一种PDS超高温远传压力变送器

陈军

摘要：本文阐述了重庆四联测控技术有限公司PDS分体式超高温远传压力变送器在设计和应用上的特点。对该变送器在高温传压结构、专用高温液态传压介质、温场有限元分析等方面做了一定的介绍。

关键词：PDS超高温远传压力变送器;分体式结构

1 引言：

PDS超高温远传压力变送器以重庆四联测控技术有限公司自主研发的PDS高精度压力变送器基表为基础，解决高温散热问题及高介质温度低环境温度的压力测量问题，实现在+10℃～+700℃宽范围内的稳定测量。同时基于压力变送器对光热发电/化工领域高温环境介质的测量需求，研究设计适宜高温环境压力测量的传压结构，满足在不同环境温度变化下的压力稳定传递和传感器的精确测量;研制适宜在高温状态的一种液态专有特种压力传递介质材料，保障在一定温度范围工作状态的稳定性。最终开发满足高温熔盐压力测量需求的压力变送器，实现在光热发电/化工领域的示范应用。

2问题分析：

由于填充液的温度特性，目前针对压力仪表的充灌液温度适用范围通常在+400℃以下，对于接液温度通常在其以上的熔盐加热系统装置及其它一些需超高温测量的场合，其压力测量已无法实现。远传毛细管内填充液具有一定的温度使用范围，若测量介质温度较高（>+250℃），而环境温度较低时（-10℃～- 40℃），此时毛细管内填充的高温硅油由于低温凝结已不适应，测量时会有较大误差。

目前国内外同类产品关于高温、高压的压力变送器结构、充灌介质以及高温传压系统测量精度及可靠性的研究均鲜有报道。我公司PDS分体式超高温法兰变送器是一款专门针对光热、化工等特种工况需求分析开展的高温、高压型在线压力变送器，具有明显先进性其最高测量温度可达+700℃。

3技术方案：

（一）压力变送器通常使用的压力传递介质材料是有机化合物，如：硅油、氟油等，其温度适用范围在+400℃以下，当超过该工作温度时会气化或炭化，使压力变送器无法正常工作。针对光热行业或部分化工行业，被测介质温度远超过+400℃。为此我们自制了液态合金制备装置，根据材料特性调配金属镓、金属铟、金属锡比例试验出了一种新的压力传递介质材料，最终试验出能承受即能承受+700℃以上高温，又能在一定低温下保持液态，同时稳定传递被测介质压力的专用高温液态传压介质材料，实现了+10℃-+700℃温度范围内的稳定测量。

（二）基于敏感传压构件材质特性分析和温度传递仿真技术，设计独特的高温传压结构。整个技术方案完成了高温传压结构设计，并通过温场模拟及测试解决了高温散热及高介质温度低环境温度的压力测量问题。基于温场变化仿真设计出高温传压结构形式，保证压力变送器在极低温度环境下，传压介质的不被凝固稳定工作。同时保证环境温度处于高温极限状态下，压力敏感元件正常工作。解决传统的测量结构在低温条件下需要伴热的工艺复杂性和使用局限性。

（1）温场有限元分析。

根据传热学的相关理论，我们知道凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。热量传递有三种方式导热、对流、热辐射。由于高温法兰变送器传热散热较为复杂，根据传热学通过环肋的导热模拟计算如下：

单片环肋散热模拟计算模型

模型中D1=40，δ=2，H=16。

根据导热基本定律傅里叶定律并根据矩形环肋的效率曲线计算如下：（其中H'为单肋有效散热高度，R'2为单肋有效散热直径，矩形环肋的效率曲线见下图）

H´=H+δ/2=17mm R1=D1/2=20 R´2=R1+H´=37mm

故

（其中AL表示肋片的纵剖面积）

肋效率曲线横坐标：

其中（钢导热系数λ=45w/（mk）其中K为开氏温度 肋面表面传热系数h=130w/m3k

由矩形剖面环肋的效率曲线查表可知ηf=0.82（其中ηf肋效率表示肋片散热的有效程度）

通过单片环肋的理论散热量：

每一个肋片实际散热量：

这样计算出来的只是通过一个环肋的导热量，对于法兰部分散热量应为多个环肋的总合。由于实际高温介质只是接触隔离膜片部分，故此计算与实际还是存在一定的出入，为此我们通过有限元理论和试验加以验证。

