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三畅压力变送器技术特性及选型应用的全面分析

时间:2020-03-06 11:17:23

摘 要:从三畅压力变送器工作原理入手,分析硅微电容传感器、先进浮动膜盒的结构组成、功能特性和技术优势。对差压变送器选型、耐腐蚀材质选取、接液温度与工作压力的对应关系以及远传法兰变送器适配连接等问题进行了论述,从仪表选型角度提出应对办法。对三畅系列变送器仪表选型具有一定的指导作用,对于其它品牌的压力变送器选型具有借鉴意义。Txe压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

1 引言
压力变送器是工业生产中非常常用的一种压力仪表,广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、生产自控、航空航天、石化、油井、电力、船舶、管道等众多行业,主要用于测量各种流体的压力、绝压、差压等工业过程控制参数。
2014年7月该产品进入中国石油天然气集团公司内部优势产品框架。近年来,该产品陆续进入中石油、中石化、宝钢等企业的变送器战略合作框架,已在青岛、镇海、齐鲁、好山子乙烯等国家重点建设项目中广泛应用,取得了显著的经济和社会效益。
2 变送器工作原理
压力变送器工作原理简图如图1所示,在检测部内输入压力被转化为静电电容,在传输部对与压力成正比的检测信号进行放大运算,发送输出DC4~20mA的电流信号。具体测量原理为:变送器被测介质的两种压力通入高、低两个压力室,作用在δ元件的两侧隔离膜片上,通过隔离膜片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧;测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器;当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调环节,转换成与压力成正比的信号。变送器A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号,其值被微处理器用来判定输入压力值。
3 变送器主要技术特性
压力变送器采用了微加工技术制成的硅微电容传感器和微处理器,新型先进浮动膜盒结构,能够应用在多种复杂环境场合中,可以使用多种通信协议进行通信等技术特性,使该产品具有优良的特性和功能。
3.1 硅微电容传感器
硅微电容传感器结构如图2所示,其功能原理是将被测压力的变化转换成传感元件电容量的变化,它在材质选用、结构设计和制造工艺等方面有明显的优势。由于传感器的测量膜片选用单结晶体硅材质,这种材质的热膨胀系数较小(约为金属膜片热膨胀系数的1/4),受环境温度变化引起的热胀冷缩影响很小,因而变送器长期使用稳定可靠。另一方面,当测量膜片受到作用力时产生的位移变化量特别小,在允许的测量范围内测量膜片的非常大位移量只有4μm,这种情形下,测量膜片的微量移动
更接近理想平行板电容器的极板移动,使压力和位移能精确的成比例关系,因此仪表的线性指标可以得到保证。此外,传感器采用微电子机械制造技术,是在单晶硅片上光刻出来的,体积小、功耗低、响应快、便于集成和保证传感器的一致性。
3.2 新型先进浮动膜盒
新型的先进浮动膜盒结构如图3所示,能在多种复杂环境中保护传感器,确保传感器工作的长期稳定性。其性能优势体现在3个方面:
(1)电容传感器处在膜盒组件的上半部分,与外界环境和过程介质保持隔离状态,变送器工作时通过隔离膜片引压再由膜盒内部封液将压力传递到传感器,传感器和过程介质之间存在适当的空间距离,所以过程介质温度变化时对传感器的温度影响较小,变送器的整体温度特性优良。
(2)传感器与过程介质和外部环境保持机械隔离,在过程压力作用下,膜盒基座由于受轴向力的作用而产生径向变形。传感器的受力是通过膜盒内部封液传递,由于传感器整体处在封液中,它受到不同方向匀称分布的压力,不会发生变形,因此仪表的静压影响很小。
(3)变送器正常工作时,过压保护膜片不会因测量压力的作用而产生位移和变形,单向过压保护可靠。
3.3 其它特性
