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新聞詳情

上海上自?xún)x股份對(duì)壓力變送器技術(shù)原理及選型應(yīng)用做詳細(xì)解說(shuō)

來(lái)源:上海自動(dòng)化儀表股份上儀公司作者:上海自?xún)x自動(dòng)化儀表有限公司
【淺 析】:

從上海上自?xún)x股份公司的壓力變送器工作原理入手,分析硅微電容傳感器、先進(jìn)浮動(dòng)膜盒的結(jié)構(gòu)組成、功能特性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)差壓變送器選型、耐腐蝕材質(zhì)選取、接液溫度與工作壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及遠(yuǎn)傳法蘭變送器適配連接等問(wèn)題進(jìn)行了論述,從儀表選型角度提出應(yīng)對(duì)辦法。對(duì)上海自?xún)x公司的系列變送器儀表選型具有一定的指導(dǎo)作用,對(duì)于其它品牌的壓力變送器選型具有借鑒意義。

1   引言
壓力變送器是工業(yè)生產(chǎn)中非常常用的一種壓力儀表,廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、生產(chǎn)自控、航空航天、石化、油井、電力、船舶、管道等眾多行業(yè),主要用于測(cè)量各種流體的壓力、絕壓、差壓等工業(yè)過(guò)程控制參數(shù)。
2020年1月該產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)產(chǎn)品框架。近年來(lái),該產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入中石油、中石化、寶鋼等企業(yè)的變送器戰(zhàn)略合作框架,已在青島、鎮(zhèn)海、齊魯、好山子乙烯等國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
2   變送器工作原理
壓力變送器工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示,在檢測(cè)部?jī)?nèi)輸入壓力被轉(zhuǎn)化為靜電電容,在傳輸部對(duì)與壓力成正比的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大運(yùn)算,發(fā)送輸出DC4~20mA的電流信號(hào)。具體測(cè)量原理為:變送器被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩個(gè)壓力室,作用在δ元件的兩側(cè)隔離膜片上,通過(guò)隔離膜片和元件內(nèi)的填充液傳送到測(cè)量膜片兩側(cè);測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器;當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí),致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移,其位移量和壓力差成正比,故兩側(cè)電容量就不等,通過(guò)振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號(hào)。變送器A/D轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),其值被微處理器用來(lái)判定輸入壓力值。
3   變送器主要技術(shù)特性
壓力變送器采用了微加工技術(shù)制成的硅微電容傳感器和微處理器,新型先進(jìn)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu),能夠應(yīng)用在多種復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)合中,可以使用多種通信協(xié)議進(jìn)行通信等技術(shù)特性,使該產(chǎn)品具有優(yōu)良的特性和功能。
壓力變送器工作原理簡(jiǎn)圖
3.1 硅微電容傳感器
