摘 要：從三暢壓力變送器工作原理入手，分析硅微電容傳感器、先金浮動(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題進(jìn)行了論述，從儀表選型角度提出應(yīng)對(duì)辦法。對(duì)三暢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#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)過程控制參數(shù)。
2014年7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，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guojia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，新型先金浮動(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。
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#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que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。
3.2 新型先金浮動(dòng)膜盒
新型的先金浮動(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)境和過程介質(zhì)保持隔離狀態(tài)，變送器工作時(shí)通過隔離膜片引壓再由膜盒內(nèi)部封液將壓力傳遞到傳感器，傳感器和過程介質(zhì)之間存在適當(dāng)?shù)目臻g距離，所以過程介質(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優(yōu)良。
（2）傳感器與過程介質(zhì)和外部環(huán)境保持機(jī)械隔離，在過程壓力作用下，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，單向過壓保護(hù)可靠。
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，是三暢3051差壓變送器#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que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
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（見圖5）。雙法蘭變送器同樣存在零點(diǎn)遷移的問題。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關(guān)。
（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wuxu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)稱型或不對(duì)稱型雙法蘭變送器。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)稱型結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，不對(duì)稱遠(yuǎn)傳法蘭差壓變送器的溫度性能，要比對(duì)稱型改善15％左右，因此，建議使用不對(duì)稱型遠(yuǎn)傳法蘭變送器，在過程溫度不高于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
2016年三暢生產(chǎn)的近百臺(tái)3051差壓變送器、對(duì)稱型和不對(duì)稱型雙法蘭變送器在慶陽石化某項(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)稱型雙法蘭變送器零點(diǎn)遷移無法完成。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，是由于在儀表選型時(shí)#大量程選取只滿足了實(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，#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#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。后期維護(hù)中，為用戶更換了#大量程130kPa的雙法蘭變送器后，零點(diǎn)遷移問題得到解決，所以選取變送器#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。可從豐富的耐腐蝕材質(zhì)中選擇#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。
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)一步提高了三暢系列變送器耐腐蝕的適應(yīng)性。
（2）案例分析
2009年廣西石化公司選購的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)量問題。對(duì)上述問題進(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題，立即為用戶更換了由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)法蘭生銹問題，質(zhì)量得到了保證。這一案例說明：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。
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)可增加過渡法蘭，接液溫度高于填充硅油的上限溫度時(shí)可通過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)為用戶提供DN80/DN50的過渡法蘭，以解決變送器相應(yīng)太慢的問題。對(duì)于接液溫度高的情況，shou先考慮選用高溫硅油，如果仍不能滿足條件，應(yīng)考慮增加散熱體法蘭來降低接液溫度。
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)必須以滿足工況條件和用戶要求為出發(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)要求以及用戶的實(shí)際需求來選取確定。
（2）案例分析
2014年蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置投產(chǎn)時(shí)，大量三暢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)格書時(shí)出現(xiàn)疏忽，把法蘭密封面RJ面錯(cuò)誤的寫成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面薄型過渡環(huán)，迅速解決了設(shè)計(jì)失誤所帶來的問題。
5 結(jié)束語
據(jù)統(tǒng)計(jì)，自智能變送器投放市場(chǎng)以來，三暢遍布全球的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)已有超過100萬臺(tái)智能變送器的應(yīng)用業(yè)績(jī)。SC3051D系列變送器具有精que度高、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用方便等優(yōu)勢(shì)，深受用戶的好評(píng)。本文通過對(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。
關(guān)注我們 實(shí)現(xiàn)共贏