常見的壓力/差壓變送器根據(jù)測(cè)量原理的不同，可以分為電容式變送器、半導(dǎo)體硅變送器等。核工業(yè)場(chǎng)景中壓力/差壓變送器前期較多采用西安儀表廠的1151系列，個(gè)別差壓測(cè)量采用川儀橫河的EJA系列；后續(xù)以羅斯蒙特（Rosemount）的3051C型變送器（壓力）/3051CD型變送器（差壓）為主。羅斯蒙特的3051系列變送器為電容式智能型變送器，精度、可靠性等技術(shù)指標(biāo)都要強(qiáng)于1151系列變送器，重量、體積都較1151型小。近年來，隨著新方法、新器件、新材料、新工藝的引入，熱工參數(shù)測(cè)量已經(jīng)發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。測(cè)量方法上從傳統(tǒng)的單一測(cè)量發(fā)展到多參數(shù)測(cè)量，出現(xiàn)了新型無線以及微機(jī)電（MEMS）傳感器[6]，測(cè)量儀表從傳統(tǒng)的模擬儀表發(fā)展為智能型和總線型儀表，傳輸方式由4～20mA發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)總線、無線傳輸?shù)?。這些新技術(shù)、新設(shè)備在石化、電力等行業(yè)中已經(jīng)有所應(yīng)用并積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，這就為核工業(yè)場(chǎng)景總的過程儀表小型化奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于核工業(yè)場(chǎng)景中過程儀表系統(tǒng)的小型化研究，可從過程儀表系統(tǒng)的簡化和瘦身、新型測(cè)量架構(gòu)、儀表小型化和安裝布置優(yōu)化幾方面入手進(jìn)行分析，本文主要從壓力/差壓測(cè)量儀表小型化方面開展研究。一、壓力/差壓測(cè)量儀表小型化分析壓力/差壓測(cè)量儀表中的壓力/差壓變送器是核工業(yè)場(chǎng)景中數(shù)量多、占用空間大的主要儀表，其小型化研究對(duì)整個(gè)過程儀表的小型化有十分重要的意義。壓力/差壓變送器的小型化研究可以從變送器的傳感器和表頭兩部分入手，這兩部分也是占變送器的體積比重最大的兩部分。變送器傳感器部分的小型化方面，傳統(tǒng)的電容式傳感器由于其工作原理，體積很難做到小型化；而半導(dǎo)體諧振式變送器由于半導(dǎo)體材料的耐輻照性能相對(duì)不足，無法長時(shí)間在輻照劑量高的區(qū)域使用。所以，變送器傳感器部分的小型化需要對(duì)變送器結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅調(diào)整，甚至涉及測(cè)量原理、材料以及制造工藝的改進(jìn)，比如采用金屬材料應(yīng)變測(cè)量原理或是引入MEMS等先進(jìn)技術(shù)，但這些實(shí)現(xiàn)起來難度比較大（相當(dāng)于從根本上新研制一類變送器），實(shí)現(xiàn)周期可能也比較長。變送器的表頭部分包括外殼、信號(hào)調(diào)理放大與轉(zhuǎn)換電路、輸出接口模塊等幾部分，帶顯示表頭的變送器還包含有顯示模塊，智能型變送器還包括處理器模塊等。其中表頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，空間相對(duì)比較富裕，小型化的可能性比較大。隨著科技的進(jìn)步，集成IC水平日新月異，在保證功能的前提下，現(xiàn)有變送器表頭內(nèi)的電子部分體積可以大幅度減??；表頭的整體結(jié)構(gòu)由水平橫置改為豎直放置，與變送器傳感器部分形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，可以省去傳統(tǒng)變送器中間過渡段結(jié)構(gòu)；電纜連接采用電連接器型式取代現(xiàn)有的接口型式（現(xiàn)有接線是將電纜通過表頭頂部的接線接口引入后接在接線端子上的，因?yàn)樾枰謩?dòng)操作，所以預(yù)留有操作空間）。通過這些措施，變送器表頭的體積可以縮小50%左右，相當(dāng)于整個(gè)變送器的體積縮減30%左右。

