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新聞詳情
上海上自儀股份對壓力變送器技術原理及選型應用做詳細解說來源：上海自動化儀表股份上儀公司作者：上海自儀自動化儀表有限公司
【淺 析】： 從上海上自儀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、先進浮動膜盒的結構組成、功能特性和技術優勢。對差壓變送器選型、耐腐蝕材質選取、接液溫度與工作壓力的對應關系以及遠傳法蘭變送器適配連接等問題進行了論述，從儀表選型角度提出應對辦法。對上海自儀公司的系列變送器儀表選型具有一定的指導作用，對于其它品牌的壓力變送器選型具有借鑒意義。 1 引言 壓力變送器是工業生產中非常常用的一種壓力儀表，廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、生產自控、航空航天、石化、油井、電力、船舶、管道等眾多行業，主要用于測量各種流體的壓力、絕壓、差壓等工業過程控制參數。 2020年1月該產品進入中國石油天然氣集團公司內部優勢產品框架。近年來，該產品陸續進入中石油、中石化、寶鋼等企業的變送器戰略合作框架，已在青島、鎮海、齊魯、好山子乙烯等國家重點建設項目中廣泛應用，取得了顯著的經濟和社會效益。 2 變送器工作原理 壓力變送器工作原理簡圖如圖1所示，在檢測部內輸入壓力被轉化為靜電電容，在傳輸部對與壓力成正比的檢測信號進行放大運算，發送輸出DC4~20mA的電流信號。具體測量原理為：變送器被測介質的兩種壓力通入高、低兩個壓力室，作用在δ元件的兩側隔離膜片上，通過隔離膜片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側；測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容器；當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過振蕩和解調環節，轉換成與壓力成正比的信號。變送器A/D轉換器將解調器的電流轉換成數字信號，其值被微處理器用來判定輸入壓力值。 3 變送器主要技術特性 壓力變送器采用了微加工技術制成的硅微電容傳感器和微處理器，新型先進浮動膜盒結構，能夠應用在多種復雜環境場合中，可以使用多種通信協議進行通信等技術特性，使該產品具有優良的特性和功能。  3.1 硅微電容傳感器 硅微電容傳感器結構如圖2所示，其功能原理是將被測壓力的變化轉換成傳感元件電容量的變化，它在材質選用、結構設計和制造工藝等方面有明顯的優勢。由于傳感器的測量膜片選用單結晶體硅材質，這種材質的熱膨脹系數較小（約為金屬膜片熱膨脹系數的1／4），受環境溫度變化引起的熱脹冷縮影響很小，因而變送器長期使用穩定可靠。另一方面，當測量膜片受到作用力時產生的位移變化量特別小，在允許的測量范圍內測量膜片的非常大位移量只有4μm，這種情形下，測量膜片的微量移動 更接近理想平行板電容器的極板移動，使壓力和位移能精確的成比例關系，因此儀表的線性指標可以得到保證。此外，傳感器采用微電子機械制造技術，是在單晶硅片上光刻出來的，體積小、功耗低、響應快、便于集成和保證傳感器的一致性。  3.2 新型先進浮動膜盒 新型的先進浮動膜盒結構如圖3所示，能在多種復雜環境中保護傳感器，確保傳感器工作的長期穩定性。其性能優勢體現在3個方面： （1）電容傳感器處在膜盒組件的上半部分，與外界環境和過程介質保持隔離狀態，變送器工作時通過隔離膜片引壓再由膜盒內部封液將壓力傳遞到傳感器，傳感器和過程介質之間存在適當的空間距離，所以過程介質溫度變化時對傳感器的溫度影響較小，變送器的整體溫度特性優良。 （2）傳感器與過程介質和外部環境保持機械隔離，在過程壓力作用下，膜盒基座由于受軸向力的作用而產生徑向變形。傳感器的受力是通過膜盒內部封液傳遞，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，不會發生變形，因此儀表的靜壓影響很小。 （3）變送器正常工作時，過壓保護膜片不會因測量壓力的作用而產生位移和變形，單向過壓保護可靠。  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通信協議、FOUNDATION現場總線、PROFIBUS總線等多種協議，可通過手持通信器或DCS實現遠程設定或顯示、修改各種參數，調整儀表的零點和測量范圍，可輸出4~20mA模擬信號或數字信號，使用時操作方便，信號穩定。 