遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器溫度影響的分析
對(duì)于核安全相關(guān)壓力變送器，其不確定度一直是核電廠儀表設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。美國(guó)儀表標(biāo)準(zhǔn)ISA - S67.04. 01對(duì)核安全相關(guān)儀表在正常和事故工況下不確定度應(yīng)考慮的影響因素作出了明確規(guī)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(shù)和兩種計(jì)算綜合不確定度的方法。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)作為理論出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器溫度影響及標(biāo)定量程溫度修正展開分析。
1壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)介紹
在實(shí)際工業(yè)測(cè)量應(yīng)用中，若需要測(cè)量的工藝過程介質(zhì)具有溫度高、腐蝕性、有固體顆�；蛘吵硇浴⒁捉Y(jié)晶等特點(diǎn)時(shí)，需將壓力變送器與工藝過程介質(zhì)隔離開。因此可考慮為變送器配備遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，組成遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器，或稱壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，將過程壓力間接傳遞到變送器。
通常一個(gè)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)）、相應(yīng)長(zhǎng)度的毛細(xì)管（數(shù)量與隔膜密封件數(shù)量對(duì)應(yīng)）以及填充液。
2、壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)溫度影響
在壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)綜合不確定度影響因素中，溫度影響#為顯著。壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)暴露于核電廠正常運(yùn)行環(huán)境溫度中，環(huán)境溫度可能高于或低于系統(tǒng)#后標(biāo)定時(shí)所處的溫度，這樣系統(tǒng)的輸出相比#后標(biāo)定時(shí)的輸出將產(chǎn)生變化，這種影響應(yīng)該在儀表不確定度計(jì)算中考慮進(jìn)來。為了估計(jì)這種影響的幅度，應(yīng)該定義高于或者低于標(biāo)定溫度的極端運(yùn)行溫度( OT)。如果沒有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)文件和設(shè)計(jì)房間溫度數(shù)據(jù)可以參考，這些溫度值很多情況下都是基于導(dǎo)則假定的。例如，可以保守的假設(shè)#大運(yùn)行溫度( OT)和#小標(biāo)定溫度(CT)來放大溫度波動(dòng)區(qū)間，以獲得保守估計(jì)。只要定義好溫度波動(dòng)區(qū)間，溫度影響的不確定度就可以使用儀表供應(yīng)商發(fā)布的溫度影響規(guī)范書來計(jì)算獲得。
以下從變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置兩方面來研究壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)溫度影響產(chǎn)生的機(jī)理。
2.1變送器本體
目前，核電廠常用的經(jīng)過質(zhì)量鑒定的壓力變送器主要采用電容式測(cè)量原理。即檢測(cè)部件將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化，通過一定的測(cè)量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)并放大，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但很容易受溫度、濕度等外界干擾，尤其對(duì)溫度比較敏感，變化的環(huán)境溫度將對(duì)變送器的檢測(cè)部件和電子電路產(chǎn)生影響。
2.1.1檢測(cè)部件
一方面，變送器測(cè)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(dǎo)致變送器輸出產(chǎn)生漂移。另外，變送器檢測(cè)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(yīng)力，這些應(yīng)力數(shù)值會(huì)隨著溫度發(fā)生變化，引起檢測(cè)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(hào)的抗干擾能力減弱，從而對(duì)測(cè)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(shù)也會(huì)隨溫度產(chǎn)生一定的變化。以上兩部分原因?qū)?dǎo)致輸出信號(hào)偏離正常值。
2.2遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置
遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置由隔膜密封件、毛細(xì)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?yàn)樘畛湟弘S溫度變化而膨脹或收縮，帶來充液體積的變化，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，膜片無法在彈性形變范圍內(nèi)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系統(tǒng)傳遞至變送器的感壓膜片上，引起誤差。另外，對(duì)于在豎直方向安裝的遠(yuǎn)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(jù)上述內(nèi)容，可知有兩個(gè)主要因素影響遠(yuǎn)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(shù)。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(shù)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(shù)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(xì)管長(zhǎng)度、減小毛細(xì)管內(nèi)徑，可減少填充液的體積，有助于減少溫度變化帶來的誤差。
(3)充液操作的質(zhì)量。在對(duì)毛細(xì)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)，則隨著溫度升高，密封系統(tǒng)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(xiàn)過度緊張，導(dǎo)致永久變形。
2.2.2膜片剛性
膜片剛性受膜片測(cè)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，如圖1所示。
一般來說，宣徑越大的膜片剛性越弱，即彈性越強(qiáng)，可在彈性形變范圍內(nèi)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所示膜片剛性曲線表明，由溫度變化引起的充液體積變化對(duì)大直徑膜片帶來的誤差比小直徑膜片帶來的誤差小。3如何選擇遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置。
經(jīng)理論分析和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)測(cè)量性能受溫度變化影響的程度主要取決于遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，將合理選擇遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置，將有利于減少溫度變化帶來的不確定度誤差。
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(dāng)系統(tǒng)完成充液操作后，其充液量應(yīng)當(dāng)使膜片工作在圖1所示的膜片剛性曲線上線性#好且斜率#大的一段區(qū)間內(nèi)。
3.2填充液
選擇低膨脹系數(shù)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的誤差。
