安全阀阀芯传感器的标定理论与验证技术

　　1　前言

　　安全阀作为承压系统安全运行的保障手段,在工业装置上广泛应用,其中弹簧直接加载安全阀的使用最普遍[1]。工业装置对安全阀的基本要求是具备良好的密封性,可靠开启,及时稳定地排放以及快速回座关闭,其中最重要的要求是快速开启、稳定可靠地排放,以便适应后系统的突然超压泄放的要求。为了保证安全阀本身具备足够的可靠性,国家法规规定安全阀应执行年度检验,对于保障生产系统安全运行起到重要作用。目前大多数生产装置执行长周期运行制度,造成年度检验无法执行,为解决这个矛盾,提出一种解决方案,即采用具有在线检测功能的新型安全阀。根据文献[2]提出的技术思路,本文对安全阀中的阀芯传感器的标定技术的理论基础以及验证技术进行研究。

　　2　传感元件的布置

　　图1、2分别示出了阀芯传感器的一种结构形式和全桥检测的接线方式。根据阀芯形状采用了圆膜应变计实施全桥检测,以便获得最大的检测灵敏度[3]。

　　将圆膜片边缘视为固定支承,按照弹性薄板理论,得到如下的径向、环向应变公式:

　　可见,应变分布与操作参数p,材料性能E以及膜片厚度δ及膜片半径a有关。

　　3　圆膜应变计的验证理论分析

　　对于图3所示的全桥测量,根据应变电测原理[4],对称布置的全桥测量有:

　　其中,ε是电桥上4个电阻应变计的总应变,根据对称性可以折算成圆弧丝栅段的平均应变εl1和径向丝栅段平均应变εl2的代数和。圆弧丝栅和径向丝栅的平均应变定义为[5]:

　　其中a1,a2, a3,a4分别为圆弧丝栅和径向丝栅的起止半径,具体如图4所示。因此得到总应变的算式:

　　式中　n———圆弧状丝栅区域内丝栅条数

　　根据圆膜应变计的结构测量,可以获得上述基本几何数据。图5示出了一般的圆膜应变计的圆弧丝栅和径向丝栅区域的相对大小与理论应变曲线(式(1), (2))的关系,可见在圆膜应变计中,两个区域端点之间的直线与理论曲线之间的差别很小,这在估值计算中非常有用。

　　根据积分中值定理,式(4)的继续简化可以采用两个区域端点的应变值取平均来代替式(4)中随半径变化的环向应变,从而简化累加关系,于是得到:

　　由图5可见,上式的误差是很小的。同样式(5)也可以根据积分中值定理继续简化,采用径向丝栅区域的平均值来代替积分值后,得到:

　　综合式(3)、(7)、(8)可以得到: