摘要：化工裝置中測量壓力、差壓、流量以及液位時(shí)經(jīng)常會(huì )用到隔膜式變送器，變送器中增加隔膜密封件系統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能力，但會(huì )對測量帶來(lái)影響，主要表現在系統精度和響應時(shí)間兩方面。詳細分析了隔膜膜片尺寸、剛度，毛細管長(cháng)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，探討了工程設計中應如何合理選擇這些參數，減少隔膜式變送器自身因素和環(huán)境因素帶來(lái)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構組成的。膜片密封件、充灌液及直接安裝或毛細管形式的連接結構稱(chēng)為隔膜密封系統。隔膜式壓力變送器主要用于以下幾種場(chǎng)合：
１）被測量介質(zhì)是腐蝕性、結晶性、黏稠性、易氣化、含懸浮物的液體。
２）過(guò)程介質(zhì)可能會(huì )在變送器或引壓管路里凍結或固化。
３）過(guò)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整到溫度極限值以下。
４）過(guò)程液體非常危險，不能進(jìn)入變送器所在的控制區域。
５）應用情況要求采用衛生的連接結構。
變送器檢測部件設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、穩定的工作條件，同時(shí)可以提高變送器對各種被測差壓流體的適應能力。但是增加隔膜密封系統會(huì )影響變送器總的系統性能，主要體現在對系統精度和響應時(shí)間的影響。
１ 對系統精度的影響
采用隔膜式變送器對測量精度的影響主要包括兩個(gè)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(diǎn)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(diǎn)漂移、毛細管內填充液的體積、填充液的熱膨脹系數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，當過(guò)程壓力作用時(shí)，膜片發(fā)生位移，被測壓力通過(guò)充液系統及毛細管管路，將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器，這期間會(huì )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和低壓側隔膜分別作用以高壓力ｐＨ和低壓力ｐＬ時(shí)，測量膜片檢測到的差壓不等于ｐＨ －ｐＬ。
設這時(shí)高壓側和低壓側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(guò)下式計算：
可見(jiàn)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(guò)下式計算：
式中：ΔＶ———膜片體積的變化量；Ｅ———膜片縱彈性系數；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(shí)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，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(shí)隔膜的壓力損耗變得越小。當φｍ遠大于φｓ時(shí)，ｐＨ１－ｐＬ１ ≈ｐＨｐＬ，被測差壓幾乎全部傳遞到測量膜片上。因此，設計時(shí)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小于平膜片的縱彈性系數，通常隔離膜片都會(huì )選用波紋膜片。
１．２ 環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)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(huì )影響遠傳膜片密封系統的性能。所有填充液都隨溫度的變化產(chǎn)生膨脹與收縮，熱膨脹系數確定了該變化量。選擇膨脹系數較小的填充液有助于減小溫度變化帶來(lái)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(cháng)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(lái)達到減小溫度誤差的目的。無(wú)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(cháng)度、填充液應相同。環(huán)境溫度變化所引起的兩端毛細管充灌液膨脹量相同，應盡可能減少因環(huán)境溫度變化造成的測量誤差。２５℃時(shí)常用填充液的特性見(jiàn)表１所列，環(huán)境溫度變化將會(huì )引起填充液密度和黏度的變化。
在測量液位或界面時(shí)，對于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細管的長(cháng)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(gè)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，導致變送器的實(shí)際遷移量發(fā)生改變，引起零點(diǎn)漂移。需要注意的是，當被測介質(zhì)溫度較高，采用高溫硅油（如ＤＣ７０４）時(shí)，需要對毛細管實(shí)施伴熱，保證硅油的工作溫度。
在直徑為０．７ｍｍ、長(cháng)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(shí)并不是單純選擇熱膨脹系數#低的，而是應綜合被測介質(zhì)的特性、溫度以及填充液的特性，根據經(jīng)濟適用原則，選擇能夠應用在實(shí)際工況下熱膨脹系數小的填充液。如ＤＣ７０４硅油，雖然熱膨脹系數較小，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(shí)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(shí)用性低于ＤＣ．２００硅油。
１．２．２ 膜片剛度對溫度性能的影響
當溫度變化使填充液膨脹與收縮時(shí)，膜片會(huì )承受一個(gè)反向的壓力，導致膜片承受的實(shí)際壓力和傳遞到檢測膜片壓力不一致，會(huì )引起測量誤差。剛度小的膜片在彈性范圍內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(lái)的反向壓力，較大限度減小溫度變化引起的誤差。一般來(lái)說(shuō)，直徑較小的膜片要比直徑較大的膜片剛度大，其剛性曲線(xiàn)斜率較小。斜率大的剛性曲線(xiàn)有助于#大限度減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)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�。┖托≈睆剑▌偠却螅⿲y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(shí)，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(shí)需要指出的是，通常情況下，φｍ／φｓ可達１０３ 數量級，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 填充液對響應時(shí)間的影響
填充液的黏度及毛細管的長(cháng)度、內徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大響應時(shí)間越長(cháng)。填充液黏度為其流動(dòng)性能的量度，并與溫度有關(guān)，溫度越高，流動(dòng)性能越高，選擇黏度較小的填充液將加快響應時(shí)間。毛細管內徑越小，則產(chǎn)生更強的節流，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(shí)間。毛細管越長(cháng)，壓力信號傳輸距離就越長(cháng)，增加了響應時(shí)間。
某變送器廠(chǎng)家隔膜密封件提供的三種規格為０．７ｍｍ，１．１ｍｍ，１．７５ｍｍ，可以根據不同場(chǎng)合的需要來(lái)選用。
從綜合情況考慮，一般情況下，毛細管長(cháng)度小于６ｍ時(shí)可以選用直徑為０．７ｍｍ，６～１０ｍ 可以選擇直徑為１．１ｍｍ，大于１０ｍ 時(shí)應該選用直徑為１．７５ｍｍ。
在大型容器與液位緩慢變化的應用場(chǎng)合，響應時(shí)間對測量的影響甚微，可以不受較長(cháng)響應時(shí)間的影響。然而，如果是一個(gè)又小又窄的容器，若響應時(shí)間太長(cháng)，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時(shí)，要求較快的響應時(shí)間，這時(shí)需要選擇長(cháng)度較小和內徑較大的毛細管，以便達到較理想的測量效果。
３ 結束語(yǔ)
在選用隔膜密封時(shí)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時(shí)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，當設計一個(gè)遠傳膜片系統時(shí)，應考慮以下方面。
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(cháng)度以減小溫度對測量的影響，減少響應時(shí)間。
３）選擇內直徑較大的毛細管以縮短響應時(shí)間或選擇內直徑較小的毛細管來(lái)改善溫度性能。
４）盡量選擇黏度小、熱膨脹系數小而同時(shí)能滿(mǎn)足#極端的過(guò)程條件的填充液。選擇時(shí)需要考慮測量效果和經(jīng)濟成本，根據現場(chǎng)實(shí)際情況選�。喝绻毠艿拈L(cháng)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(cháng)度較長(cháng)，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(cháng)度太長(cháng)引起的零點(diǎn)漂移。
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