李明駿

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266100)

螺栓、法蘭、墊片連接系統(tǒng)是石化生產(chǎn)設(shè)備中最為常見的一類密封結(jié)構(gòu)，其密封性能容易收到受安裝質(zhì)量、介質(zhì)腐蝕、運(yùn)行條件等因素影響，如高含硫化氫介質(zhì)的壓力管道，在法蘭密封面部位極易產(chǎn)生酸性水腐蝕和縫隙腐蝕，以及局部凹坑缺陷導(dǎo)致密封性失效而泄漏[1]，法蘭反復(fù)被拆卸、安裝，并且在安裝過程中人工緊固螺栓受力不均勻等原因?qū)е聭?yīng)力腐蝕開裂等等[2]。法蘭腐蝕機(jī)理多種多樣，其造成的后果大多是密封失效而導(dǎo)致泄漏，如果能在法蘭泄漏的最早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)微小泄漏并準(zhǔn)確報(bào)警，就可以有效避免安全事故的發(fā)生。

目前主流的法蘭泄漏檢測(cè)技術(shù)是采用光離子化檢測(cè)器(PID)和火焰離子化檢測(cè)器(FID)檢測(cè)儀[3]，放置于法蘭墊片接合處的外部邊沿，環(huán)繞法蘭采樣。其弊端在于從法蘭泄漏出的氣體會(huì)受到自然風(fēng)影響而擴(kuò)散，濃度會(huì)迅速降低至難以檢測(cè)，微小泄漏更是如此。本文進(jìn)行基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的差壓傳感檢測(cè)技術(shù)研究，通過分析MEMS差壓傳感器性能以及測(cè)試差壓傳感器的響應(yīng)特性，驗(yàn)證法蘭微泄漏壓差傳感的可行性，提高法蘭微泄漏監(jiān)測(cè)的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)由于腐蝕損傷等原因造成的初期微小泄漏的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。

1 高靈敏度微流量氣體傳感技術(shù)研究

為了提高法蘭微泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的靈敏度，降低監(jiān)測(cè)相對(duì)功耗，分別對(duì)傳統(tǒng)流量傳感、新型氣敏傳感與差壓傳感技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)比分析。

對(duì)典型傳統(tǒng)流量傳感器Honeywell AWM3000進(jìn)行測(cè)試，其采用雙惠斯通電橋原理測(cè)量氣體流量，集成發(fā)熱器控制電路、雙傳感電路、差分放大電路，具有溫度抑制功能，測(cè)量誤差在±5%之內(nèi)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該傳感器測(cè)量精度較高，同時(shí)具有較大量程，可滿足較寬范圍的泄漏定量監(jiān)測(cè)需求。但是該傳感器功耗較高，測(cè)試過程中平均功耗為67mW，以常見的18650型2600mAh的3.7 V鋰電池為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)算，單節(jié)電池待機(jī)時(shí)長(zhǎng)約為143.58 h，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期免供電應(yīng)用。

對(duì)某學(xué)院研制的氨氣氣敏薄膜傳感材料進(jìn)行分析測(cè)試。該種氣敏材料無需加熱，可在室溫下工作，其響應(yīng)值為材料的電阻值，外接電阻測(cè)量電路即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，氣敏傳感材料具有極高的靈敏度和極短的響應(yīng)時(shí)間，及檢測(cè)特異性，可利用此種特異性降低環(huán)境中的其他氣體對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。氣敏膜片具有極小的體積和極低的功耗，在測(cè)試過程中的實(shí)際功耗小于1mW。但是，氣敏傳感材料還不能做到準(zhǔn)確定量監(jiān)測(cè)。且此類傳感材料極易受環(huán)境溫度干擾，突變的環(huán)境溫度同樣可導(dǎo)致其響應(yīng)值的快速變化。如果使用此種傳感材料，需要設(shè)置精確的溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，排除應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的溫度干擾。

