一種PDS超高溫遠傳壓力變送器

陳軍

摘要：本文闡述了重慶四聯測控技術有限公司PDS分體式超高溫遠傳壓力變送器在設計和應用上的特點。對該變送器在高溫傳壓結構、專用高溫液態傳壓介質、溫場有限元分析等方面做了一定的介紹。

關鍵詞：PDS超高溫遠傳壓力變送器;分體式結構

1 引言：

PDS超高溫遠傳壓力變送器以重慶四聯測控技術有限公司自主研發的PDS高精度壓力變送器基表為基礎，解決高溫散熱問題及高介質溫度低環境溫度的壓力測量問題，實現在+10℃～+700℃寬范圍內的穩定測量。同時基于壓力變送器對光熱發電/化工領域高溫環境介質的測量需求，研究設計適宜高溫環境壓力測量的傳壓結構，滿足在不同環境溫度變化下的壓力穩定傳遞和傳感器的精確測量;研制適宜在高溫狀態的一種液態專有特種壓力傳遞介質材料，保障在一定溫度范圍工作狀態的穩定性。最終開發滿足高溫熔鹽壓力測量需求的壓力變送器，實現在光熱發電/化工領域的示范應用。

2問題分析：

由于填充液的溫度特性，目前針對壓力儀表的充灌液溫度適用范圍通常在+400℃以下，對于接液溫度通常在其以上的熔鹽加熱系統裝置及其它一些需超高溫測量的場合，其壓力測量已無法實現。遠傳毛細管內填充液具有一定的溫度使用范圍，若測量介質溫度較高（>+250℃），而環境溫度較低時（-10℃～- 40℃），此時毛細管內填充的高溫硅油由于低溫凝結已不適應，測量時會有較大誤差。

目前國內外同類產品關于高溫、高壓的壓力變送器結構、充灌介質以及高溫傳壓系統測量精度及可靠性的研究均鮮有報道。我公司PDS分體式超高溫法蘭變送器是一款專門針對光熱、化工等特種工況需求分析開展的高溫、高壓型在線壓力變送器，具有明顯先進性其最高測量溫度可達+700℃。

3技術方案：

（一）壓力變送器通常使用的壓力傳遞介質材料是有機化合物，如：硅油、氟油等，其溫度適用范圍在+400℃以下，當超過該工作溫度時會氣化或炭化，使壓力變送器無法正常工作。針對光熱行業或部分化工行業，被測介質溫度遠超過+400℃。為此我們自制了液態合金制備裝置，根據材料特性調配金屬鎵、金屬銦、金屬錫比例試驗出了一種新的壓力傳遞介質材料，最終試驗出能承受即能承受+700℃以上高溫，又能在一定低溫下保持液態，同時穩定傳遞被測介質壓力的專用高溫液態傳壓介質材料，實現了+10℃-+700℃溫度范圍內的穩定測量。

（二）基于敏感傳壓構件材質特性分析和溫度傳遞仿真技術，設計獨特的高溫傳壓結構。整個技術方案完成了高溫傳壓結構設計，并通過溫場模擬及測試解決了高溫散熱及高介質溫度低環境溫度的壓力測量問題。基于溫場變化仿真設計出高溫傳壓結構形式，保證壓力變送器在極低溫度環境下，傳壓介質的不被凝固穩定工作。同時保證環境溫度處于高溫極限狀態下，壓力敏感元件正常工作。解決傳統的測量結構在低溫條件下需要伴熱的工藝復雜性和使用局限性。

（1）溫場有限元分析。

根據傳熱學的相關理論，我們知道凡是有溫度差的地方，就有熱量自發地從高溫物體傳向低溫物體，或從物體的高溫部分傳向低溫部分。熱量傳遞有三種方式導熱、對流、熱輻射。由于高溫法蘭變送器傳熱散熱較為復雜，根據傳熱學通過環肋的導熱模擬計算如下：

