核工业场景下小型化压力差压变送器结构设计及测量膜片力学分析

常见的压力/差压变送器根据测量原理的不同，可以分为电容式变送器、半导体硅变送器等。核工业场景中压力/差压变送器前期较多采用西安仪表厂的1151系列，个别差压测量采用川仪横河的EJA系列；后续以罗斯蒙特（Rosemount）的3051C型变送器（压力）/3051CD型变送器（差压）为主。罗斯蒙特的3051系列变送器为电容式智能型变送器，精度、可靠性等技术指标都要强于1151系列变送器，重量、体积都较1151型小。近年来，随着新方法、新器件、新材料、新工艺的引入，热工参数测量已经发展进入一个新的时代。测量方法上从传统的单一测量发展到多参数测量，出现了新型无线以及微机电（MEMS）传感器[6]，测量仪表从传统的模拟仪表发展为智能型和总线型仪表，传输方式由4～20mA发展到现场总线、无线传输等。这些新技术、新设备在石化、电力等行业中已经有所应用并积累了一定的应用经验，这就为核工业场景总的过程仪表小型化奠定了基础。对于核工业场景中过程仪表系统的小型化研究，可从过程仪表系统的简化和瘦身、新型测量架构、仪表小型化和安装布置优化几方面入手进行分析，本文主要从压力/差压测量仪表小型化方面开展研究。一、压力/差压测量仪表小型化分析压力/差压测量仪表中的压力/差压变送器是核工业场景中数量多、占用空间大的主要仪表，其小型化研究对整个过程仪表的小型化有十分重要的意义。压力/差压变送器的小型化研究可以从变送器的传感器和表头两部分入手，这两部分也是占变送器的体积比重最大的两部分。变送器传感器部分的小型化方面，传统的电容式传感器由于其工作原理，体积很难做到小型化；而半导体谐振式变送器由于半导体材料的耐辐照性能相对不足，无法长时间在辐照剂量高的区域使用。所以，变送器传感器部分的小型化需要对变送器结构进行大幅调整，甚至涉及测量原理、材料以及制造工艺的改进，比如采用金属材料应变测量原理或是引入MEMS等先进技术，但这些实现起来难度比较大（相当于从根本上新研制一类变送器），实现周期可能也比较长。变送器的表头部分包括外壳、信号调理放大与转换电路、输出接口模块等几部分，带显示表头的变送器还包含有显示模块，智能型变送器还包括处理器模块等。其中表头内部结构相对简单，空间相对比较富裕，小型化的可能性比较大。随着科技的进步，集成IC水平日新月异，在保证功能的前提下，现有变送器表头内的电子部分体积可以大幅度减小；表头的整体结构由水平横置改为竖直放置，与变送器传感器部分形成一个整体结构，可以省去传统变送器中间过渡段结构；电缆连接采用电连接器型式取代现有的接口型式（现有接线是将电缆通过表头顶部的接线接口引入后接在接线端子上的，因为需要手动操作，所以预留有操作空间）。通过这些措施，变送器表头的体积可以缩小50%左右，相当于整个变送器的体积缩减30%左右。

二、小型化压力/差压变送器功能性能要求小型化压力/差压变送器安装在核工业场景相关工艺系统测量位置，压力/差压信号通过管道引至带膜片密封组件，再经远传毛细管将压力/差压信号传导至压力/差压变送器本体的隔离膜片上，隔离膜片再将压力通过硅油传导至中心测量膜片，测量膜片发生位移产生电容的变化，变送器的转换部分将电容的变化转换成电流的变化，从而将压力/差压信号以线性或平方根关系转换为两线制4～20mADC信号输出。变送器支持HART工业现场总线协议，可通过手操器或其他设备对变送器进行在线调整或设置，包括零点与量程设定、线性或平方根输出设定、阻尼设置、时间校准等。其测量范围为0～25MPa（压力型）、0～1MPa（差压型），测量基本精度不低于±0.3%量程，启动时间不大于2s。尺寸（不带表头）为：高度＜160mm，长度＜90mm，宽度＜90mm，重量不超过5kg。变送器本体可在累积辐照剂量10Gy（正常运行）的情况下工作，带膜片密封组件可在累积辐照剂量200kGy（正常运行）的情况下工作。

三、小型化压力/差压变送器测量原理和结构设计3.1、测量原理电容式压力/差压变送器是一种利用电容敏感元件将被测压力和差压转换成与之成一定关系的标准电流信号，实现压力和差压测量的仪表。3.2、总体结构1）压力/差压变送器本体。小型化压力/差压变送器本体部分主要由压力传感器、传感器法兰夹板、螺栓、电路、外壳、电气连接器、铭牌等组成，主要功能是将远程法兰测量装置的压力信号转换为电信号。2）远传法兰测量装置。远传法兰测量装置主要由测量头组件、铠装毛细管组件、填充液组成，其功能为将过程测量点压力信号传递至传感器本体。本体部分与远传法兰测量装置通过密封连接，两部分充灌耐辐照硅油实现压力远程传递。小型化压力/差压变送器测量系统整体外形图如图1所示，压力/差压传感器本体组件爆炸图如图2所示。3.3、\结构设计根据小型化的设计需求，电子仓部分由以往变送器的T型结构改为立式圆柱结构可减小外形尺寸，材质采用316不锈钢，外径为80mm，产品高度150mm。新的变送器下部传感器模板尺寸与传统变送器接近，电子仓外形采用立式圆柱结构设计后，整体尺寸对比传统变送器对空间的占用可减少40%左右。小型化变送器尺寸图如图3所示，满足性能要求中的外形尺寸限制要求。