差壓傳感器DPS(Differential Pressure Sensor)是一種用來測(cè)量?jī)蓚€(gè)壓力之間差值的傳感器，目前廣泛應(yīng)用于氣流速度測(cè)量、密閉系統(tǒng)密封性能等場(chǎng)景。差壓式流速測(cè)量原理是根據(jù)動(dòng)壓(即全壓與靜壓之差)與流速之間的關(guān)系來測(cè)量氣體在流動(dòng)中的速度，計(jì)算方法基于連續(xù)性方程和伯努利方程[4]。利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)制造的微型差壓傳感器件，具有成本低、體積小、集成度高的特點(diǎn)，更適用于研發(fā)小型儀器設(shè)備。對(duì)MS-4525DO差壓傳感器進(jìn)行測(cè)試分析，其功耗、體積均優(yōu)于Honeywell微流量傳感器。傳感器自帶溫度補(bǔ)償功能，可避免環(huán)境與氣體溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)值的影響。壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)靈敏度可達(dá)1psi，配合合適管徑的氣體管路可有效監(jiān)測(cè)微小泄漏。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，壓差傳感技術(shù)在3.7 V供電電壓下，待機(jī)功耗約為13.8 mW，功耗較低。但是在定量監(jiān)測(cè)方面，只能依靠監(jiān)測(cè)壓力差值間接推算氣體流量，可能存在較大誤差。

三類傳感器性能比較如表1所示。綜合對(duì)比以上三種傳感技術(shù)，流量傳感可精確定量但功耗太高；氣敏材料傳感功耗極低且具有響應(yīng)特異性，但實(shí)際使用還需要設(shè)置額外的溫度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；差壓傳感可以溫度自補(bǔ)償、靈敏度高、功耗較低，可以提高微泄漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性?；诓顗簜鞲袑?duì)微小泄漏進(jìn)行半定量監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置報(bào)警閾值，從而實(shí)現(xiàn)法蘭微泄漏預(yù)警。

表1 三類氣體傳感器性能比較

2 微流量氣體傳感響應(yīng)特性分析

常見的差壓式氣體流量計(jì)的計(jì)量原理都基于流體伯努利方程，由于氣體可被壓縮，伯努利方程需要進(jìn)行修正，修正后的伯努利方程可以表示為

(1)

式中：qv——?dú)怏w體積流量；

C——包含氣體密度、管路橫截面積、內(nèi)徑比等在內(nèi)的系數(shù)的乘積，當(dāng)環(huán)境條件確定時(shí)C值即為常量；

ρ——?dú)怏w密度；

Δp——兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的壓強(qiáng)差值。

在實(shí)際應(yīng)用中，壓強(qiáng)差和氣體流量的關(guān)系無法用理想氣體方程所表征，所以本文采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合函數(shù)曲線的方式確定傳感器的響應(yīng)特性。

常規(guī)差壓式氣體流量計(jì)的兩個(gè)壓力采樣口均置于氣體管路內(nèi)部。由于法蘭微泄漏收集管路末端與大氣相通，本文對(duì)傳感路徑進(jìn)行了改進(jìn)，將差壓式傳感器的兩端分別連接管路內(nèi)部與大氣，通過測(cè)量管路內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)與大氣壓的瞬時(shí)差值來判斷管路中是否有氣體流動(dòng)，進(jìn)而判斷是否存在泄漏。該傳感方式只有一個(gè)監(jiān)測(cè)口接入氣體管路中，可降低因氣體含雜質(zhì)較多杜塞采樣口的情況發(fā)生，形成基于壓差傳感的法蘭微泄漏在線監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)，提高其對(duì)法蘭微泄漏監(jiān)測(cè)的普適性。

對(duì)改進(jìn)的壓差式傳感方式進(jìn)行微流量測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)氣體氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后通過氣體管路與流量微調(diào)閥相連，微調(diào)閥后端與測(cè)試管路相連，差壓傳感器一端接入測(cè)試管路，另一端空置，與大氣聯(lián)通。測(cè)試管路經(jīng)流量計(jì)后與大氣聯(lián)通。標(biāo)準(zhǔn)氣體選用壓縮空氣，流量計(jì)選用安捷倫ADM流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)0.5-750 mL/min的檢測(cè)量程。為了盡可能降低監(jiān)測(cè)延遲，捕捉瞬態(tài)微小泄漏，設(shè)置差壓傳感器為全時(shí)工作狀態(tài)，中央處理單位對(duì)傳感器的采集頻率小于0.5 s，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

