文章分析膜片硬度及直徑、填充液的流動(dòng)性和膨脹特性、毛細(xì)管直徑和長(zhǎng)度等因素對(duì)法蘭式液位變送器溫度性能的影響情況，并對(duì)法蘭式液位變送器設(shè)計(jì)選型中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了歸納總結(jié), 以幫助工程設(shè)計(jì)人員正確選用、安裝隔膜密封系統(tǒng)。
法蘭式液位變送器是由膜片密封系統(tǒng)，毛細(xì)管及填充液，壓力變送器或差壓變送器組合而成，適用于因任何原因需要把變送器與工藝處理過(guò)程進(jìn)行隔離的場(chǎng)合，在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常選用該類(lèi)變送器，在石化行業(yè)多用于腐蝕性、黏稠性、易結(jié)晶介質(zhì)的液位、界面或流量測(cè)量。
膜片密封系統(tǒng)和毛細(xì)管將過(guò)程壓力間接傳遞到變送器，因此在選用法蘭式液位變送器時(shí)有許多因素要考慮。溫度的影響是主要因素，如何避免或減少溫度變化對(duì)法蘭式液位變送器的性能影響，并盡可能提高儀表的響應(yīng)時(shí)間，是正確選用法蘭式液位變送器的關(guān)鍵。
影響法蘭式液位變送器溫度性能的因素
①膜片硬度及直徑
膜片硬度是影響溫度特性的重要參數(shù)。當(dāng)充填液隨著溫度的變化而膨脹或收縮時(shí)，硬度小(彈性好)的膜片承受的反作用力比硬度高的膜片要小，溫度變化產(chǎn)生的反向壓力作用于法蘭式液位變送器的感應(yīng)膜片上，從而引起測(cè)量誤差。膜片硬度越小彈性越好，硬度小彈性好的膜片在彈性范圍內(nèi)的形變可吸收充填液體積變化，能夠減小由溫度變化引起的充填液體積變化帶來(lái)的壓力影響，較大限度克服溫度變化引起的誤差。
在充填液體積因溫度引起變化時(shí)，大直徑膜片產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差較小，而較小直徑膜片產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差較大。
以某一品牌法蘭式液位變送器(單側(cè)毛細(xì)管密封系統(tǒng))為例，其填充液為DC200，密封膜片為316LSS，每20K溫度變化所產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差如表1所列；兩側(cè)毛細(xì)管密封系統(tǒng)的法蘭式液位變送器，每20K溫度變化所產(chǎn)生的壓力測(cè)量誤差為表中誤差值的25%。
表1 溫度每變化20K的壓力測(cè)量誤差 kPa
DN 膜座誤差 每米毛細(xì)管誤差 系統(tǒng)(敏感元件)誤差
40 0.87 0.30 0.90
50 0.29 0.03 0.20
80 0.09 0.09 0.03
②填充液
填充液起到壓力傳遞的作用，充填液隨著溫度的變化而膨脹或收縮，填充液的流動(dòng)性和膨脹特性會(huì)影響遠(yuǎn)傳膜片密封系統(tǒng)的性能。填充液特性參見(jiàn)表2所示。
表2 填充液特性(25℃)
充灌液 溫度極限值 相對(duì)密度 溫度膨脹系數(shù)/(ml.℃-1) 動(dòng)力黏度/mPa.s
DC200硅油 -40~205℃ 0.945 0.00108 9.5
DC704硅油 0~315℃ 1.07 0.00053 44
惰性填充液(鹵代烴) -45~175℃ 1.85 0.000864 6.5
Sy ltherM XLT硅油 -75~150℃ 0.85 0.000666 1.6
甘油和水 -15~95 ℃ 1.13 0.00019 12.5
◆充填液膨脹系數(shù)
選擇膨脹系數(shù)較小的填充液有助于減小溫度變化帶來(lái)的誤差。填充液體積越大，其膨脹潛力也越大，因此選擇毛細(xì)管的長(zhǎng)度要盡可能短，毛細(xì)管直徑要盡可以小，以減小填充液體積達(dá)到減少溫度誤差的目的。
◆充填液黏度
充填液的黏度為其流動(dòng)性能的量度，填充液的黏度、毛細(xì)管的長(zhǎng)度和毛細(xì)管的內(nèi)徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。選擇黏度性小的充填液將加快響應(yīng)時(shí)間。
