
式中：URL為Upper Range Limit，表示變送器測量上限值；Span為變送器標定量程，即4-20 mA輸出對應的壓力測量范圍。對于壓力變送器，其測量誤差8通常以標定量程的分比來(lái)表示，即6(% of span)，故以s
(%of URL)表示的誤差需按下式轉換。
1159系列產(chǎn)品手冊顯示，環(huán)境溫度每變化56 0C的遠傳隔膜密封裝置測量誤差為82，其計算公式為：
式(3)表達的含義為，在環(huán)境溫度變化56℃的條件下，長(cháng)度為5英尺的毛細管引起的壓力測量誤差為9.3英寸水柱，在此基礎上，毛細管長(cháng)度每額外增加5英尺，將導致壓力測量誤差增加3.2英寸水柱。
液位變送器定位于LOCA設計基準事故后安全殼廠(chǎng)房環(huán)廊地坑液位監測，為事故后調查分析提供數據，在邏輯上未做任何設計。LOCA事故后，當安全殼噴淋系統轉入地坑取水循環(huán)運行時(shí)，地坑水溫度溫度在120℃，因此該變送器的設計運行溫度應為120 cC。然而，由于變送器不具備在120 0C高溫環(huán)境下進(jìn)行標定的條件（壓力變送器檢定規程規定實(shí)驗室標定變送器的標準環(huán)境溫度為20 t5 qC[7]）。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：儀表需投運時(shí)的環(huán)境溫度迅速上升至120℃，相比于上次有效標定時(shí)的環(huán)境溫度(25℃)，整套壓力遠傳系統將在事故期間承受#高達95℃的環(huán)境溫度變化，根據式(l)和式(3)來(lái)計算，這將帶來(lái)總共29. 5inH20(7.375 kPa)的正向誤差，而按25℃下DC200硅油相對密度計算出的變送器量程為-23. 798 -0. 192 kPa，相當于帶來(lái)了約30%的誤差，顯然不滿(mǎn)足事故后的監測要求。因此，必須對25℃標定溫度下變送器的量程作溫度正向修正，避免引入過(guò)大的溫度誤差，以滿(mǎn)足設計監測要求。具體修正計算表格如表2所示。
5結束語(yǔ)
本文從美國ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度評定標準出發(fā)，著(zhù)重介紹了核電廠(chǎng)用壓力變送器本體和遠傳隔膜密封裝置因運行環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生測量誤差的機理，并詳細闡述了遠傳隔膜密封裝置的溫度性能影響因素，提出了遠程隔膜密封裝置的設計選型建議，有助于工程設計者考慮如何#大程度地減少遠傳隔膜密封壓力變送器受環(huán)境溫度變化的影響。#后，以實(shí)例說(shuō)明了如何針對壓力遠傳系統進(jìn)行標定量程的溫度修正，避免在設計應用環(huán)境條件下引入過(guò)大的溫度誤差。
6摘 要：
核電廠(chǎng)遠傳隔膜密封壓力變送器的精度性能極易受到環(huán)境溫度變化帶來(lái)的負面影響，從而可能會(huì )對核電廠(chǎng)的安全運行帶來(lái)潛在威脅。以ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度標準作為理論出發(fā)點(diǎn)，對壓力變送器和遠傳隔膜密封裝置溫度影響的產(chǎn)生機理進(jìn)行了研究。提出了如何減少變送器溫度影響的選型建議，并以實(shí)例說(shuō)明了變送器標定量程的溫度修正方法。
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