描　　述：

化工裝置中測量壓力、差壓、流量以及液位時(shí)經(jīng)常會(huì)用到隔膜式變送器，變送器中增加隔膜密封件系統(tǒng)可有效避免電容傳感元件和被測流體直接接觸，提高變送器對(duì)被測流體的適應(yīng)能力，但會(huì)對(duì)測量帶來影響，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)精度和響應(yīng)時(shí)間兩方面。詳細(xì)分析了隔膜膜片尺寸、剛度，毛細(xì)管長度、直徑以及填充液的性質(zhì)對(duì)隔膜變送器測量產(chǎn)生的影響，探討了工程設(shè)計(jì)中應(yīng)如何合理選擇這些參數(shù)，減少隔膜式變送器自身因素和環(huán)境因素帶來的誤差，從而使測量更精確。

?    隔膜式變送器是由壓力／差壓變送器、隔膜密封件、充灌液及直接安裝或毛細(xì)管形式的連接結(jié)構(gòu)組成的。膜片密封件、充灌液及直接安裝或毛細(xì)管形式的連接結(jié)構(gòu)稱為隔膜密封系統(tǒng)。隔膜式壓力變送器主要用于以下幾種場合：
１）被測量介質(zhì)是腐蝕性、結(jié)晶性、黏稠性、易氣化、含懸浮物的液體。
２）過程介質(zhì)可能會(huì)在變送器或引壓管路里凍結(jié)或固化。
３）過程溫度在變送器正常操作量程范圍之外，而且用引壓管路不能把溫度調(diào)整到溫度極限值以下。
４）過程液體非常危險(xiǎn)，不能進(jìn)入變送器所在的控制區(qū)域。
５）應(yīng)用情況要求采用衛(wèi)生的連接結(jié)構(gòu)。
?     變送器檢測部件設(shè)置隔膜是為了避免電容傳感元件和被測流體直接接觸，使電容元件具有良好、穩(wěn)定的工作條件，同時(shí)可以提高變送器對(duì)各種被測差壓流體的適應(yīng)能力。但是增加隔膜密封系統(tǒng)會(huì)影響變送器總的系統(tǒng)性能，主要體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)精度和響應(yīng)時(shí)間的影響。
１?對(duì)系統(tǒng)精度的影響
?     采用隔膜式變送器對(duì)測量精度的影響主要包括兩個(gè)方面：隔膜至測量膜片的壓力損耗；環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移。其中隔膜至測量膜片的壓力損耗主要與環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移、毛細(xì)管內(nèi)填充液的體積、填充液的熱膨脹系數(shù)以及隔膜膜片的性質(zhì)有關(guān)。
１．１?隔膜至測量膜片的壓力損耗
?     隔膜變送器工作期間，當(dāng)過程壓力作用時(shí)，膜片發(fā)生位移，被測壓力通過充液系統(tǒng)及毛細(xì)管管路，將過程壓力間接傳遞到變送器，這期間會(huì)造成隔膜至測量膜片的壓力損耗［３］。該損耗是指被測流體對(duì)檢測部件高壓側(cè)和低壓側(cè)隔膜分別作用以高壓力ｐＨ和低壓力ｐＬ時(shí)，測量膜片檢測到的差壓不等于ｐＨ －ｐＬ。

設(shè)這時(shí)高壓側(cè)和低壓側(cè)測量膜片受到的壓力分別為ｐＨ１和ｐＬ１，φｓ和φｍ分別是隔膜和測量膜片的剛度。測量膜片處的壓差可通過下式計(jì)算：

可見壓力損耗主要與隔膜和測量膜片的剛度有關(guān)，膜片的剛度φ 可通過下式計(jì)算：

式中：ΔＶ———膜片體積的變化量；Ｅ———膜片縱彈性系數(shù)；ａ———膜片直徑；ｈ———膜片厚度；ｓ———膜片位移。
由于隔膜變送器工作時(shí)膜片的位移很小，可以認(rèn)為不同材質(zhì)、不同半徑的膜片位移相同，即（ｓ＋３）２ 看作常數(shù)，記為Ａ，所以式（３）可以等效為式（４）