單片環肋散熱模擬計算模型

模型中D1=40，δ=2，H=16。

根據導熱基本定律傅里葉定律并根據矩形環肋的效率曲線計算如下：（其中H'為單肋有效散熱高度，R'2為單肋有效散熱直徑，矩形環肋的效率曲線見下圖）

H′=H+δ/2=17mm R1=D1/2=20 R′2=R1+H′=37mm

故

（其中AL表示肋片的縱剖面積）

肋效率曲線橫坐標：

其中（鋼導熱系數λ=45w/（mk）其中K為開氏溫度 肋面表面傳熱系數h=130w/m3k

由矩形剖面環肋的效率曲線查表可知ηf=0.82（其中ηf肋效率表示肋片散熱的有效程度）

通過單片環肋的理論散熱量：

每一個肋片實際散熱量：

這樣計算出來的只是通過一個環肋的導熱量，對于法蘭部分散熱量應為多個環肋的總合。由于實際高溫介質只是接觸隔離膜片部分，故此計算與實際還是存在一定的出入，為此我們通過有限元理論和試驗加以驗證。

高級有限元分析軟件對分體式法蘭表溫場模擬測試（試驗條件：模擬介質溫度+10℃～+700℃，環境溫度-35℃～+80℃）

以上模擬分析了環境溫度為-35℃，介質溫度為+290℃和環境溫度為+70℃，介質溫度為+700℃兩種極限狀況，溫場有限元分析可以看出在兩種極限工況下傳感器測量部溫度均能滿足使用要求。

（三）結構設計

（1）分體式超高溫法蘭變送器結構型式（傳輸電纜≤10米）

下面就分體式遠傳結構型式（傳輸電纜≤10米）做一說明：

如圖二所示：PDS分體式超高溫法蘭變送器采用分體式結構。主要由PDS智能壓力變送器顯示部件、傳輸電纜、測量部組件、法蘭組件等組成。其中測量部組件與PDS智能壓力變送器顯示部件通過傳輸電纜連接、測量部組件與法蘭組件連接且連接部分充灌金屬合金充灌液，各零部件之間主要采用焊接結構。

現在就這四大部分的細節做一簡要說明：

（a）顯示部分

如圖三所示：PDS智能壓力變送器顯示部件包含：顯示外殼、液晶顯示屏、按鍵、安裝部件、電氣接頭等。

顯示外殼主體材料316與鋁殼可選。按鍵安裝在外殼頂部，由蓋板密封，操作時需打開蓋板，用按鍵可以直接設定參數。可以透過視窗玻璃，直接觀察顯示器上的變送器讀數和報警信號。安裝部件采用4-M8螺栓連接，也可根據現場安裝條件進行定制。

（b）傳輸部分

如圖四所示：傳輸部分選取耐腐蝕屏蔽電纜，連接可靠，線纜長度10米以內。

（c）測量部組件

如圖五所示：測量頭組件包括測量頭連接件、散熱表體、隔離膜片、過程接頭等零部件。實際使用時散熱表體能有效散除由于高溫介質通過法蘭組件所傳遞過來熱量從而保護測量部件有效工作。傳統散熱均位于法蘭組件的支撐桿上，這樣雖也能有效散熱，但由于冬季環境溫度有可能低至-40℃，從而會使金屬充灌液凝結，必需對金屬液充灌部位有效伴熱才能測量，散熱片位于表體能有效避免這個問題，即使冬季環境溫度低至-40℃仍可以通過溫度傳遞使得金屬充灌部位溫度達到+10℃以上，金屬液不會凝結而能進行有效測量，實際測量時不需要對變送器進行伴熱處理，夏季環境溫度+70℃，介質溫度為+700℃ ，通過法蘭組件和散熱裝置仍能夠使變送器有效工作。

（d）法蘭組件

如圖六所示：法蘭組件包括支撐桿、整體法蘭、隔離膜片等零部件。在法蘭組件隔離膜片與測量部組件隔離膜片間充灌金屬合金充灌液。

4結束語：

由以上分析可知：與高溫介質接觸的法蘭組件隔離膜片與測量部組件間充灌金屬合金充灌液，但其遠傳部分不再使用毛細管而選取了耐腐蝕屏蔽的傳輸電纜，線纜長度可達10米。測量部組件特有的散熱結構能有效避免傳感器因介質高溫而損壞。這種分體式結構不但解決了超高溫介質的壓力測量同時也解決了高介質溫度低環境溫度的壓力測量問題，不但實現在+10℃～+700℃寬范圍內的穩定測量而且擴充了PDS法蘭表種類。PDS分體式超高溫遠傳壓力變送器其相關性能指標經測試完全合格。

參考文獻：

[1]趙鎮南.傳熱學.北京：高等教育出版社，2008

[2]苑偉政、謝建兵、MEMS集成設計技術及應用. 北京：國防工業出版社，2014