二、小型化壓力/差壓變送器功能性能要求小型化壓力/差壓變送器安裝在核工業(yè)場(chǎng)景相關(guān)工藝系統(tǒng)測(cè)量位置，壓力/差壓信號(hào)通過管道引至帶膜片密封組件，再經(jīng)遠(yuǎn)傳毛細(xì)管將壓力/差壓信號(hào)傳導(dǎo)至壓力/差壓變送器本體的隔離膜片上，隔離膜片再將壓力通過硅油傳導(dǎo)至中心測(cè)量膜片，測(cè)量膜片發(fā)生位移產(chǎn)生電容的變化，變送器的轉(zhuǎn)換部分將電容的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化，從而將壓力/差壓信號(hào)以線性或平方根關(guān)系轉(zhuǎn)換為兩線制4～20mADC信號(hào)輸出。變送器支持HART工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，可通過手操器或其他設(shè)備對(duì)變送器進(jìn)行在線調(diào)整或設(shè)置，包括零點(diǎn)與量程設(shè)定、線性或平方根輸出設(shè)定、阻尼設(shè)置、時(shí)間校準(zhǔn)等。其測(cè)量范圍為0～25MPa（壓力型）、0～1MPa（差壓型），測(cè)量基本精度不低于±0.3%量程，啟動(dòng)時(shí)間不大于2s。尺寸（不帶表頭）為：高度＜160mm，長度＜90mm，寬度＜90mm，重量不超過5kg。變送器本體可在累積輻照劑量10Gy（正常運(yùn)行）的情況下工作，帶膜片密封組件可在累積輻照劑量200kGy（正常運(yùn)行）的情況下工作。

三、小型化壓力/差壓變送器測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1、測(cè)量原理電容式壓力/差壓變送器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力和差壓轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)壓力和差壓測(cè)量的儀表。3.2、總體結(jié)構(gòu)1）壓力/差壓變送器本體。小型化壓力/差壓變送器本體部分主要由壓力傳感器、傳感器法蘭夾板、螺栓、電路、外殼、電氣連接器、銘牌等組成，主要功能是將遠(yuǎn)程法蘭測(cè)量裝置的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2）遠(yuǎn)傳法蘭測(cè)量裝置。遠(yuǎn)傳法蘭測(cè)量裝置主要由測(cè)量頭組件、鎧裝毛細(xì)管組件、填充液組成，其功能為將過程測(cè)量點(diǎn)壓力信號(hào)傳遞至傳感器本體。本體部分與遠(yuǎn)傳法蘭測(cè)量裝置通過密封連接，兩部分充灌耐輻照硅油實(shí)現(xiàn)壓力遠(yuǎn)程傳遞。小型化壓力/差壓變送器測(cè)量系統(tǒng)整體外形圖如圖1所示，壓力/差壓傳感器本體組件爆炸圖如圖2所示。3.3、\結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)小型化的設(shè)計(jì)需求，電子倉部分由以往變送器的T型結(jié)構(gòu)改為立式圓柱結(jié)構(gòu)可減小外形尺寸，材質(zhì)采用316不銹鋼，外徑為80mm，產(chǎn)品高度150mm。新的變送器下部傳感器模板尺寸與傳統(tǒng)變送器接近，電子倉外形采用立式圓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，整體尺寸對(duì)比傳統(tǒng)變送器對(duì)空間的占用可減少40%左右。小型化變送器尺寸圖如圖3所示，滿足性能要求中的外形尺寸限制要求。

四、小型化變送器測(cè)量膜片力學(xué)分析傳感器是壓力變送器的核心部件，其性能取決于材料特性、力學(xué)結(jié)構(gòu)和制造工藝。目前壓力傳感器主要為微位移傳感器，位移的產(chǎn)生來自于測(cè)量膜片受力后的撓曲變形。金屬電容壓力傳感器測(cè)量膜片為圓形膜片，低量程段為張緊膜，高量程段為雙面E型薄板。對(duì)于力傳感器而言，彈性材料的蠕變和回滯特性非常關(guān)鍵，必須嚴(yán)格控制。測(cè)量膜片材料采用3J53恒彈性合金，該材料可沉淀硬化，在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅?50～150℉溫度范圍內(nèi)彈性模量系數(shù)為-20×10-6/℉～20×10-6/℉（-46～66℃范圍內(nèi)為-36×10-6/℉～36×10-6/℃），抗拉強(qiáng)度為1310MPa，屈服強(qiáng)度為1138MPa。