?     從式（４）可以看出，要減小隔離膜片的剛度，就要選擇縱彈性系數(shù)小的膜片，增大膜片的直徑或者減小膜片的厚度。同樣材料和厚度的膜片，直徑越大彈性越好，剛度越小，即采用直徑越大的膜片，φｓ的值就越小，φｍ／φｓ值就越大，ｐＨ１ －ｐＬ１和ｐＨ－ｐＬ的值越接近，這時(shí)隔膜的壓力損耗變得越小。當(dāng)φｍ遠(yuǎn)大于φｓ時(shí)，ｐＨ１－ｐＬ１ ≈ｐＨｐＬ，被測差壓幾乎全部傳遞到測量膜片上。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選擇較大直徑的隔膜有利于減小壓力損耗，提高變送器的測量精度。同種材質(zhì)下，波紋膜片的縱彈性系數(shù)小于平膜片的縱彈性系數(shù)，通常隔離膜片都會(huì)選用波紋膜片。

１．２?環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)漂移
１．２．１?填充液對(duì)測量的影響
?     填充液起到壓力傳遞的作用，但填充液的膨脹特性和體積會(huì)影響遠(yuǎn)傳膜片密封系統(tǒng)的性能。所有填充液都隨溫度的變化產(chǎn)生膨脹與收縮，熱膨脹系數(shù)確定了該變化量。選擇膨脹系數(shù)較小的填充液有助于減小溫度變化帶來的誤差。填充液體積越大，其膨脹潛力也越大，因而選擇毛細(xì)管的長度要盡可能短，毛細(xì)管直徑要盡可能小，以減小填充液體積的方式來達(dá)到減小溫度誤差的目的。無論是用于差壓、流量還是液位測量，正負(fù)壓室密封系統(tǒng)的膜片規(guī)格、兩端毛細(xì)管長度、填充液應(yīng)相同。環(huán)境溫度變化所引起的兩端毛細(xì)管充灌液膨脹量相同，應(yīng)盡可能減少因環(huán)境溫度變化造成的測量誤差。２５℃時(shí)常用填充液的特性見表１所列，環(huán)境溫度變化將會(huì)引起填充液密度和黏度的變化。

?     在測量液位或界面時(shí)，對(duì)于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細(xì)管的長度相同，可以克服環(huán)境溫度變化對(duì)膨脹量的影響，但不能克服上下２個(gè)取壓口之間毛細(xì)管靜壓的影響。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度改變使得毛細(xì)管內(nèi)填充液密度改變，從而引起這段毛細(xì)管產(chǎn)生的靜壓發(fā)生改變，導(dǎo)致變送器的實(shí)際遷移量發(fā)生改變，引起零點(diǎn)漂移。需要注意的是，當(dāng)被測介質(zhì)溫度較高，采用高溫硅油（如ＤＣ７０４）時(shí)，需要對(duì)毛細(xì)管實(shí)施伴熱，保證硅油的工作溫度。
在直徑為０．７ｍｍ、長度為３０５ｍｍ 的毛細(xì)管里，填充液隨溫度產(chǎn)生的膨脹如圖１所示。

?     選擇填充液時(shí)并不是單純選擇熱膨脹系數(shù)非常低的，而是應(yīng)綜合被測介質(zhì)的特性、溫度以及填充液的特性，根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用原則，選擇能夠應(yīng)用在實(shí)際工況下熱膨脹系數(shù)小的填充液。如ＤＣ７０４硅油，雖然熱膨脹系數(shù)較小，溫度上限較大但黏度較大，溫度下限值只有０℃，在冬季環(huán)境溫度低于０℃時(shí)還需要采取伴熱保溫措施，通常只在高溫介質(zhì)情況下使用，非高溫介質(zhì)情況下其實(shí)用性低于ＤＣ．２００硅油。

１．２．２?膜片剛度對(duì)溫度性能的影響
?     當(dāng)溫度變化使填充液膨脹與收縮時(shí)，膜片會(huì)承受一個(gè)反向的壓力，導(dǎo)致膜片承受的實(shí)際壓力和傳遞到檢測膜片壓力不一致，會(huì)引起測量誤差。剛度小的膜片在彈性范圍內(nèi)的形變可以吸收充液使體積變化，能夠減小由溫度變化引起的填充液體積變化帶來的反向壓力，較大限度減小溫度變化引起的誤差。一般來說，直徑較小的膜片要比直徑較大的膜片剛度大，其剛性曲線斜率較小。斜率大的剛性曲線有助于非常大限度減小填充液隨溫度變化膨脹或收縮時(shí)可發(fā)生的壓力誤差值［８］。填充液體積變化相同的情況下，對(duì)于同種材料的膜片，大直徑（剛度?。┖托≈睆剑▌偠却螅?duì)測量誤差的影響如圖２所示。