圖1 傳感器微流量測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 MS4525D差壓傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在氣體流速穩(wěn)定后，改進(jìn)的壓差傳感方式的輸出值會(huì)在小范圍內(nèi)波動(dòng)，尤其是當(dāng)氣體流量較小時(shí)，傳感輸出值范圍存在重疊，這不利于微流量定量監(jiān)測(cè)。為此，引入傳感“輸出均值”的概念，以傳感系統(tǒng)當(dāng)前輸出值與多個(gè)歷史輸出值的平均值為最終輸出值。以0.25 s采樣周期，取7組歷史值為例，輸出均值等于當(dāng)前輸出值與7組歷史值的均值，也就是當(dāng)前時(shí)間之前2s內(nèi)的輸出平均值。設(shè)置輸出均值可有效縮小傳感器輸出響應(yīng)值范圍，提供更為準(zhǔn)確的定量監(jiān)測(cè)結(jié)果。除此之外，將當(dāng)前值與輸出均值進(jìn)行比較來判斷是否報(bào)警，可有效抵消因外界環(huán)境變化導(dǎo)致的氣壓緩慢變化引起的誤報(bào)情況。圖2中虛線為經(jīng)輸出均值處理后的響應(yīng)特性曲線，豎線為處理前的響應(yīng)值范圍，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過處理后傳感器輸出值范圍縮小約35%左右，輸出值與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加明確，可顯著提高流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖2 經(jīng)過輸出均值處理后的輸出響應(yīng)特性

以傳感器輸出均值作為自變量X，氣體流量作為因變量Y進(jìn)行擬合，得到壓差傳感系統(tǒng)在一定氣體管路管徑下的“流量——差壓”響應(yīng)特性曲線。在擬合之前要對(duì)輸出值X進(jìn)行歸一化處理，以輸出值X的均值為中心、以輸出值X的標(biāo)準(zhǔn)差來做歸一化因子，將數(shù)據(jù)變得相對(duì)集中，提高迭代求解的精度和收斂速度。歸一化公式：

(2)

式中：εX——自變量X的均值；

σX——自變量X的標(biāo)準(zhǔn)差；

X1——均一化后的自變量。

基于最小二乘法，采用殘差平方和(SSE)、判定系數(shù)(R-Square)、調(diào)整的判定系數(shù)(Adjusted R-Square)和均方根誤差(RMSE)4個(gè)參數(shù)作為擬合判據(jù)。由于自變量數(shù)量較多，為避免影響因自變量個(gè)數(shù)引起的參數(shù)變化，最終采用調(diào)整的判定系數(shù)Adjusted R-Square進(jìn)行擬合判優(yōu)。式(3)為擬合后的五階多項(xiàng)式，判定系數(shù)Adjusted R-Square=0.999 9，擬合效果如圖3所示。

Y=2.328X5-17.82X4+49.74X3-

82.64X2+259.9X1+271.3

(3)

圖3中紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，擬合曲線的誤差在15%之內(nèi)，可較好的描述差壓傳感的響應(yīng)特性，滿足半定量監(jiān)測(cè)需求。

圖3 傳感器響應(yīng)特性多項(xiàng)式擬合結(jié)果

3 結(jié)語

差壓傳感可以溫度自補(bǔ)償、靈敏度高、功耗較低，能夠提高微泄漏在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性?；诓顗簜鞲袑?duì)微小泄漏進(jìn)行半定量監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置報(bào)警閾值，可實(shí)現(xiàn)法蘭微泄漏預(yù)警。

改進(jìn)差壓傳感方式，同時(shí)引入“輸出均值”概念，將當(dāng)前輸出值與多個(gè)歷史輸出值的平均值作為最終輸出值，使輸出值與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加明確，可顯著提高流量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本文驗(yàn)證MEMS差壓傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)法蘭微小泄漏的可行性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果較好，為下一步的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。