文章分析膜片硬度及直徑、填充液的流動性和膨脹特性、毛細管直徑和長度等因素對法蘭式液位變送器溫度性能的影響情況，并對法蘭式液位變送器設計選型中應注意的事項進行了歸納總結(jié), 以幫助工程設計人員正確選用、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程進行隔離的場合，在工程設計中經(jīng)常選用該類變送器，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、界面或流量測量。
膜片密封系統(tǒng)和毛細管將過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法蘭式液位變送器的性能影響，并盡可能提高儀表的響應時間，是正確選用法蘭式液位變送器的關鍵。
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)。當充填液隨著溫度的變化而膨脹或收縮時，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膜片上，從而引起測量誤差。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，大直徑膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較小，而較小直徑膜片產(chǎn)生的壓力測量誤差較大。
以某一品牌法蘭式液位變送器(單側(cè)毛細管密封系統(tǒng))為例，其填充液為DC200，密封膜片為316LSS，每20K溫度變化所產(chǎn)生的壓力測量誤差如表1所列；兩側(cè)毛細管密封系統(tǒng)的法蘭式液位變送器，每20K溫度變化所產(chǎn)生的壓力測量誤差為表中誤差值的25%。
表1 溫度每變化20K的壓力測量誤差 kPa
DN 膜座誤差 每米毛細管誤差 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，填充液的流動性和膨脹特性會影響遠傳膜片密封系統(tǒng)的性能。填充液特性參見表2所示。
表2 填充液特性(25℃)
充灌液 溫度極限值 相對密度 溫度膨脹系數(shù)/(ml.℃-1) 動力黏度/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的誤差。填充液體積越大，其膨脹潛力也越大，因此選擇毛細管的長度要盡可能短，毛細管直徑要盡可以小，以減小填充液體積達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性能的量度，填充液的黏度、毛細管的長度和毛細管的內(nèi)徑均影響摩擦阻力，摩擦阻力越大，響應時間越長。選擇黏度性小的充填液將加快響應時間。
圖1為DN50膜片1mm直徑毛細管密封系統(tǒng)，在不同填充液時每米的響應時間典型值(T90%)。
圖1 填充液響應時間
◆毛細管內(nèi)徑越小，對壓力傳遞阻力越大，速度也越慢。毛細管內(nèi)徑大能加快傳遞速度，縮短響應時間。毛細管越長，壓力信號傳輸距離就越長，增加了響應時間。
無論是用于差壓、流量還是液位測量，正負壓室密封系統(tǒng)的膜片規(guī)格、兩端毛細管長度、填充液應相同。環(huán)境溫度變化所引起的兩端毛細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量誤差。
③對系統(tǒng)精度的影響
密封系統(tǒng)由于溫度變化引起零點誤差，毛細管填充液特性、溫度和長度決定了零點壓力偏移值。以DN80，316L，硅油填充液膜片密封系統(tǒng)為例，毛細管長度為5m，毛細管環(huán)境溫度為45℃。該毛細管密封系統(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，毛細管長度為5m的該密封系統(tǒng)，對應的“TK環(huán)境”靜壓值為140Pa/10K。
溫度變化值T=TK環(huán)境-TK校準=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)的零點漂移值是280Pa。
在測量液位或界面時，如圖3所示，對于雙法蘭差壓變送器，雖然兩端毛細管的長度相同，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管靜壓的影響。上下兩個取壓口的距離(H)這段(毛細管內(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℃時的密度，環(huán)境溫度變化將會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，假如液位變送器以負遷移量-ΔP1為零點，ΔP1=ρ2×g×H；溫度變化時，充填液密度的變化量為ΔP時，此時實際零點-ΔP2=(ρ2+Δp)×g×H；最終引起的靜壓變化值ΔP=Δρ×g×H，也就是零點飄移值。測量范圍大毛細管越長、充填液膨脹系數(shù)大、環(huán)境溫度變化大的情況下，零點漂移越嚴重。解決此問題的方案是對充填液密度變化進行溫度補償(需要精確測量時)，或者通過改變安裝位置和穩(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管的長度要盡可能短，毛細管直徑要盡可能小，以減小填充液體積達到減少溫度誤差。
總之，合理選用法蘭式液位變送器應綜合考慮，既要盡可能減少環(huán)境溫度變化帶來的測量誤差，又要滿足過程測量工藝介質(zhì)特性、溫度、響應時間等要求。
作者：中國石油集團華東設計院 李洪偉、李勝利