硅微電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示,其功能原理是將被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化,它在材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于傳感器的測(cè)量膜片選用單結(jié)晶體硅材質(zhì),這種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)較小(約為金屬膜片熱膨脹系數(shù)的1/4),受環(huán)境溫度變化引起的熱脹冷縮影響很小,因而變送器長(zhǎng)期使用穩(wěn)定可靠。另一方面,當(dāng)測(cè)量膜片受到作用力時(shí)產(chǎn)生的位移變化量特別小,在允許的測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量膜片的非常大位移量只有4μm,這種情形下,測(cè)量膜片的微量移動(dòng)
更接近理想平行板電容器的極板移動(dòng),使壓力和位移能精確的成比例關(guān)系,因此儀表的線性指標(biāo)可以得到保證。此外,傳感器采用微電子機(jī)械制造技術(shù),是在單晶硅片上光刻出來(lái)的,體積小、功耗低、響應(yīng)快、便于集成和保證傳感器的一致性。
硅微電容傳感器結(jié)構(gòu)圖
3.2 新型先進(jìn)浮動(dòng)膜盒
新型的先進(jìn)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)如圖3所示,能在多種復(fù)雜環(huán)境中保護(hù)傳感器,確保傳感器工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在3個(gè)方面:
(1)電容傳感器處在膜盒組件的上半部分,與外界環(huán)境和過(guò)程介質(zhì)保持隔離狀態(tài),變送器工作時(shí)通過(guò)隔離膜片引壓再由膜盒內(nèi)部封液將壓力傳遞到傳感器,傳感器和過(guò)程介質(zhì)之間存在適當(dāng)?shù)目臻g距離,所以過(guò)程介質(zhì)溫度變化時(shí)對(duì)傳感器的溫度影響較小,變送器的整體溫度特性?xún)?yōu)良。
(2)傳感器與過(guò)程介質(zhì)和外部環(huán)境保持機(jī)械隔離,在過(guò)程壓力作用下,膜盒基座由于受軸向力的作用而產(chǎn)生徑向變形。傳感器的受力是通過(guò)膜盒內(nèi)部封液傳遞,由于傳感器整體處在封液中,它受到不同方向勻稱(chēng)分布的壓力,不會(huì)發(fā)生變形,因此儀表的靜壓影響很小。
(3)變送器正常工作時(shí),過(guò)壓保護(hù)膜片不會(huì)因測(cè)量壓力的作用而產(chǎn)生位移和變形,單向過(guò)壓保護(hù)可靠。
新型先進(jìn)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)圖
3.3 其它特性
此外,作為智能儀表,3051系列變送器具有自診功能,支持HART通信協(xié)議、FOUNDATION現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFIBUS總線等多種協(xié)議,可通過(guò)手持通信器或DCS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定或顯示、修改各種參數(shù),調(diào)整儀表的零點(diǎn)和測(cè)量范圍,可輸出4~20mA模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào),使用時(shí)操作方便,信號(hào)穩(wěn)定。
4   選型應(yīng)用
4.1 差壓變送器選型
選用差壓變送器測(cè)量液位高度,是上海自動(dòng)化儀表有限公司的3051差壓變送器非常為普遍應(yīng)用之一。其特點(diǎn)是測(cè)量范圍廣、便于零點(diǎn)遷移、安裝方便、工作可靠、精確度高。
(1)測(cè)量原理
差壓變送器是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)由液柱產(chǎn)生的壓力也隨之變化的原理而工作。
(2)零點(diǎn)遷移
變送器零點(diǎn)負(fù)遷移示意圖
如圖4所示,設(shè)被測(cè)液體的密度為ρ 1 ,隔離液密度為ρ 2 ,此時(shí)變送器高、低壓室的壓力分別為:
P + =ρ 2 gh 1 +ρ 1 gH+p 0 (1)
P_=ρ 2 gh 2 +p 0 (2)
