远传隔膜密封压力变送器温度影响的分析

杨 阳

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

压力变送器作为一种将压力变量转换为标准化电信号输出的仪表，广泛应用于核电厂压力、差压、流量和液位等过程参数的测量，在核电厂的安全和运行中扮演着重要的角色。

对于核安全相关压力变送器，其不确定度一直是核电厂仪表设计的关注重点。美国仪表标准ISA -S67.04.01 对核安全相关仪表在正常和事故工况下不确定度应考虑的影响因素作出了明确规定，包括参考精度、温度影响、压力影响、电源变化影响、漂移、辐照影响、地震影响等，并提出了均方根、代数和两种计算综合不确定度的方法［1］。标准IEC-61888 也有相同表述［2］。

本文以ISA 和IEC 核安全相关仪表不确定度标准作为理论出发点，重点对远传隔膜密封压力变送器温度影响及标定量程温度修正展开分析。

1 压力远传系统介绍

在实际工业测量应用中，若需要测量的工艺过程介质具有温度高、腐蚀性、有固体颗粒或粘稠性、易结晶等特点时，需将压力变送器与工艺过程介质隔离开。因此可考虑为变送器配备远传隔膜密封装置，组成远传隔膜密封压力变送器，或称压力远传系统，将过程压力间接传递到变送器。

通常一个远传隔膜密封压力变送器由以下四个部分组成，包括一个压力或差压变送器、一个或两个隔膜密封件(常用为法兰型结构)、相应长度的毛细管(数量与隔膜密封件数量对应)以及填充液。

2 压力远传系统温度影响

在压力远传系统综合不确定度影响因素中，温度影响最为显著。压力远传系统暴露于核电厂正常运行环境温度中，环境温度可能高于或低于系统最后标定时所处的温度，这样系统的输出相比最后标定时的输出将产生变化，这种影响应该在仪表不确定度计算中考虑进来。为了估计这种影响的幅度，应该定义高于或者低于标定温度的极端运行温度(OT)。如果没有运行经验文件和设计房间温度数据可以参考，这些温度值很多情况下都是基于导则假定的。例如，可以保守的假设最大运行温度(OT)和最小标定温度(CT)来放大温度波动区间，以获得保守估计。只要定义好温度波动区间，温度影响的不确定度就可以使用仪表供应商发布的温度影响规范书来计算获得［3］。

以下从变送器本体和远传隔膜密封装置两方面来研究压力远传系统温度影响产生的机理。

2.1 变送器本体

目前，核电厂常用的经过质量鉴定的压力变送器主要采用电容式测量原理。即检测部件将压力变化转化为电容值的变化，通过一定的测量电路将电容值转换为电压、电流或频率信号并放大，具有灵敏度高、动态响应好、过载能力强等优点，但很容易受温度、湿度等外界干扰，尤其对温度比较敏感，变化的环境温度将对变送器的检测部件和电子电路产生影响。

2.1.1 检测部件

一方面，变送器测量的膜片的初始张力会随温度变化，使得灵敏度发生改变，从而带来误差;另一方面，变送器本体腔室中的充液体积会随温度变化膨胀或收缩，使得充液压力发生变化，从而导致变送器输出产生漂移。另外，变送器检测部件在进行零部件装配(包括安装法兰)后，不可避免地会存在一定的装配应力，这些应力数值会随着温度发生变化，引起检测部件的工作特性产生温度误差［4］。

2.1.2 电子电路

首先，变送器绝缘及屏蔽性能随温度变化。在温度升高时，绝缘及屏蔽性能将下降，使变送器信号的抗干扰能力减弱，从而对测量精度产生不利影响。其次，变送器电子元器件的工作性能参数也会随温度产生一定的变化。以上两部分原因将导致输出信号偏离正常值。