測(cè)量膜片為塑性金屬材料，因此采用等效應(yīng)力強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度判定，最低安全系數(shù)取1.2，最高許用應(yīng)力為σp=948MPa，材料最高等效應(yīng)力應(yīng)低于許用應(yīng)力。彈性膜片分為薄膜和薄板兩種類型，薄膜又分為無初始張力和有初始張力型。無初始張力型就按球面考慮，中心撓度滿足式（1）：式中：ω0為中心撓度（mm）；μ為泊松比；R1為膜片半徑（mm）；p為均布?jí)毫Γ∕Pa）；E為楊氏模量（Pa）；h為膜片厚度（mm）。薄膜的法向位移如式（2）所示：式中：r為計(jì)算半徑（mm）；R2為中心撓度受力變化后的膜片半徑，其計(jì)算如下：有初始張力型薄膜的法向位移與膜片的張力相關(guān)，如式（4）所示：式中：σ為膜片張力（N/m），張力為單位長度力，因此應(yīng)力乘以膜片厚度就是張力，即張力考慮了膜片厚度。當(dāng)撓度很小時(shí)，可以進(jìn)一步簡化得式（5）：當(dāng)考慮膜片剛度時(shí)，按圓形薄板計(jì)算，法向位移如式（6）所示：顯然，每種計(jì)算方法都有局限性，而有限元分析的數(shù)值近似解法具備更高的精度。以下采用有限元分析方法對(duì)各測(cè)量膜片進(jìn)行仿真分析?？傮w而言，由于膜座的球面弧坑深度約0.12mm，綜合考慮膜片的線性彈性和寬量程，傳感器滿量程設(shè)計(jì)為最大撓度（中心撓度）0.06mm左右為宜。對(duì)于薄膜片，為使其保持在彈性形變范圍內(nèi)，施加預(yù)張緊力成為關(guān)鍵工藝。對(duì)于有限元仿真，膜片預(yù)張緊力載荷的施加采用在周邊施加徑向位移來實(shí)現(xiàn)。1#傳感器量程為[-1.5，1.5]kPa，測(cè)量膜片厚度為0.027mm。周邊施加4

μm徑向位移，產(chǎn)生一致的60.3MPa拉伸應(yīng)力，因此張力為1.6281N/mm。在預(yù)張緊力基礎(chǔ)上施加均布?jí)毫?.5kPa，撓度和應(yīng)力強(qiáng)度如圖4所示。由圖5中分析可知，滿量程載荷下最大撓度為0.0528mm，在合理范圍。最大等效應(yīng)力為75.3MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力σp，因此材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。用同樣的方法對(duì)2#、3#和4#傳感器進(jìn)行計(jì)算，所有數(shù)據(jù)記錄如表1所示。由表1可知，從1#到3#傳感器在滿量程載荷下的最大撓度均在合理范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力均遠(yuǎn)低于或低于許用應(yīng)力。因此，膜片材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。只有4#傳感器在滿量程載荷下最大撓度為0.1033mm，與1#～3#傳感器相比其撓度變形偏大一些，但也可以正常工作。最大等效應(yīng)力為693.5MPa，低于許用應(yīng)力σp，因此膜片材料能正常工作，彈性性能也能得到保證。5#～8#傳感器膜片為雙面E型薄板結(jié)構(gòu)，不再進(jìn)行張緊，撓度形變主要由環(huán)形槽較薄處產(chǎn)生。5#傳感器量程為[0，1]MPa，測(cè)量膜片厚度為1.6mm，開槽處厚度為0.7mm，5#膜片結(jié)構(gòu)如圖6所示。施加均布?jí)毫?MPa，撓度和應(yīng)力強(qiáng)度等位圖切剖示意圖如圖7所示。由圖7（a）可知，滿量程載荷下最大撓度為0.0608mm，在合理范圍內(nèi)。最大等效應(yīng)力為230.9MPa，低于許用應(yīng)力σp，因此材料能正常工作，彈性性能得到保證。用同樣的方法對(duì)6#、7#和8#傳感器進(jìn)行計(jì)算，所有數(shù)據(jù)記錄如表2所示。由表2可知，5#和6#傳感器在滿量程載荷下最大撓度均在合理范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力均低于許用應(yīng)力。因此，膜片材料工作于較好的條件下，彈性性能得到保證。7#和8#傳感器在滿量程載荷下最大撓度為0.0311mm和0.0364mm，二者的撓度變形偏小一些，靈敏度相對(duì)低，但可以正常測(cè)量。7#和