高级有限元分析软件对分体式法兰表温场模拟测试（试验条件：模拟介质温度+10℃～+700℃，环境温度-35℃～+80℃）

以上模拟分析了环境温度为-35℃，介质温度为+290℃和环境温度为+70℃，介质温度为+700℃两种极限状况，温场有限元分析可以看出在两种极限工况下传感器测量部温度均能满足使用要求。

（三）结构设计

（1）分体式超高温法兰变送器结构型式（传输电缆≤10米）

下面就分体式远传结构型式（传输电缆≤10米）做一说明：

如图二所示：PDS分体式超高温法兰变送器采用分体式结构。主要由PDS智能压力变送器显示部件、传输电缆、测量部组件、法兰组件等组成。其中测量部组件与PDS智能压力变送器显示部件通过传输电缆连接、测量部组件与法兰组件连接且连接部分充灌金属合金充灌液，各零部件之间主要采用焊接结构。

现在就这四大部分的细节做一简要说明：

（a）显示部分

如图三所示：PDS智能压力变送器显示部件包含：显示外壳、液晶显示屏、按键、安装部件、电气接头等。

显示外壳主体材料316与铝壳可选。按键安装在外壳顶部，由盖板密封，操作时需打开盖板，用按键可以直接设定参数。可以透过视窗玻璃，直接观察显示器上的变送器读数和报警信号。安装部件采用4-M8螺栓连接，也可根据现场安装条件进行定制。

（b）传输部分

如图四所示：传输部分选取耐腐蚀屏蔽电缆，连接可靠，线缆长度10米以内。

（c）测量部组件

如图五所示：测量头组件包括测量头连接件、散热表体、隔离膜片、过程接头等零部件。实际使用时散热表体能有效散除由于高温介质通过法兰组件所传递过来热量从而保护测量部件有效工作。传统散热均位于法兰组件的支撑杆上，这样虽也能有效散热，但由于冬季环境温度有可能低至-40℃，从而会使金属充灌液凝结，必需对金属液充灌部位有效伴热才能测量，散热片位于表体能有效避免这个问题，即使冬季环境温度低至-40℃仍可以通過温度传递使得金属充灌部位温度达到+10℃以上，金属液不会凝结而能进行有效测量，实际测量时不需要对变送器进行伴热处理，夏季环境温度+70℃，介质温度为+700℃ ，通过法兰组件和散热装置仍能够使变送器有效工作。

（d）法兰组件

如图六所示：法兰组件包括支撑杆、整体法兰、隔离膜片等零部件。在法兰组件隔离膜片与测量部组件隔离膜片间充灌金属合金充灌液。

4结束语：

由以上分析可知：与高温介质接触的法兰组件隔离膜片与测量部组件间充灌金属合金充灌液，但其远传部分不再使用毛细管而选取了耐腐蚀屏蔽的传输电缆，线缆长度可达10米。测量部组件特有的散热结构能有效避免传感器因介质高温而损坏。这种分体式结构不但解决了超高温介质的压力测量同时也解决了高介质温度低环境温度的压力测量问题，不但实现在+10℃～+700℃宽范围内的稳定测量而且扩充了PDS法兰表种类。PDS分体式超高温远传压力变送器其相关性能指标经测试完全合格。

参考文献：

[1]赵镇南.传热学.北京：高等教育出版社，2008

[2]苑伟政、谢建兵、MEMS集成设计技术及应用. 北京：国防工业出版社，2014