?     因此，填充液因溫度變化而引起體積變化時(shí)，剛度小的膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較小，而剛度大的膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較大。同時(shí)需要指出的是，通常情況下，φｍ／φｓ可達(dá)１０３ 數(shù)量級(jí)，φｍ遠(yuǎn)大于φｓ，被測壓力幾乎全部傳遞到測量膜片上，因而膜片剛度對(duì)溫度性能的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)測量精度的影響。

２?填充液對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響
?     填充液的黏度及毛細(xì)管的長度、內(nèi)徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大響應(yīng)時(shí)間越長。填充液黏度為其流動(dòng)性能的量度，并與溫度有關(guān)，溫度越高，流動(dòng)性能越高，選擇黏度較小的填充液將加快響應(yīng)時(shí)間。毛細(xì)管內(nèi)徑越小，則產(chǎn)生更強(qiáng)的節(jié)流，對(duì)壓力傳遞阻力越大，速度也越慢。毛細(xì)管內(nèi)徑大能加快傳遞速度，縮短響應(yīng)時(shí)間。毛細(xì)管越長，壓力信號(hào)傳輸距離就越長，增加了響應(yīng)時(shí)間。

         某變送器廠家隔膜密封件提供的三種規(guī)格為０．７ｍｍ，１．１ｍｍ，１．７５ｍｍ，可以根據(jù)不同場合的需要來選用。
         從綜合情況考慮，一般情況下，毛細(xì)管長度小于６ｍ時(shí)可以選用直徑為０．７ｍｍ，６～１０ｍ 可以選擇直徑為１．１ｍｍ，大于１０ｍ 時(shí)應(yīng)該選用直徑為１．７５ｍｍ。
         在大型容器與液位緩慢變化的應(yīng)用場合，響應(yīng)時(shí)間對(duì)測量的影響甚微，可以不受較長響應(yīng)時(shí)間的影響。然而，如果是一個(gè)又小又窄的容器，若響應(yīng)時(shí)間太長，容易發(fā)生測量滯后太大。另外，如測量流量等變化較快的工藝參數(shù)時(shí)，要求較快的響應(yīng)時(shí)間，這時(shí)需要選擇長度較小和內(nèi)徑較大的毛細(xì)管，以便達(dá)到較理想的測量效果。

３?結(jié)束語
        在選用隔膜密封時(shí)需考慮許多因素，如何減小隔膜至測量膜片的壓力損耗，避免或減小溫度變化對(duì)隔膜密封壓力變送器的性能影響，并盡可能縮短儀表的響應(yīng)時(shí)間，是正確合理選用隔膜密封壓力變送器的關(guān)鍵。選擇非常合適的膜片密封件、毛細(xì)管與填充液可非常大限度減小這些影響。綜上分析，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)傳膜片系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下方面。
１）選用較大直徑的膜片以非常大限度減少壓力損耗和溫度的影響。
２）盡可能縮短毛細(xì)管長度以減小溫度對(duì)測量的影響，減少響應(yīng)時(shí)間。
３）選擇內(nèi)直徑較大的毛細(xì)管以縮短響應(yīng)時(shí)間或選擇內(nèi)直徑較小的毛細(xì)管來改善溫度性能。
４）盡量選擇黏度小、熱膨脹系數(shù)小而同時(shí)能滿足非常極端的過程條件的填充液。選擇時(shí)需要考慮測量效果和經(jīng)濟(jì)成本，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選取：如果毛細(xì)管的長度較短，可以選擇大口徑或者小口徑的膜片；如果測量范圍較大，毛細(xì)管長度較長，則需要選擇大口徑的膜片，一方面是減少壓損，另一方面可以彌補(bǔ)部分毛細(xì)管長度太長引起的零點(diǎn)漂移。