3.3毛細(xì)管
縮短毛細(xì)管的長(zhǎng)度，并減小毛細(xì)管內(nèi)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(xì)管內(nèi)徑將導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加，致使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能下降。二者之間如何平衡取舍要由不同的應(yīng)用場(chǎng)合來決定。
隔離密封膜片直徑、填充液類型和毛細(xì)管尺寸這三者之間不同組合的測(cè)量誤差（由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致）對(duì)比如圖2所示。誤差數(shù)據(jù)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(biāo)代表由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的變送器壓力輸出變化，即測(cè)量誤差，用AP表示，單位采用壓力單位；橫坐標(biāo)表示不同的膜片直徑、充液、毛細(xì)管長(zhǎng)度與毛細(xì)管內(nèi)徑的組合，其中膜片直徑單位為英寸（1英寸= 25.4 mm）、毛細(xì)管長(zhǎng)度單位為英尺(1英尺=0. 304 8 m)。
另外，在雙隔膜密封系統(tǒng)中，兩側(cè)配置盡量保持一致，可使溫度影響得到#大的平衡。
4標(biāo)定量程修正
理論上，壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的標(biāo)定溫度應(yīng)同設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度一致。在某些情況下，由于儀表不具備在設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度下進(jìn)行標(biāo)定的條件，會(huì)導(dǎo)致儀表設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度與標(biāo)定溫度有差異，這將帶來非隨機(jī)的不確定度，即偏差。根據(jù)ISA - RP67. 04. 02 - 2000標(biāo)準(zhǔn)的定義，偏差是一種系統(tǒng)性的儀表不確定度，在一系列給定的條件下是可預(yù)測(cè)的，從而可知其變化的方向（正或負(fù)）。其幅度也可根據(jù)相關(guān)影響規(guī)范書來計(jì)算。
通常情況下，由設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境和標(biāo)定環(huán)境差異導(dǎo)致的偏差需要進(jìn)行修正，這在標(biāo)定規(guī)程中都有規(guī)定。以某核電廠安全殼廠房外環(huán)廊地坑液位變送器為例，說明標(biāo)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(jí)遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器，液位測(cè)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(cè)連接1159系列隔膜密封裝置，其中毛細(xì)管長(zhǎng)度為15英尺，填充液為DC200硅油。1154系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示，環(huán)境溫度每變化56℃的變送器本體測(cè)量誤差為81，其計(jì)算公式為：
式中：URL為Upper Range Limit，表示變送器測(cè)量上限值；Span為變送器標(biāo)定量程，即4-20 mA輸出對(duì)應(yīng)的壓力測(cè)量范圍。對(duì)于壓力變送器，其測(cè)量誤差8通常以標(biāo)定量程的分比來表示，即6(% of span)，故以s
(%of URL)表示的誤差需按下式轉(zhuǎn)換。
1159系列產(chǎn)品手冊(cè)顯示，環(huán)境溫度每變化56 0C的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置測(cè)量誤差為82，其計(jì)算公式為：
式(3)表達(dá)的含義為，在環(huán)境溫度變化56℃的條件下，長(zhǎng)度為5英尺的毛細(xì)管引起的壓力測(cè)量誤差為9.3英寸水柱，在此基礎(chǔ)上，毛細(xì)管長(zhǎng)度每額外增加5英尺，將導(dǎo)致壓力測(cè)量誤差增加3.2英寸水柱。
液位變送器定位于LOCA設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后安全殼廠房環(huán)廊地坑液位監(jiān)測(cè)，為事故后調(diào)查分析提供數(shù)據(jù)，在邏輯上未做任何設(shè)計(jì)。LOCA事故后，當(dāng)安全殼噴淋系統(tǒng)轉(zhuǎn)入地坑取水循環(huán)運(yùn)行時(shí)，地坑水溫度溫度在120℃，因此該變送器的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度應(yīng)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(biāo)定的條件（壓力變送器檢定規(guī)程規(guī)定實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定變送器的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為20 t5 qC[7]）。這就帶來一個(gè)問題：儀表需投運(yùn)時(shí)的環(huán)境溫度迅速上升至120℃，相比于上次有效標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度(25℃)，整套壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)將在事故期間承受#高達(dá)95℃的環(huán)境溫度變化，根據(jù)式(l)和式(3)來計(jì)算，這將帶來總共29. 5inH20(7.375 kPa)的正向誤差，而按25℃下DC200硅油相對(duì)密度計(jì)算出的變送器量程為-23. 798 -0. 192 kPa，相當(dāng)于帶來了約30%的誤差，顯然不滿足事故后的監(jiān)測(cè)要求。因此，必須對(duì)25℃標(biāo)定溫度下變送器的量程作溫度正向修正，避免引入過大的溫度誤差，以滿足設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)要求。具體修正計(jì)算表格如表2所示。
5結(jié)束語
本文從美國(guó)ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，著重介紹了核電廠用壓力變送器本體和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置因運(yùn)行環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差的機(jī)理，并詳細(xì)闡述了遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置的溫度性能影響因素，提出了遠(yuǎn)程隔膜密封裝置的設(shè)計(jì)選型建議，有助于工程設(shè)計(jì)者考慮如何#大程度地減少遠(yuǎn)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)例說明了如何針對(duì)壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定量程的溫度修正，避免在設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境條件下引入過大的溫度誤差。
6摘 要：
核電廠遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器的精度性能極易受到環(huán)境溫度變化帶來的負(fù)面影響，從而可能會(huì)對(duì)核電廠的安全運(yùn)行帶來潛在威脅。以ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度標(biāo)準(zhǔn)作為理論出發(fā)點(diǎn)，對(duì)壓力變送器和遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置溫度影響的產(chǎn)生機(jī)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)例說明了變送器標(biāo)定量程的溫度修正方法。
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