四、小型化变送器测量膜片力学分析传感器是压力变送器的核心部件，其性能取决于材料特性、力学结构和制造工艺。目前压力传感器主要为微位移传感器，位移的产生来自于测量膜片受力后的挠曲变形。金属电容压力传感器测量膜片为圆形膜片，低量程段为张紧膜，高量程段为双面E型薄板。对于力传感器而言，弹性材料的蠕变和回滞特性非常关键，必须严格控制。测量膜片材料采用3J53恒弹性合金，该材料可沉淀硬化，在适当的热处理后，-50～150℉温度范围内弹性模量系数为-20×10-6/℉～20×10-6/℉（-46～66℃范围内为-36×10-6/℉～36×10-6/℃），抗拉强度为1310MPa，屈服强度为1138MPa。测量膜片为塑性金属材料，因此采用等效应力强度理论进行强度判定，最低安全系数取1.2，最高许用应力为σp=948MPa，材料最高等效应力应低于许用应力。弹性膜片分为薄膜和薄板两种类型，薄膜又分为无初始张力和有初始张力型。无初始张力型就按球面考虑，中心挠度满足式（1）：式中：ω0为中心挠度（mm）；μ为泊松比；R1为膜片半径（mm）；p为均布压力（MPa）；E为杨氏模量（Pa）；h为膜片厚度（mm）。薄膜的法向位移如式（2）所示：式中：r为计算半径（mm）；R2为中心挠度受力变化后的膜片半径，其计算如下：有初始张力型薄膜的法向位移与膜片的张力相关，如式（4）所示：式中：σ为膜片张力（N/m），张力为单位长度力，因此应力乘以膜片厚度就是张力，即张力考虑了膜片厚度。当挠度很小时，可以进一步简化得式（5）：当考虑膜片刚度时，按圆形薄板计算，法向位移如式（6）所示：显然，每种计算方法都有局限性，而有限元分析的数值近似解法具备更高的精度。以下采用有限元分析方法对各测量膜片进行仿真分析。总体而言，由于膜座的球面弧坑深度约0.12mm，综合考虑膜片的线性弹性和宽量程，传感器满量程设计为最大挠度（中心挠度）0.06mm左右为宜。对于薄膜片，为使其保持在弹性形变范围内，施加预张紧力成为关键工艺。对于有限元仿真，膜片预张紧力载荷的施加采用在周边施加径向位移来实现。1#传感器量程为[-1.5，1.5]kPa，测量膜片厚度为0.027mm。周边施加4

μm径向位移，产生一致的60.3MPa拉伸应力，因此张力为1.6281N/mm。在预张紧力基础上施加均布压力1.5kPa，挠度和应力强度如图4所示。由图5中分析可知，满量程载荷下最大挠度为0.0528mm，在合理范围。最大等效应力为75.3MPa，远低于许用应力σp，因此材料工作于较好的条件下，弹性性能得到保证。用同样的方法对2#、3#和4#传感器进行计算，所有数据记录如表1所示。由表1可知，从1#到3#传感器在满量程载荷下的最大挠度均在合理范围内，最大等效应力均远低于或低于许用应力。因此，膜片材料工作于较好的条件下，弹性性能得到保证。只有4#传感器在满量程载荷下最大挠度为0.1033mm，与1#～3#传感器相比其挠度变形偏大一些，但也可以正常工作。最大等效应力为693.5MPa，低于许用应力σp，因此膜片材料能正常工作，弹性性能也能得到保证。5#～8#传感器膜片为双面E型薄板结构，不再进行张紧，挠度形变主要由环形槽较薄处产生。5#传感器量程为[0，1]MPa，测量膜片厚度为1.6mm，开槽处厚度为0.7mm，5#膜片结构如图6所示。施加均布压力1MPa，挠度和应力强度等位图切剖示意图如图7所示。由图7（a）可知，满量程载荷下最大挠度为0.0608mm，在合理范围内。最大等效应力为230.9MPa，低于许用应力σp，因此材料能正常工作，弹性性能得到保证。用同样的方法对6#、7#和8#传感器进行计算，所有数据记录如表2所示。由表2可知，5#和6#传感器在满量程载荷下最大挠度均在合理范围内，最大等效应力均低于许用应力。因此，膜片材料工作于较好的条件下，弹性性能得到保证。7#和8#传感器在满量程载荷下最大挠度为0.0311mm和0.0364mm，二者的挠度变形偏小一些，灵敏度相对低，但可以正常测量。7#和