此外,作为智能仪表,3051系列变送器具有自诊功能,支持HART通信协议、FOUNDATION现场总线、PROFIBUS总线等多种协议,可通过手持通信器或DCS实现远程设定或显示、修改各种参数,调整仪表的零点和测量范围,可输出4~20mA模拟信号或数字信号,使用时操作方便,信号稳定。
4 选型应用
4.1 差压变送器选型
选用差压变送器测量液位高度,是三畅3051差压变送器非常为普遍应用之一。其特点是测量范围广、便于零点迁移、安装方便、工作可靠、精确度高。
(1)测量原理
差压变送器是利用容器内的液位改变时由液柱产生的压力也随之变化的原理而工作。
(2)零点迁移
如图4所示,设被测液体的密度为ρ 1 ,隔离液密度为ρ 2 ,此时变送器高、低压室的压力分别为:
P + =ρ 2 gh 1 +ρ 1 gH+p 0 (1)
P_=ρ 2 gh 2 +p 0 (2)
所以变送器高、低压室压差为:
ΔP=P + -P + =ρ 1 gH-ρ 2 g(h 2 -h 1)(3)
当H=0时,ΔP=-ρ 2 g(h 2 -h 1 ),此时变送器的输出与液位零点不对应,为使其相对应,应进行零点迁移,迁移量为-ρ 2 g(h 2 -h 1 )<0,为负迁移。
当测量密闭容器内具有腐蚀性、易结晶、粘度大或易凝固等液体介质时,通常选用插入式双法兰差压变送器(见图5)。双法兰变送器同样存在零点迁移的问题。同样按照上述方法计算变送器高、低压室压差为:
ΔP=ρgH-ρ 0 g(h 1 +h 2)(4)
此时的零点迁移量为-ρ 0 g(h 1 +h 2 ),实际上双法兰差压变送器的负迁移量只和上下法兰取压点间距有关,与变送器安装位置无关。
(3)选型对策及案例分析
1)测量敞口容器内液体液位时,选用差压变送器,不涉及零点迁移问题,测量前应进行零点和量程调整即可。如果敞口容器内液体具有腐蚀性、易结晶、粘度大或易凝固等特性时,应优先选用直接安装式法兰差压变送器,直接安装式法兰差压变送器是在差压变送器的基础上,负压室放空大气,正压室通过焊接测量室盖、连接管和法兰膜盒组件而组成。选用直接安装式法兰差压变送器的优势在于通过感压法兰直接与被测液体接触,使被测液体与变送器有效隔离,可以提高变送器的使用寿命,同时变送器和感压法兰是一个整体,法兰完成安装后变送器无需进行单好安装。
2)测量密闭容器内液体液位时,选用差压变送器,使用前应按照变送器实际安装位置计算出迁移量并完成零点迁移;选用双法兰差压变送器,应根据现场的工艺条件和安装环境选用对称型或不对称型双法兰变送器。在现实应用中,双法兰差压变送器基本上都是变送器的高、低压侧采用密封膜片相同、毛细管长度相等、充灌液相同的对称型结构。实践证明,不对称远传法兰差压变送器的温度性能,要比对称型改善15%左右,因此,建议使用不对称型远传法兰变送器,在过程温度不高于150 ℃、工艺条件允许的情况下,取消高压侧毛细管的使用,把引压法兰与变送器用过程连接件直接连接;当温度比较高或由于其它原因不能直接安装时,尽可能选择更短的高压侧毛细管长度。
3)案例分析
2016年三畅生产的近百台3051差压变送器、对称型和不对称型双法兰变送器在庆阳石化某项目中得到广泛使用,应用效果良好。然而在仪表安装调试阶段,发现2台对称型双法兰变送器零点迁移无法完成。调查发现,是由于在仪表选型时非常大量程选取只满足了实际使用量程的条件,而忽略了变送器零点迁移量的原因。选取的法兰变送器具体参数为:毛细管长度3m,非常大量程为32kPa(工艺提供:两法兰取压点距离5m,测量范围0~25kPa),粗略计算,毛细管填充硅油的密度为0.95×103 kg/m 3 ,取硅油ρ 0 =1,重力加速度取g=10 N/kg,则迁移量=-ρ 0 g×ΔH=-50kPa,而非常大量程为32kPa的变送器只能在-32~32kPa范围内迁移,显然-50kPa不在其范围内,零点根本迁移不下来。后期维护中,为用户更换了非常大量程130kPa的双法兰变送器后,零点迁移问题得到解决,所以选取变送器非常大量程时考虑零点迁移量非常必要。
4.2 耐腐蚀材质的选取
(1)材质选取
3051系列变送器丰富了接液部分的材质,除传统使用的哈氏合金、蒙乃尔合金、钽金属外,还增加了钛和锆。可从丰富的耐腐蚀材质中选择非常适宜的材质,解决了变送器被介质腐蚀这一难题。各种耐腐蚀材质适用场合如表1所示。