4 選型應用 4.1 差壓變送器選型 選用差壓變送器測量液位高度，是上海自動化儀表有限公司的3051差壓變送器非常為普遍應用之一。其特點是測量范圍廣、便于零點遷移、安裝方便、工作可靠、精確度高。 （1）測量原理 差壓變送器是利用容器內的液位改變時由液柱產生的壓力也隨之變化的原理而工作。 （2）零點遷移  如圖4所示，設被測液體的密度為ρ 1 ，隔離液密度為ρ 2 ，此時變送器高、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H=0時，ΔP=-ρ 2 g（h 2 -h 1 ），此時變送器的輸出與液位零點不對應，為使其相對應，應進行零點遷移，遷移量為-ρ 2 g（h 2 -h 1 ）<0，為負遷移。 當測量密閉容器內具有腐蝕性、易結晶、粘度大或易凝固等液體介質時，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遷移的問題。同樣按照上述方法計算變送器高、低壓室壓差為： ΔP=ρgH-ρ 0 g（h 1 +h 2）（4） 此時的零點遷移量為-ρ 0 g（h 1 +h 2 ），實際上雙法蘭差壓變送器的負遷移量只和上下法蘭取壓點間距有關，與變送器安裝位置無關。  （3）選型對策及案例分析 1）測量敞口容器內液體液位時，選用差壓變送器，不涉及零點遷移問題，測量前應進行零點和量程調整即可。如果敞口容器內液體具有腐蝕性、易結晶、粘度大或易凝固等特性時，應優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上，負壓室放空大氣，正壓室通過焊接測量室蓋、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勢在于通過感壓法蘭直接與被測液體接觸，使被測液體與變送器有效隔離，可以提高變送器的使用壽命，同時變送器和感壓法蘭是一個整體，法蘭完成安裝后變送器無需進行單好安裝。 2）測量密閉容器內液體液位時，選用差壓變送器，使用前應按照變送器實際安裝位置計算出遷移量并完成零點遷移；選用雙法蘭差壓變送器，應根據現場的工藝條件和安裝環境選用對稱型或不對稱型雙法蘭變送器。在現實應用中，雙法蘭差壓變送器基本上都是變送器的高、低壓側采用密封膜片相同、毛細管長度相等、充灌液相同的對稱型結構。實踐證明，不對稱遠傳法蘭差壓變送器的溫度性能，要比對稱型改善15％左右，因此，建議使用不對稱型遠傳法蘭變送器，在過程溫度不高于150 ℃、工藝條件允許的情況下，取消高壓側毛細管的使用，把引壓法蘭與變送器用過程連接件直接連接；當溫度比較高或由于其它原因不能直接安裝時，盡可能選擇更短的高壓側毛細管長度。 3）案例分析 2020年上海儀表廠生產的近百臺3051差壓變送器、對稱型和不對稱型雙法蘭變送器在慶陽石化某項目中得到廣泛使用，應用效果良好。然而在儀表安裝調試階段，發現2臺對稱型雙法蘭變送器零點遷移無法完成。調查發現，是由于在上海自動化儀表選型時非常大量程選取只滿足了實際使用量程的條件，而忽略了變送器零點遷移量的原因。選取的法蘭變送器具體參數為：毛細管長度3m，非常大量程為32kPa（工藝提供：兩法蘭取壓點距離5m，測量范圍0~25kPa），粗略計算，毛細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范圍內遷移，顯然-50kPa不在其范圍內，零點根本遷移不下來。后期維護中，為用戶更換了非常大量程130kPa的雙法蘭變送器后，零點遷移問題得到解決，所以選取變送器非常大量程時考慮零點遷移量非常必要。 4.2 耐腐蝕材質的選取 （1）材質選取 3051系列變送器豐富了接液部分的材質，除傳統使用的哈氏合金、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中選擇非常適宜的材質，解決了變送器被介質腐蝕這一難題。各種耐腐蝕材質適用場合如表1所示。  選型時可以選取接液部分材質全部為耐腐蝕材質，也可以選取隔離膜片材質為耐腐蝕材質，其它接液部分材質為316不銹鋼，這樣用戶針對被測介質的腐蝕性，選型應對空間較大，能夠實現各種強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，進一步提高了上自儀股份公司系列變送器耐腐蝕的適應性。 （2）案例分析 2019年廣西石化公司選購的10臺法蘭變送器投產使用不足3個月，法蘭變送器的安裝法蘭和緊固螺釘均出現不同程度的表面生銹，造成質量問題。對上述問題進行了現場確認和原因分析，發現現場使用的安裝法蘭和緊固螺釘材質選用20鋼，為碳素鋼，耐腐蝕性能差，廣西濕度大、雨量多，容易發生銹蝕。對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年后未出現法蘭生銹問題，質量得到了保證。這一案例說明：選用變送器材質時，不僅要考慮隔離膜片、其它接液部位材質，還應考慮變送器安裝附件的材質，認真分析工況條件、被測介質屬性，還應考慮其所用地區的濕度、酸堿度等因素。 4.3 接液溫度與工作壓力的關系 操作溫度與工作壓力是被測介質的關鍵工藝條件，是變送器選型的主要依據之一。應充分考慮接液溫度（一般稍低于操作溫度）和工作壓力的對應關系，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時，變送器所能承受的接液溫度與工作壓力對應關系，白色區域為可以正常工作的區域，灰色區域為不可工作區域。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，前者可工作區域所對應的壓力和溫度條件比后者標準要高。所以在變送器實際應用時必須在白色區域選取，如果選取灰色區域，變送器出現零點漂移大、輸出不穩定等故障現象，不能滿足工藝的測量要求。 4.4 遠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，實現儀表與工藝的連接。而遠傳法蘭變送器與工藝連接時情況較為復雜多樣，選型應對方法也應具體問題具體對待。比如引壓法蘭密封面形式指定環連接面，法蘭口徑大小不一致時可增加過渡法蘭，接液溫度高于填充硅油的上限溫度時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）實踐表明，當DN50法蘭的單側毛細管長度大于10m時，因隔離膜片剛度大會造成變送器響應時間太長。解決這一問題的方法為增大隔離膜片尺寸，選用DN80法蘭引壓同時為用戶提供DN80/DN50的過渡法蘭，以解決變送器相應太慢的問題。對于接液溫度高的情況，首先考慮選用高溫硅油，如果仍不能滿足條件，應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現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。選型時必須以滿足工況條件和用戶要求為出發點，考慮變送器現場工藝條件和安裝環境。過渡法蘭的優勢在于設計簡單、儀表的整機性能穩定，而缺點在于體積重量大，成本高、安裝空間大。適配器法蘭優勢在于對DN25及以下口徑的小法蘭不同壓力等級的法蘭進行系列化設計，互換性強。鑲件 - 法蘭成本低，但其弱點在于儀表的整機性能稍差，死區較大，長期使用會導致取壓法蘭和鑲件之間的空隙留有殘渣，甚至影響儀表的響應速度。關于小口徑法蘭設計結構的選取，根據現場工藝條件、儀表性能指標要求以及用戶的實際需求來選取確定。 （2）案例分析 2014年蘭州石化46萬噸/年乙烯裝置投產時，大量上海上自儀公司3051系列變送器得到應用，使用總體效果優良。但是有一臺法蘭變送器由于設計院制作規格書時出現疏忽，把法蘭密封面RJ面錯誤的寫成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。設計院、供方和用戶三方經現場分析和確認，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，迅速解決了設計失誤所帶來的問題。 5 結束語 據統計，自智能變送器投放市場以來，上海自動化儀標表有限公司遍布全球的各個現場已有超過100萬臺智能變送器的應用業績。SC3051D系列變送器具有精確度高、穩定性好、安全可靠、使用方便等優勢，深受用戶的好評。本文通過對差壓變送器選型、耐腐蝕材質的選取、接液溫度與工作壓力的對應關系以及遠傳法蘭變送器的適配連接等問題進行了分析和論述，從產品選型角度提出應對措施，這些方法及措施，對其它品牌壓力變送器選型具有一定的借鑒意義。
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