所以變送器高、低壓室壓差為:
ΔP=P + -P + =ρ 1 gH-ρ 2 g(h 2 -h 1)(3)
當(dāng)H=0時(shí),ΔP=-ρ 2 g(h 2 -h 1 ),此時(shí)變送器的輸出與液位零點(diǎn)不對(duì)應(yīng),為使其相對(duì)應(yīng),應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)遷移,遷移量為-ρ 2 g(h 2 -h 1 )<0,為負(fù)遷移。
當(dāng)測(cè)量密閉容器內(nèi)具有腐蝕性、易結(jié)晶、粘度大或易凝固等液體介質(zhì)時(shí),通常選用插入式雙法蘭差壓變送器(見(jiàn)圖5)。雙法蘭變送器同樣存在零點(diǎn)遷移的問(wèn)題。同樣按照上述方法計(jì)算變送器高、低壓室壓差為:
ΔP=ρgH-ρ 0 g(h 1 +h 2)(4)
此時(shí)的零點(diǎn)遷移量為-ρ 0 g(h 1 +h 2 ),實(shí)際上雙法蘭差壓變送器的負(fù)遷移量只和上下法蘭取壓點(diǎn)間距有關(guān),與變送器安裝位置無(wú)關(guān)。
變送器零點(diǎn)負(fù)遷移示意圖
(3)選型對(duì)策及案例分析
1)測(cè)量敞口容器內(nèi)液體液位時(shí),選用差壓變送器,不涉及零點(diǎn)遷移問(wèn)題,測(cè)量前應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)和量程調(diào)整即可。如果敞口容器內(nèi)液體具有腐蝕性、易結(jié)晶、粘度大或易凝固等特性時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用直接安裝式法蘭差壓變送器,直接安裝式法蘭差壓變送器是在差壓變送器的基礎(chǔ)上,負(fù)壓室放空大氣,正壓室通過(guò)焊接測(cè)量室蓋、連接管和法蘭膜盒組件而組成。選用直接安裝式法蘭差壓變送器的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)感壓法蘭直接與被測(cè)液體接觸,使被測(cè)液體與變送器有效隔離,可以提高變送器的使用壽命,同時(shí)變送器和感壓法蘭是一個(gè)整體,法蘭完成安裝后變送器無(wú)需進(jìn)行單好安裝。
2)測(cè)量密閉容器內(nèi)液體液位時(shí),選用差壓變送器,使用前應(yīng)按照變送器實(shí)際安裝位置計(jì)算出遷移量并完成零點(diǎn)遷移;選用雙法蘭差壓變送器,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工藝條件和安裝環(huán)境選用對(duì)稱(chēng)型或不對(duì)稱(chēng)型雙法蘭變送器。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,雙法蘭差壓變送器基本上都是變送器的高、低壓側(cè)采用密封膜片相同、毛細(xì)管長(zhǎng)度相等、充灌液相同的對(duì)稱(chēng)型結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明,不對(duì)稱(chēng)遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器的溫度性能,要比對(duì)稱(chēng)型改善15%左右,因此,建議使用不對(duì)稱(chēng)型遠(yuǎn)傳法蘭變送器,在過(guò)程溫度不高于150 ℃、工藝條件允許的情況下,取消高壓側(cè)毛細(xì)管的使用,把引壓法蘭與變送器用過(guò)程連接件直接連接;當(dāng)溫度比較高或由于其它原因不能直接安裝時(shí),盡可能選擇更短的高壓側(cè)毛細(xì)管長(zhǎng)度。
3)案例分析
