遠傳隔膜密封壓力變送器溫度影響的分析

楊 陽

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

壓力變送器作為一種將壓力變量轉換為標準化電信號輸出的儀表，廣泛應用于核電廠壓力、差壓、流量和液位等過程參數的測量，在核電廠的安全和運行中扮演著重要的角色。

對于核安全相關壓力變送器，其不確定度一直是核電廠儀表設計的關注重點。美國儀表標準ISA -S67.04.01 對核安全相關儀表在正常和事故工況下不確定度應考慮的影響因素作出了明確規定，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、代數和兩種計算綜合不確定度的方法［1］。標準IEC-61888 也有相同表述［2］。

本文以ISA 和IEC 核安全相關儀表不確定度標準作為理論出發點，重點對遠傳隔膜密封壓力變送器溫度影響及標定量程溫度修正展開分析。

1 壓力遠傳系統介紹

在實際工業測量應用中，若需要測量的工藝過程介質具有溫度高、腐蝕性、有固體顆粒或粘稠性、易結晶等特點時，需將壓力變送器與工藝過程介質隔離開。因此可考慮為變送器配備遠傳隔膜密封裝置，組成遠傳隔膜密封壓力變送器，或稱壓力遠傳系統，將過程壓力間接傳遞到變送器。

通常一個遠傳隔膜密封壓力變送器由以下四個部分組成，包括一個壓力或差壓變送器、一個或兩個隔膜密封件(常用為法蘭型結構)、相應長度的毛細管(數量與隔膜密封件數量對應)以及填充液。

2 壓力遠傳系統溫度影響

在壓力遠傳系統綜合不確定度影響因素中，溫度影響最為顯著。壓力遠傳系統暴露于核電廠正常運行環境溫度中，環境溫度可能高于或低于系統最后標定時所處的溫度，這樣系統的輸出相比最后標定時的輸出將產生變化，這種影響應該在儀表不確定度計算中考慮進來。為了估計這種影響的幅度，應該定義高于或者低于標定溫度的極端運行溫度(OT)。如果沒有運行經驗文件和設計房間溫度數據可以參考，這些溫度值很多情況下都是基于導則假定的。例如，可以保守的假設最大運行溫度(OT)和最小標定溫度(CT)來放大溫度波動區間，以獲得保守估計。只要定義好溫度波動區間，溫度影響的不確定度就可以使用儀表供應商發布的溫度影響規范書來計算獲得［3］。

以下從變送器本體和遠傳隔膜密封裝置兩方面來研究壓力遠傳系統溫度影響產生的機理。

2.1 變送器本體

目前，核電廠常用的經過質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化為電容值的變化，通過一定的測量電路將電容值轉換為電壓、電流或頻率信號并放大，具有靈敏度高、動態響應好、過載能力強等優點，但很容易受溫度、濕度等外界干擾，尤其對溫度比較敏感，變化的環境溫度將對變送器的檢測部件和電子電路產生影響。

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，使得充液壓力發生變化，從而導致變送器輸出產生漂移。另外，變送器檢測部件在進行零部件裝配(包括安裝法蘭)后，不可避免地會存在一定的裝配應力，這些應力數值會隨著溫度發生變化，引起檢測部件的工作特性產生溫度誤差［4］。

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，絕緣及屏蔽性能將下降，使變送器信號的抗干擾能力減弱，從而對測量精度產生不利影響。其次，變送器電子元器件的工作性能參數也會隨溫度產生一定的變化。以上兩部分原因將導致輸出信號偏離正常值。

2.2 遠傳隔膜密封裝置

遠傳隔膜密封裝置由隔膜密封件、毛細管以及填充液組成，其性能隨環境溫度發生變化。這是因為填充液隨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。該影響是由環境溫度波動引起的，可加到溫度影響的誤差上。

根據上述內容，可知有兩個主要因素影響遠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

(1)熱膨脹系數。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mL/(mL·℃-1)。各種填充液熱膨脹系數如表1所示［5］。

表1 填充液熱膨脹系數Tab. 1 Thermal expansion coefficient of filling solution

(2)填充液體積:填充液體積越大，其膨脹潛力也越大。因此，縮短毛細管長度、減小毛細管內徑，可減少填充液的體積，有助于減少溫度變化帶來的誤差。

(3)充液操作的質量。在對毛細管進行充液操作時，若填充液中混入了氣體或其他易揮發物質，則隨著溫度升高，密封系統中的易揮發物質就會膨脹，引起總的填充液體積發生變化，甚至出現過度緊張，導致永久變形。

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。

圖1 膜片剛性Fig.1 Rigidness of diaphragm

一般來說，直徑越大的膜片剛性越弱，即彈性越強，可在彈性形變范圍內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反生的壓力誤差。圖1 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［6］。

3 如何選擇遠傳隔膜密封裝置

經理論分析和實際應用經驗表明，壓力遠傳系統測量性能受溫度變化影響的程度主要取決于遠傳隔膜密封裝置，將合理選擇遠傳隔膜密封裝置，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，當系統完成充液操作后，其充液量應當使膜片工作在圖1 所示的膜片剛性曲線上線性最好且斜率最大的一段區間內［6］。

3.2 填充液

選擇低膨脹系數的填充液，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 毛細管

縮短毛細管的長度，并減小毛細管內徑，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，一味減小毛細管內徑將導致系統響應時間增加，致使系統動態性能下降。二者之間如何平衡取舍要由不同的應用場合來決定。