圖1為DN50膜片1mm直徑毛細(xì)管密封系統(tǒng)，在不同填充液時(shí)每米的響應(yīng)時(shí)間典型值(T90%)。
圖1 填充液響應(yīng)時(shí)間
◆毛細(xì)管內(nèi)徑越小，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(zhǎng)，壓力信號(hào)傳輸距離就越長(zhǎng)，增加了響應(yīng)時(shí)間。
無(wú)論是用于差壓、流量還是液位測(cè)量，正負(fù)壓室密封系統(tǒng)的膜片規(guī)格、兩端毛細(xì)管長(zhǎng)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，盡可能減少因環(huán)境溫度變化造成的測(cè)量誤差。
③對(duì)系統(tǒng)精度的影響
密封系統(tǒng)由于溫度變化引起零點(diǎn)誤差，毛細(xì)管填充液特性、溫度和長(zhǎng)度決定了零點(diǎn)壓力偏移值。以DN80，316L，硅油填充液膜片密封系統(tǒng)為例，毛細(xì)管長(zhǎng)度為5m，毛細(xì)管環(huán)境溫度為45℃。該毛細(xì)管密封系統(tǒng)的“TK環(huán)境”靜壓曲線如圖2所示 。
圖2“TK環(huán)境”靜壓曲線
根據(jù)該曲線，毛細(xì)管長(zhǎng)度為5m的該密封系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的“TK環(huán)境”靜壓值為140Pa/10K。
溫度變化值T=TK環(huán)境-TK校準(zhǔn)=45℃-25℃=20℃；溫度變化產(chǎn)生的靜壓值p=T×140Pa/10K=280Pa；因此該密封系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移值是280Pa。
在測(cè)量液位或界面時(shí)，如圖3所示，對(duì)于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細(xì)管的長(zhǎng)度相同，可以克服環(huán)境溫度變化膨脹量的影響，但不能克服兩端毛細(xì)管靜壓的影響。上下兩個(gè)取壓口的距離(H)這段(毛細(xì)管內(nèi)充填液由于溫度變化而影響密度的變化，溫度膨脹系數(shù)大則密度變化大)由填充液密度變化引起的靜壓是很難抵消 。因此應(yīng)考慮選用充填液密度受溫度變化影響小的充填液，也就是選用溫度膨脹系數(shù)小的充填液。填充液特性表中的密度是25℃時(shí)的密度，環(huán)境溫度變化將會(huì)引起填充液密度變化。
圖3 法蘭式液位變送器安裝示意
25℃時(shí)，假如液位變送器以負(fù)遷移量-ΔP1為零點(diǎn)，ΔP1=ρ2×g×H；溫度變化時(shí)，充填液密度的變化量為ΔP時(shí)，此時(shí)實(shí)際零點(diǎn)-ΔP2=(ρ2+Δp)×g×H；最終引起的靜壓變化值ΔP=Δρ×g×H，也就是零點(diǎn)飄移值。測(cè)量范圍大毛細(xì)管越長(zhǎng)、充填液膨脹系數(shù)大、環(huán)境溫度變化大的情況下，零點(diǎn)漂移越嚴(yán)重。解決此問(wèn)題的方案是對(duì)充填液密度變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償(需要精確測(cè)量時(shí))，或者通過(guò)改變安裝位置和穩(wěn)定環(huán)境溫度等措施把膨脹靜壓減到最小。
法蘭式液位變送器選擇毛細(xì)管的長(zhǎng)度要盡可能短，毛細(xì)管直徑要盡可能小，以減小填充液體積達(dá)到減少溫度誤差。
總之，合理選用法蘭式液位變送器應(yīng)綜合考慮，既要盡可能減少環(huán)境溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，又要滿足過(guò)程測(cè)量工藝介質(zhì)特性、溫度、響應(yīng)時(shí)間等要求。
作者：中國(guó)石油集團(tuán)華東設(shè)計(jì)院 李洪偉、李勝利