2020年上海儀表廠生產(chǎn)的近百臺(tái)3051差壓變送器、對(duì)稱(chēng)型和不對(duì)稱(chēng)型雙法蘭變送器在慶陽(yáng)石化某項(xiàng)目中得到廣泛使用,應(yīng)用效果良好。然而在儀表安裝調(diào)試階段,發(fā)現(xiàn)2臺(tái)對(duì)稱(chēng)型雙法蘭變送器零點(diǎn)遷移無(wú)法完成。調(diào)查發(fā)現(xiàn),是由于在上海自動(dòng)化儀表選型時(shí)非常大量程選取只滿(mǎn)足了實(shí)際使用量程的條件,而忽略了變送器零點(diǎn)遷移量的原因。選取的法蘭變送器具體參數(shù)為:毛細(xì)管長(zhǎng)度3m,非常大量程為32kPa(工藝提供:兩法蘭取壓點(diǎn)距離5m,測(cè)量范圍0~25kPa),粗略計(jì)算,毛細(xì)管填充硅油的密度為0.95×103 kg/m 3 ,取硅油ρ 0 =1,重力加速度取g=10 N/kg,則遷移量=-ρ 0 g×ΔH=-50kPa,而非常大量程為32kPa的變送器只能在-32~32kPa范圍內(nèi)遷移,顯然-50kPa不在其范圍內(nèi),零點(diǎn)根本遷移不下來(lái)。后期維護(hù)中,為用戶(hù)更換了非常大量程130kPa的雙法蘭變送器后,零點(diǎn)遷移問(wèn)題得到解決,所以選取變送器非常大量程時(shí)考慮零點(diǎn)遷移量非常必要。
4.2 耐腐蝕材質(zhì)的選取
(1)材質(zhì)選取
3051系列變送器豐富了接液部分的材質(zhì),除傳統(tǒng)使用的哈氏合金、蒙乃爾合金、鉭金屬外,還增加了鈦和鋯??蓮呢S富的耐腐蝕材質(zhì)中選擇非常適宜的材質(zhì),解決了變送器被介質(zhì)腐蝕這一難題。各種耐腐蝕材質(zhì)適用場(chǎng)合如表1所示。
各種耐腐蝕材質(zhì)適用場(chǎng)合
選型時(shí)可以選取接液部分材質(zhì)全部為耐腐蝕材質(zhì),也可以選取隔離膜片材質(zhì)為耐腐蝕材質(zhì),其它接液部分材質(zhì)為316不銹鋼,這樣用戶(hù)針對(duì)被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性,選型應(yīng)對(duì)空間較大,能夠?qū)崿F(xiàn)各種強(qiáng)腐蝕條件下變送器正常使用而儀表性能和使用壽命不受影響,進(jìn)一步提高了上自?xún)x股份公司系列變送器耐腐蝕的適應(yīng)性。
(2)案例分析
2019年廣西石化公司選購(gòu)的10臺(tái)法蘭變送器投產(chǎn)使用不足3個(gè)月,法蘭變送器的安裝法蘭和緊固螺釘均出現(xiàn)不同程度的表面生銹,造成質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和原因分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的安裝法蘭和緊固螺釘材質(zhì)選用20鋼,為碳素鋼,耐腐蝕性能差,廣西濕度大、雨量多,容易發(fā)生銹蝕。對(duì)這一批安裝附加生銹問(wèn)題,立即為用戶(hù)更換了由316不銹鋼制作的安裝法蘭和緊固螺釘,更換后的法蘭和螺釘投用1年后未出現(xiàn)法蘭生銹問(wèn)題,質(zhì)量得到了保證。這一案例說(shuō)明:選用變送器材質(zhì)時(shí),不僅要考慮隔離膜片、其它接液部位材質(zhì),還應(yīng)考慮變送器安裝附件的材質(zhì),認(rèn)真分析工況條件、被測(cè)介質(zhì)屬性,還應(yīng)考慮其所用地區(qū)的濕度、酸堿度等因素。
4.3 接液溫度與工作壓力的關(guān)系
操作溫度與工作壓力是被測(cè)介質(zhì)的關(guān)鍵工藝條件,是變送器選型的主要依據(jù)之一。應(yīng)充分考慮接液溫度(一般稍低于操作溫度)和工作壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,二者相互制約、相互影響。
接液溫度與工作壓力的關(guān)系
圖6為雙法蘭差壓變送器填充不同的傳遞介質(zhì)時(shí),變送器所能承受的接液溫度與工作壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系,白色區(qū)域?yàn)榭梢哉9ぷ鞯膮^(qū)域,灰色區(qū)域?yàn)椴豢晒ぷ鲄^(qū)域。顯然,從圖中可以看出:(b)所示的高溫高真空法蘭變送器與(a)中4種不同法蘭變送器相比,前者可工作區(qū)域所對(duì)應(yīng)的壓力和溫度條件比后者標(biāo)準(zhǔn)要高。所以在變送器實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須在白色區(qū)域選取,如果選取灰色區(qū)域,變送器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移大、輸出不穩(wěn)定等故障現(xiàn)象,不能滿(mǎn)足工藝的測(cè)量要求。
4.4 遠(yuǎn)傳法蘭變送器的適配連接
(1)適配連接
