遠(yuǎn)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儀表設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。美國儀表標(biāo)準(zhǔn)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(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)測量應(yīng)用中，若需要測量的工藝過程介質(zhì)具有溫度高、腐蝕性、有固體顆粒或粘稠性、易結(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)長度的毛細(xì)管（數(shù)量與隔膜密封件數(shù)量對應(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，溫度影響最為顯著。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)最后標(biāo)定時(shí)所處的溫度，這樣系統(tǒng)的輸出相比最后標(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)最大運(yùn)行溫度( OT)和最小標(biāo)定溫度(CT)來放大溫度波動區(qū)間，以獲得保守估計(jì)。只要定義好溫度波動區(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量原理。即檢測部件將壓力變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化，通過一定的測量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號并放大，具有靈敏度高、動態(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，變送器檢測部件在進(jìn)行零部件裝配（包括安裝法蘭）后，不可避免地會存在一定的裝配應(yīng)力，這些應(yīng)力數(shù)值會隨著溫度發(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
首先，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(shù)也會隨溫度產(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有靜壓的影響。該影響是由環(huán)境溫度波動引起的，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，即單位體積填充液單位溫度的體積變化量，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，膜片的直徑是最重要的。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，有助于最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最好且斜率最大的一段區(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量誤差（由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致）對比如圖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，可使溫度影響得到最大的平衡。
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級遠(yuǎn)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(cè)連接1159系列隔膜密封裝置，其中毛細(xì)管長度為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(jì)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(biāo)定量程，即4-20 mA輸出對應(yīng)的壓力測量范圍。對于壓力變送器，其測量誤差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)品手冊顯示，環(huán)境溫度每變化56 0C的遠(yuǎn)傳隔膜密封裝置測量誤差為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，長度為5英尺的毛細(xì)管引起的壓力測量誤差為9.3英寸水柱，在此基礎(chǔ)上，毛細(xì)管長度每額外增加5英尺，將導(dǎo)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后安全殼廠房環(huán)廊地坑液位監(jiān)測，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)將在事故期間承受最高達(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)測要求。因此，必須對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ISA和IEC核安全相關(guān)儀表不確定度評定標(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)者考慮如何最大程度地減少遠(yuǎn)傳隔膜密封壓力變送器受環(huán)境溫度變化的影響。最后，以實(shí)例說明了如何針對壓力遠(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，從而可能會對核電廠的安全運(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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