选型时可以选取接液部分材质全部为耐腐蚀材质,也可以选取隔离膜片材质为耐腐蚀材质,其它接液部分材质为316不锈钢,这样用户针对被测介质的腐蚀性,选型应对空间较大,能够实现各种强腐蚀条件下变送器正常使用而仪表性能和使用寿命不受影响,进一步提高了三畅系列变送器耐腐蚀的适应性。
(2)案例分析
2009年广西石化公司选购的10台法兰变送器投产使用不足3个月,法兰变送器的安装法兰和紧固螺钉均出现不同程度的表面生锈,造成质量问题。对上述问题进行了现场确认和原因分析,发现现场使用的安装法兰和紧固螺钉材质选用20钢,为碳素钢,耐腐蚀性能差,广西湿度大、雨量多,容易发生锈蚀。对这一批安装附加生锈问题,立即为用户更换了由316不锈钢制作的安装法兰和紧固螺钉,更换后的法兰和螺钉投用1年后未出现法兰生锈问题,质量得到了保证。这一案例说明:选用变送器材质时,不仅要考虑隔离膜片、其它接液部位材质,还应考虑变送器安装附件的材质,认真分析工况条件、被测介质属性,还应考虑其所用地区的湿度、酸碱度等因素。
4.3 接液温度与工作压力的关系
操作温度与工作压力是被测介质的关键工艺条件,是变送器选型的主要依据之一。应充分考虑接液温度(一般稍低于操作温度)和工作压力的对应关系,二者相互制约、相互影响。
图6为双法兰差压变送器填充不同的传递介质时,变送器所能承受的接液温度与工作压力对应关系,白色区域为可以正常工作的区域,灰色区域为不可工作区域。显然,从图中可以看出:(b)所示的高温高真空法兰变送器与(a)中4种不同法兰变送器相比,前者可工作区域所对应的压力和温度条件比后者标准要高。所以在变送器实际应用时必须在白色区域选取,如果选取灰色区域,变送器出现零点漂移大、输出不稳定等故障现象,不能满足工艺的测量要求。
4.4 远传法兰变送器的适配连接
(1)适配连接
1)压力变送器通过引压接头引压,实现仪表与工艺的连接。而远传法兰变送器与工艺连接时情况较为复杂多样,选型应对方法也应具体问题具体对待。比如引压法兰密封面形式指定环连接面,法兰口径大小不一致时可增加过渡法兰,接液温度高于填充硅油的上限温度时可通过散热体法兰降低接液温度,DN25及以下小口径法兰变送器安装特殊要求等。
2)实践表明,当DN50法兰的单侧毛细管长度大于10m时,因隔离膜片刚度大会造成变送器响应时间太长。解决这一问题的方法为增大隔离膜片尺寸,选用DN80法兰引压同时为用户提供DN80/DN50的过渡法兰,以解决变送器相应太慢的问题。对于接液温度高的情况,首先考虑选用高温硅油,如果仍不能满足条件,应考虑增加散热体法兰来降低接液温度。
3)DN25及以下口径小法兰的实现通常采用过渡法兰法、适配器法兰法以及镶件 - 法兰3种方法中的一种。选型时必须以满足工况条件和用户要求为出发点,考虑变送器现场工艺条件和安装环境。过渡法兰的优势在于设计简单、仪表的整机性能稳定,而缺点在于体积重量大,成本高、安装空间大。适配器法兰优势在于对DN25及以下口径的小法兰不同压力等级的法兰进行系列化设计,互换性强。镶件 - 法兰成本低,但其弱点在于仪表的整机性能稍差,死区较大,长期使用会导致取压法兰和镶件之间的空隙留有残渣,甚至影响仪表的响应速度。关于小口径法兰设计结构的选取,根据现场工艺条件、仪表性能指标要求以及用户的实际需求来选取确定。
(2)案例分析
2014年兰州石化46万吨/年乙烯装置投产时,大量三畅3051系列变送器得到应用,使用总体效果优良。但是有一台法兰变送器由于设计院制作规格书时出现疏忽,把法兰密封面RJ面错误的写成RF面,造成工艺法兰和变送器法兰密封面不匹配而不能安装使用。设计院、供方和用户三方经现场分析和确认,由于受法兰轴向安装空间距离限制,采用DN50/PN25/RF面→DN50/PN25/RJ面薄型过渡环,迅速解决了设计失误所带来的问题。
5 结束语
据统计,自智能变送器投放市场以来,三畅遍布全球的各个现场已有超过100万台智能变送器的应用业绩。SC3051D系列变送器具有精确度高、稳定性好、安全可靠、使用方便等优势,深受用户的好评。本文通过对差压变送器选型、耐腐蚀材质的选取、接液温度与工作压力的对应关系以及远传法兰变送器的适配连接等问题进行了分析和论述,从产品选型角度提出应对措施,这些方法及措施,对其它品牌压力变送器选型具有一定的借鉴意义。
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