1)壓力變送器通過(guò)引壓接頭引壓,實(shí)現(xiàn)儀表與工藝的連接。而遠(yuǎn)傳法蘭變送器與工藝連接時(shí)情況較為復(fù)雜多樣,選型應(yīng)對(duì)方法也應(yīng)具體問(wèn)題具體對(duì)待。比如引壓法蘭密封面形式指定環(huán)連接面,法蘭口徑大小不一致時(shí)可增加過(guò)渡法蘭,接液溫度高于填充硅油的上限溫度時(shí)可通過(guò)散熱體法蘭降低接液溫度,DN25及以下小口徑法蘭變送器安裝特殊要求等。
2)實(shí)踐表明,當(dāng)DN50法蘭的單側(cè)毛細(xì)管長(zhǎng)度大于10m時(shí),因隔離膜片剛度大會(huì)造成變送器響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。解決這一問(wèn)題的方法為增大隔離膜片尺寸,選用DN80法蘭引壓同時(shí)為用戶(hù)提供DN80/DN50的過(guò)渡法蘭,以解決變送器相應(yīng)太慢的問(wèn)題。對(duì)于接液溫度高的情況,首先考慮選用高溫硅油,如果仍不能滿(mǎn)足條件,應(yīng)考慮增加散熱體法蘭來(lái)降低接液溫度。
3)DN25及以下口徑小法蘭的實(shí)現(xiàn)通常采用過(guò)渡法蘭法、適配器法蘭法以及鑲件 - 法蘭3種方法中的一種。選型時(shí)必須以滿(mǎn)足工況條件和用戶(hù)要求為出發(fā)點(diǎn),考慮變送器現(xiàn)場(chǎng)工藝條件和安裝環(huán)境。過(guò)渡法蘭的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、儀表的整機(jī)性能穩(wěn)定,而缺點(diǎn)在于體積重量大,成本高、安裝空間大。適配器法蘭優(yōu)勢(shì)在于對(duì)DN25及以下口徑的小法蘭不同壓力等級(jí)的法蘭進(jìn)行系列化設(shè)計(jì),互換性強(qiáng)。鑲件 - 法蘭成本低,但其弱點(diǎn)在于儀表的整機(jī)性能稍差,死區(qū)較大,長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致取壓法蘭和鑲件之間的空隙留有殘?jiān)踔劣绊憙x表的響應(yīng)速度。關(guān)于小口徑法蘭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的選取,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件、儀表性能指標(biāo)要求以及用戶(hù)的實(shí)際需求來(lái)選取確定。
(2)案例分析
2014年蘭州石化46萬(wàn)噸/年乙烯裝置投產(chǎn)時(shí),大量上海上自?xún)x公司3051系列變送器得到應(yīng)用,使用總體效果優(yōu)良。但是有一臺(tái)法蘭變送器由于設(shè)計(jì)院制作規(guī)格書(shū)時(shí)出現(xiàn)疏忽,把法蘭密封面RJ面錯(cuò)誤的寫(xiě)成RF面,造成工藝法蘭和變送器法蘭密封面不匹配而不能安裝使用。設(shè)計(jì)院、供方和用戶(hù)三方經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析和確認(rèn),由于受法蘭軸向安裝空間距離限制,采用DN50/PN25/RF面→DN50/PN25/RJ面薄型過(guò)渡環(huán),迅速解決了設(shè)計(jì)失誤所帶來(lái)的問(wèn)題。
5   結(jié)束語(yǔ)
據(jù)統(tǒng)計(jì),自智能變送器投放市場(chǎng)以來(lái),上海自動(dòng)化儀標(biāo)表有限公司遍布全球的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)智能變送器的應(yīng)用業(yè)績(jī)。SC3051D系列變送器具有精確度高、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用方便等優(yōu)勢(shì),深受用戶(hù)的好評(píng)。本文通過(guò)對(duì)差壓變送器選型、耐腐蝕材質(zhì)的選取、接液溫度與工作壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及遠(yuǎn)傳法蘭變送器的適配連接等問(wèn)題進(jìn)行了分析和論述,從產(chǎn)品選型角度提出應(yīng)對(duì)措施,這些方法及措施,對(duì)其它品牌壓力變送器選型具有一定的借鑒意義。