2.2 远传隔膜密封装置

远传隔膜密封装置由隔膜密封件、毛细管以及填充液组成，其性能随环境温度发生变化。这是因为填充液随温度变化而膨胀或收缩，带来充液体积的变化，而隔膜密封膜片有刚性，填充液体积的变化作用在刚性膜片上，膜片无法在弹性形变范围内将填充液体积变化全部吸收，因此隔膜密封膜片的反向作用力将通过系统传递至变送器的感压膜片上，引起误差。另外，对于在竖直方向安装的远传隔膜密封装置，由于填充液的密度也随温度变化，因此在竖直方向上会有静压的影响。该影响是由环境温度波动引起的，可加到温度影响的误差上。

根据上述内容，可知有两个主要因素影响远传隔膜密封装置的温度性能:填充液的特性和隔膜密封膜片的刚性。

2.2.1 填充液特性

(1)热膨胀系数。填充液起到压力传递的作用，其随温度的变化而膨胀或收缩，热膨胀系数确定了该变化量，即单位体积填充液单位温度的体积变化量，单位为mL/(mL·℃-1)。各种填充液热膨胀系数如表1所示［5］。

表1 填充液热膨胀系数Tab. 1 Thermal expansion coefficient of filling solution

(2)填充液体积:填充液体积越大，其膨胀潜力也越大。因此，缩短毛细管长度、减小毛细管内径，可减少填充液的体积，有助于减少温度变化带来的误差。

(3)充液操作的质量。在对毛细管进行充液操作时，若填充液中混入了气体或其他易挥发物质，则随着温度升高，密封系统中的易挥发物质就会膨胀，引起总的填充液体积发生变化，甚至出现过度紧张，导致永久变形。

2.2.2 膜片刚性

膜片刚性受膜片测量部分的直径、膜片材料、膜片厚度及膜片波纹样式的影响，在这些因素中，膜片的直径是最重要的。每种膜片都有自己的刚性曲线，如图1所示。

图1 膜片刚性Fig.1 Rigidness of diaphragm

一般来说，直径越大的膜片刚性越弱，即弹性越强，可在弹性形变范围内更多地吸收填充液体积的变化，有助于最大限度地减小填充液随温度变化膨胀或收缩时反生的压力误差。图1 所示膜片刚性曲线表明，由温度变化引起的充液体积变化对大直径膜片带来的误差比小直径膜片带来的误差小［6］。

3 如何选择远传隔膜密封装置

经理论分析和实际应用经验表明，压力远传系统测量性能受温度变化影响的程度主要取决于远传隔膜密封装置，将合理选择远传隔膜密封装置，将有利于减少温度变化带来的不确定度误差。

3.1 隔膜密封件

选择较大直径的隔膜密封膜片，以减小膜片刚性。另外，当系统完成充液操作后，其充液量应当使膜片工作在图1 所示的膜片刚性曲线上线性最好且斜率最大的一段区间内［6］。

3.2 填充液

选择低膨胀系数的填充液，可减少填充液随温度变化而膨胀或收缩的程度，有助于降低温度变化带来的误差。

3.3 毛细管

缩短毛细管的长度，并减小毛细管内径，使总的填充液量减少，从而减小填充液的膨胀潜力。但需注意的是，一味减小毛细管内径将导致系统响应时间增加，致使系统动态性能下降。二者之间如何平衡取舍要由不同的应用场合来决定。

隔离密封膜片直径、填充液类型和毛细管尺寸这三者之间不同组合的测量误差(由环境温度变化导致)对比如图2 所示［6］。误差数据基于的条件为:变送器所在环境温度分别变化25 ℉(14 ℃)和50 ℉(28 ℃)。图2 中，纵坐标代表由环境温度变化导致的变送器压力输出变化，即测量误差，用ΔP 表示，单位采用压力单位;横坐标表示不同的膜片直径、充液、毛细管长度与毛细管内径的组合，其中膜片直径单位为英寸(1 英寸=25.4 mm)、毛细管长度单位为英尺(1 英尺=0.304 8 m)。

图2 各种组合温度影响对比Fig.2 Various combinations of temperature effects

另外，在双隔膜密封系统中，两侧配置尽量保持一致，可使温度影响得到最大的平衡。

4 标定量程修正

理论上，压力远传系统的标定温度应同设计运行温度一致。在某些情况下，由于仪表不具备在设计运行温度下进行标定的条件，会导致仪表设计运行温度与标定温度有差异，这将带来非随机的不确定度，即偏差。根据ISA -RP67.04.02 -2000 标准的定义，偏差是一种系统性的仪表不确定度，在一系列给定的条件下是可预测的，从而可知其变化的方向(正或负)。其幅度也可根据相关影响规范书来计算［3］。