隔離密封膜片直徑、填充液類型和毛細管尺寸這三者之間不同組合的測量誤差(由環境溫度變化導致)對比如圖2 所示［6］。誤差數據基于的條件為:變送器所在環境溫度分別變化25 ℉(14 ℃)和50 ℉(28 ℃)。圖2 中，縱坐標代表由環境溫度變化導致的變送器壓力輸出變化，即測量誤差，用ΔP 表示，單位采用壓力單位;橫坐標表示不同的膜片直徑、充液、毛細管長度與毛細管內徑的組合，其中膜片直徑單位為英寸(1 英寸=25.4 mm)、毛細管長度單位為英尺(1 英尺=0.304 8 m)。

圖2 各種組合溫度影響對比Fig.2 Various combinations of temperature effects

另外，在雙隔膜密封系統中，兩側配置盡量保持一致，可使溫度影響得到最大的平衡。

4 標定量程修正

理論上，壓力遠傳系統的標定溫度應同設計運行溫度一致。在某些情況下，由于儀表不具備在設計運行溫度下進行標定的條件，會導致儀表設計運行溫度與標定溫度有差異，這將帶來非隨機的不確定度，即偏差。根據ISA -RP67.04.02 -2000 標準的定義，偏差是一種系統性的儀表不確定度，在一系列給定的條件下是可預測的，從而可知其變化的方向(正或負)。其幅度也可根據相關影響規范書來計算［3］。

通常情況下，由設計運行環境和標定環境差異導致的偏差需要進行修正，這在標定規程中都有規定［3］。以某核電廠安全殼廠房外環廊地坑液位變送器為例，說明標定量程的溫度修正，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，高壓側連接1159 系列隔膜密封裝置，其中毛細管長度為15 英尺，填充液為DC200 硅油。1154 系列產品手冊顯示，環境溫度每變化56 ℃的變送器本體測量誤差為ε1，其計算公式為:

式中:URL 為Upper Range Limit，表示變送器測量上限值;Span 為變送器標定量程，即4 ～20 mA 輸出對應的壓力測量范圍。對于壓力變送器，其測量誤差ε 通常以標定量程的百分比來表示，即ε(% of span)，故以ε(% of URL)表示的誤差需按下式轉換。

1159 系列產品手冊顯示，環境溫度每變化56 ℃的遠傳隔膜密封裝置測量誤差為ε2，其計算公式為:

式(3)表達的含義為，在環境溫度變化56 ℃的條件下，長度為5 英尺的毛細管引起的壓力測量誤差為9.3 英寸水柱，在此基礎上，毛細管長度每額外增加5 英尺，將導致壓力測量誤差增加3.2 英寸水柱。

圖3 安全殼地坑液位變送器示意圖Fig.3 Schematic diagram of the level transmitter of containment shell sump

液位變送器定位于LOCA 設計基準事故后安全殼廠房環廊地坑液位監測，為事故后調查分析提供數據，在邏輯上未做任何設計。LOCA 事故后，當安全殼噴淋系統轉入地坑取水循環運行時，地坑水溫度溫度在120 ℃，因此該變送器的設計運行溫度應為120 ℃。然而，由于變送器不具備在120 ℃高溫環境下進行標定的條件(壓力變送器檢定規程規定實驗室標定變送器的標準環境溫度為20 ±5 ℃［7］)。這就帶來一個問題:儀表需投運時的環境溫度迅速上升至120 ℃，相比于上次有效標定時的環境溫度(25 ℃)，整套壓力遠傳系統將在事故期間承受最高達95 ℃的環境溫度變化，根據式(1)和式(3)來計算，這將帶來總共29.5inH2O(7.375 kPa)的正向誤差，而按25 ℃下DC200 硅油相對密度計算出的變送器量程為-23.798 ～0.192 kPa，相當于帶來了約30%的誤差，顯然不滿足事故后的監測要求。因此，必須對25 ℃標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，以滿足設計監測要求。具體修正計算表格如表2 所示。

表2 溫度修正表格Tab. 2 Temperature correction form

5 結束語

本文從美國ISA 和IEC 核安全相關儀表不確定度評定標準出發，著重介紹了核電廠用壓力變送器本體和遠傳隔膜密封裝置因運行環境溫度變化而產生測量誤差的機理，并詳細闡述了遠傳隔膜密封裝置的溫度性能影響因素，提出了遠程隔膜密封裝置的設計選型建議，有助于工程設計者考慮如何最大程度地減少遠傳隔膜密封壓力變送器受環境溫度變化的影響。最后，以實例說明了如何針對壓力遠傳系統進行標定量程的溫度修正，避免在設計應用環境條件下引入過大的溫度誤差。

［1］ Instrument Society of America.ANSI/ISA S67.04.01-2000 Setpoints for nuclear safety-related lnstrumentation［S］.2000.

［2］ International Electrotechnical Commission.IEC 61888-2002 Nuclear power plants - lnstrumentation important to safety - determination and maintenance of trip setpoints［S］.2002.

［3］ Instrument Society of America.ISA RP67.04.02-2000 Methodologies for the determination of setpoints for nuclear safety-related lnstrumentation［S］.2000.

［4］ 邱嗣鑫. 電容式差壓變送器檢測部件溫度穩定性分析［J］. 自動化與儀表，1988(3):27 -30.

［5］ 李洪偉，李勝利.合理選用隔膜密封壓力變送器［J］. 石油化工自動化，2008(5):77 -78.

［6］ 李桂芝.如何選用遠傳式變送器［J］.石油化工自動化，1998(3):35-38.

［7］ 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 882 -2004 壓力變送器檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2004.