高溫高真空遠傳法蘭變送器制作工藝設計分析

摘要：介紹了遠傳法蘭變送器的特點及其應用場合，詳細分析了高溫高真空場合下使用的SLK3151遠傳法蘭變送器的設計、制作工藝。通過與普通法蘭變送器試驗對比，證明高溫高真空法蘭變送器在特殊應用場合具有優良性能。該制作工藝也可以對其他特殊測量儀器的設計制作起到一定的參考作用。

0 引言
        遠傳法蘭變送器的測量原理和一般的差壓、壓力變送器相似，不同之處是在原有差壓、壓力變送器的基礎上增加了遠傳毛細管和法蘭膜盒，將測量點從變送器表體膜盒通過遠傳毛細管延伸到法蘭膜盒表面處。由于毛細管內的填充液可隨意選擇，因而比一般差壓、壓力變送器用途更廣泛。
遠傳法蘭變送器一般使用在如下場合：被測介質用
        引壓管引出時易固化或結晶；被測介質含有懸浮物，或過于粘稠，易堵塞引壓接頭或導壓管；被測介質超出變送器正常使用溫度范圍，增加引壓管也無法使溫度降到正常范圍；被測介質對一般變送器具有腐蝕性。

1 硅油填充液特性
        由于硅油具有良好的熱穩定性及不易揮發性，價格便宜，因此一般變送器均使用硅油作為填充液。普通硅油的特性：從硅油的特性可知，當溫度升高時，黏度降低，揮發性顯著增高，沸點同時降低；當壓力降低時，黏度也相應降低。當硅油用于高溫高真空場合時，壓力降低顯著，溫度又高，其黏度也降低很多，從而導致硅油的揮發性增大、沸點降低、熱膨脹性增大，硅油部分汽化，體積膨脹，產生額外的附加壓力，硅油填充液可能從密封不嚴的漏點泄漏，或導致測量膜片膨脹變形，造成變送器的漂移現象或者無法測量。硅油是不可壓縮液體，在溫度變化時，其體積變化將在密封腔體內產生額外的壓力，這個壓力是有規律的，可以通過膜片的設計來補償。但是，如果硅油中存在可揮發性雜質，如水、空氣等，當溫度變化時，這些雜質的膨脹或壓縮沒有規律，將造成變送器測量的不穩定。

2 普通法蘭變送器結構及制作工藝
        普通遠傳法蘭變送器測量部件結構示意圖如圖1 所示。它由檢測器部件1、連接蓋2、連接口3、毛細管4、連接口5、法蘭膜片組件6、密封螺釘7、密封鋼球8 及支撐柱9 等組成。其中連接蓋及法蘭膜片組件的充灌液工藝孔密封方式采用密封鋼球及密封螺釘螺紋密封，與填充液接觸的各連接零部件均采取室溫脫氣，填充液為SH200 普通硅油。被測量介質通過法蘭膜片將壓力信號通過毛細管傳遞到檢測器部件，檢測器通過放大轉換電路（放大轉換電路圖1 中未示意出），轉化成標準的4-20 mA信號。對于一般工藝場合，普通遠傳法蘭變送器基本能滿足使用要求。

3 高溫高真空變送器結構及制作工藝
        但對于少數特殊工藝過程，例如煉油廠生產中減壓塔液位的測量，煤焦化蒸餾工藝過程中壓力的測量等，常常在高溫負壓下工作（溫度大于200℃，真空度小于10 kPa），普通遠傳法蘭變送器則不能正常使用。
 
針對以上高溫高真空條件下的硅油特性，SLK3151高溫高真空遠傳法蘭變送器從密封、焊接、填充液沖灌、真空脫氣等各個方面進行工藝設計。具體體現在以下7 個方面：
1）改變填充液工藝孔密封方式。普通法蘭變送器的填充液密封工藝孔采用密封鋼球和密封螺釘螺紋密封方式；高溫高真空法蘭變送器采用焊接密封方式，見圖2所示，將傳感器側密封組件7 和法蘭側密封組件8 焊接在圖示位置處，填充液沖灌完成后立即進行焊接密封。焊接密封方式與鋼球螺紋密封方式相比較密封更加可靠。普通遠傳法蘭變送器毛細管與連接口5 直接連接，而高溫高真空遠傳法蘭變送器毛細管與連接口5 之間添加密封硅膠10，這樣可以將法蘭側與毛細管之間由于溫度差造成的濕氣隔離。以上兩種密封方式很好地解決高溫高真空條件下填充液的外泄和外界氣體進入填充液的問題。

2）增加測量膜片的厚度。普通法蘭變送器測量膜片厚度為0.08 mm，在高溫高真空下填充液容易膨脹，并導致0.08 mm 厚的膜片易于變形。為減少測量膜片的變形，增加膜片的彈性，高溫高真空法蘭變送器采用0.2 mm 厚度的測量膜片。
3）波紋法蘭結構改變。普通法蘭變送器的法蘭波紋面如圖3 所示，它的波形彎曲半徑R=1.59，測量膜片厚度為0.08 mm，該結構的膜下液量為V1=1 800 mm3，它的PV 特性為0.2。高溫高真空法蘭變送器的法蘭波形見圖4，它的波形彎曲半徑R=3.19，是普通法蘭變送器波形彎曲半徑的2 倍，測量膜片厚度為0.2 mm，該結構的膜下液量為V2=3 100 mm3，它的PV 特性為1.8。膜片的PV 特性是指它的壓力—容積的轉化，也即膜片材料的剛度。它是使膜下腔體的體積變化1 mm3 時在膜片上所施加的力。PV 特性的數值越大，則剛度越硬。膜片材料的剛度取決于膜片的動作直徑、膜片材料、膜片的厚度和波紋的深度、形狀等諸多因素。普通法蘭變送器和高溫高真空法蘭變送器，兩者的直徑、材料相同，高溫高真空的膜片厚度和波紋彎曲半徑、深度均比普通法蘭變送器大。波紋彎曲半徑大，則它的剛度也越大。圖5為兩者的PV 特性對比圖。高溫高真空遠傳法蘭變送器的膜片剛度大，也即膜下容積變化1 mm3 產生的較大的壓力。其膜下腔體容積大，填充液量多，在高溫真空條件下，腔體容積稍有變化，將產生較大的作用力，該力施加在填充液和波紋法蘭上，進一步降低填充液的揮發性，同時也減少了波紋法蘭材料中氫等非金屬含量的游離到填充液中。這些結構設計均可增加膜片剛度的結構，提高了高溫高真空遠傳法蘭變送器穩定性能。
 

4）真空脫氣工藝的改善。脫氣就是將材料或填充液放置在在真空爐內，在一定的溫度下，盡可能地去除材料或填充液中所含的H 元素等非金屬含量。由于氫原子直徑很小，在高溫真空條件下易于從材料中游離出來，形成氫分子，進入填充液中，造成變送器的漂移誤差，嚴重時，膜片產生膨脹現象，使變送器無法進行測量。

高溫高真空變送器的脫氣工藝分為：零部件的脫氣和填充液的脫氣。

        普通遠傳法蘭變送器只有毛細管填充液接觸的零部件進行脫氣處理。脫氣條件為195℃、常壓，脫氣時間1.5 h。高溫高真空法遠傳蘭變送器在制造過程中，凡是與所有填充液接觸的零部件，如檢測器部件內部各種零部件，連接蓋、連接口、毛細管、波紋法蘭、密封組件等，都要進行脫氣處理。脫氣工藝條件是350℃、0.133Pa，脫氣8 h 以上。在該條件下進行脫氣處理，可以盡可能地將這些零部件材質中的H、N 等非金屬去除掉，以減少氣體擴散到填充液中，造成測量誤差。
        法蘭側填充液脫氣處理。普通法蘭側填充液是SH200 硅油，脫氣條件為130℃，真空度為4Pa，脫氣時間為3 h。高溫高真空使用填充液是SH704，脫氣條件為350℃，真空度為 0.133 Pa，脫氣時間 72 h 以上，在此條件下能將填充液和零部件（法蘭側）中氫氣體含量減到最低（如表1）。
5）填充液的選擇。SH200 普通硅油的溫度膨脹系數為0.001 07/℃，壓縮率為0.001/MPa，高溫高真空法蘭變送器使用的是SH704 硅油，它的溫度膨脹系數為0.0007/℃，壓縮率為0.000 65/MPa，膨脹系數和壓縮率比普通硅油降低約為35%。盡可能減少了填充液的因溫度和壓力變化而體積變化的趨勢。
6）零部件材料的選用。為了減少在高溫時不銹鋼材料中的非金屬的含量，減少氫元素游離到填充液中，嚴格控制不銹鋼材料中的氫含量（如表2）。
4 試驗結果
按照以上設計和工藝條件，制作的SLK3151高溫高真空遠傳法蘭變送器于2011 年5 月進行漂移試驗，漂移誤差為0.1%，遠小于0.5%的設計誤差指標

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