通常情况下，由设计运行环境和标定环境差异导致的偏差需要进行修正，这在标定规程中都有规定［3］。以某核电厂安全壳厂房外环廊地坑液位变送器为例，说明标定量程的温度修正，其安装示意图如图3 所示。

该液位变送器采用罗斯蒙特K1 级远传隔膜密封压力变送器，液位测量范围为-3.4 ～-1 m。变送器本体为1154 系列电容式差压变送器，高压侧连接1159 系列隔膜密封装置，其中毛细管长度为15 英尺，填充液为DC200 硅油。1154 系列产品手册显示，环境温度每变化56 ℃的变送器本体测量误差为ε1，其计算公式为:

式中:URL 为Upper Range Limit，表示变送器测量上限值;Span 为变送器标定量程，即4 ～20 mA 输出对应的压力测量范围。对于压力变送器，其测量误差ε 通常以标定量程的百分比来表示，即ε(% of span)，故以ε(% of URL)表示的误差需按下式转换。

1159 系列产品手册显示，环境温度每变化56 ℃的远传隔膜密封装置测量误差为ε2，其计算公式为:

式(3)表达的含义为，在环境温度变化56 ℃的条件下，长度为5 英尺的毛细管引起的压力测量误差为9.3 英寸水柱，在此基础上，毛细管长度每额外增加5 英尺，将导致压力测量误差增加3.2 英寸水柱。

图3 安全壳地坑液位变送器示意图Fig.3 Schematic diagram of the level transmitter of containment shell sump

液位变送器定位于LOCA 设计基准事故后安全壳厂房环廊地坑液位监测，为事故后调查分析提供数据，在逻辑上未做任何设计。LOCA 事故后，当安全壳喷淋系统转入地坑取水循环运行时，地坑水温度温度在120 ℃，因此该变送器的设计运行温度应为120 ℃。然而，由于变送器不具备在120 ℃高温环境下进行标定的条件(压力变送器检定规程规定实验室标定变送器的标准环境温度为20 ±5 ℃［7］)。这就带来一个问题:仪表需投运时的环境温度迅速上升至120 ℃，相比于上次有效标定时的环境温度(25 ℃)，整套压力远传系统将在事故期间承受最高达95 ℃的环境温度变化，根据式(1)和式(3)来计算，这将带来总共29.5inH2O(7.375 kPa)的正向误差，而按25 ℃下DC200 硅油相对密度计算出的变送器量程为-23.798 ～0.192 kPa，相当于带来了约30%的误差，显然不满足事故后的监测要求。因此，必须对25 ℃标定温度下变送器的量程作温度正向修正，避免引入过大的温度误差，以满足设计监测要求。具体修正计算表格如表2 所示。

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

5 结束语

本文从美国ISA 和IEC 核安全相关仪表不确定度评定标准出发，着重介绍了核电厂用压力变送器本体和远传隔膜密封装置因运行环境温度变化而产生测量误差的机理，并详细阐述了远传隔膜密封装置的温度性能影响因素，提出了远程隔膜密封装置的设计选型建议，有助于工程设计者考虑如何最大程度地减少远传隔膜密封压力变送器受环境温度变化的影响。最后，以实例说明了如何针对压力远传系统进行标定量程的温度修正，避免在设计应用环境条件下引入过大的温度误差。

［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. 电容式差压变送器检测部件温度稳定性分析［J］. 自动化与仪表，1988(3):27 -30.

［5］ 李洪伟，李胜利.合理选用隔膜密封压力变送器［J］. 石油化工自动化，2008(5):77 -78.

［6］ 李桂芝.如何选用远传式变送器［J］.石油化工自动化，1998(3):35-38.

［7］ 国家质量监督检验检疫总局.JJG 882 -2004 压力变送器检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2004.