基于差压传感的法兰微泄漏在线监测技术研究

李明骏

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266100)

螺栓、法兰、垫片连接系统是石化生产设备中最为常见的一类密封结构，其密封性能容易收到受安装质量、介质腐蚀、运行条件等因素影响，如高含硫化氢介质的压力管道，在法兰密封面部位极易产生酸性水腐蚀和缝隙腐蚀，以及局部凹坑缺陷导致密封性失效而泄漏[1]，法兰反复被拆卸、安装，并且在安装过程中人工紧固螺栓受力不均匀等原因导致应力腐蚀开裂等等[2]。法兰腐蚀机理多种多样，其造成的后果大多是密封失效而导致泄漏，如果能在法兰泄漏的最早期及时发现微小泄漏并准确报警，就可以有效避免安全事故的发生。

目前主流的法兰泄漏检测技术是采用光离子化检测器(PID)和火焰离子化检测器(FID)检测仪[3]，放置于法兰垫片接合处的外部边沿，环绕法兰采样。其弊端在于从法兰泄漏出的气体会受到自然风影响而扩散，浓度会迅速降低至难以检测，微小泄漏更是如此。本文进行基于微机电系统(MEMS)的差压传感检测技术研究，通过分析MEMS差压传感器性能以及测试差压传感器的响应特性，验证法兰微泄漏压差传感的可行性，提高法兰微泄漏监测的可靠性，从而实现由于腐蚀损伤等原因造成的初期微小泄漏的监测与报警，及时发现隐患。

1 高灵敏度微流量气体传感技术研究

为了提高法兰微泄漏监测技术的灵敏度，降低监测相对功耗，分别对传统流量传感、新型气敏传感与差压传感技术进行研究，并对比分析。

对典型传统流量传感器Honeywell AWM3000进行测试，其采用双惠斯通电桥原理测量气体流量，集成发热器控制电路、双传感电路、差分放大电路，具有温度抑制功能，测量误差在±5%之内。经过实验验证，该传感器测量精度较高，同时具有较大量程，可满足较宽范围的泄漏定量监测需求。但是该传感器功耗较高，测试过程中平均功耗为67mW，以常见的18650型2600mAh的3.7 V锂电池为标准进行测算，单节电池待机时长约为143.58 h，无法实现长周期免供电应用。

对某学院研制的氨气气敏薄膜传感材料进行分析测试。该种气敏材料无需加热，可在室温下工作，其响应值为材料的电阻值，外接电阻测量电路即可实现检测功能，气敏传感材料具有极高的灵敏度和极短的响应时间，及检测特异性，可利用此种特异性降低环境中的其他气体对检测结果的干扰。气敏膜片具有极小的体积和极低的功耗，在测试过程中的实际功耗小于1mW。但是，气敏传感材料还不能做到准确定量监测。且此类传感材料极易受环境温度干扰，突变的环境温度同样可导致其响应值的快速变化。如果使用此种传感材料，需要设置精确的温度补偿机构，排除应用现场的温度干扰。

差压传感器DPS(Differential Pressure Sensor)是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，目前广泛应用于气流速度测量、密闭系统密封性能等场景。差压式流速测量原理是根据动压(即全压与静压之差)与流速之间的关系来测量气体在流动中的速度，计算方法基于连续性方程和伯努利方程[4]。利用微机电系统(MEMS)加工技术制造的微型差压传感器件，具有成本低、体积小、集成度高的特点，更适用于研发小型仪器设备。对MS-4525DO差压传感器进行测试分析，其功耗、体积均优于Honeywell微流量传感器。传感器自带温度补偿功能，可避免环境与气体温度变化对监测值的影响。压强监测灵敏度可达1psi，配合合适管径的气体管路可有效监测微小泄漏。经实验测试，压差传感技术在3.7 V供电电压下，待机功耗约为13.8 mW，功耗较低。但是在定量监测方面，只能依靠监测压力差值间接推算气体流量，可能存在较大误差。

三类传感器性能比较如表1所示。综合对比以上三种传感技术，流量传感可精确定量但功耗太高；气敏材料传感功耗极低且具有响应特异性，但实际使用还需要设置额外的温度补偿机构；差压传感可以温度自补偿、灵敏度高、功耗较低，可以提高微泄漏在线监测技术的可靠性。基于差压传感对微小泄漏进行半定量监测，同时设置报警阈值，从而实现法兰微泄漏预警。

表1 三类气体传感器性能比较

2 微流量气体传感响应特性分析

常见的差压式气体流量计的计量原理都基于流体伯努利方程，由于气体可被压缩，伯努利方程需要进行修正，修正后的伯努利方程可以表示为

(1)

式中：qv——气体体积流量；

C——包含气体密度、管路横截面积、内径比等在内的系数的乘积，当环境条件确定时C值即为常量；

ρ——气体密度；

Δp——两个测量点之间的压强差值。

在实际应用中，压强差和气体流量的关系无法用理想气体方程所表征，所以本文采用实验数据拟合函数曲线的方式确定传感器的响应特性。

常规差压式气体流量计的两个压力采样口均置于气体管路内部。由于法兰微泄漏收集管路末端与大气相通，本文对传感路径进行了改进，将差压式传感器的两端分别连接管路内部与大气，通过测量管路内部的气体压强与大气压的瞬时差值来判断管路中是否有气体流动，进而判断是否存在泄漏。该传感方式只有一个监测口接入气体管路中，可降低因气体含杂质较多杜塞采样口的情况发生，形成基于压差传感的法兰微泄漏在线监测传感技术，提高其对法兰微泄漏监测的普适性。

对改进的压差式传感方式进行微流量测试分析，实验系统如图1所示。标准气体气瓶经减压阀减压后通过气体管路与流量微调阀相连，微调阀后端与测试管路相连，差压传感器一端接入测试管路，另一端空置，与大气联通。测试管路经流量计后与大气联通。标准气体选用压缩空气，流量计选用安捷伦ADM流量计，可实现0.5-750 mL/min的检测量程。为了尽可能降低监测延迟，捕捉瞬态微小泄漏，设置差压传感器为全时工作状态，中央处理单位对传感器的采集频率小于0.5 s，测试数据见表2。

图1 传感器微流量测试系统结构

表2 MS4525D差压传感器实验数据

由以上实验数据可以得出，在气体流速稳定后，改进的压差传感方式的输出值会在小范围内波动，尤其是当气体流量较小时，传感输出值范围存在重叠，这不利于微流量定量监测。为此，引入传感“输出均值”的概念，以传感系统当前输出值与多个历史输出值的平均值为最终输出值。以0.25 s采样周期，取7组历史值为例，输出均值等于当前输出值与7组历史值的均值，也就是当前时间之前2s内的输出平均值。设置输出均值可有效缩小传感器输出响应值范围，提供更为准确的定量监测结果。除此之外，将当前值与输出均值进行比较来判断是否报警，可有效抵消因外界环境变化导致的气压缓慢变化引起的误报情况。图2中虚线为经输出均值处理后的响应特性曲线，竖线为处理前的响应值范围，经实验验证，经过处理后传感器输出值范围缩小约35%左右，输出值与流量的对应关系更加明确，可显著提高流量监测的准确性。

图2 经过输出均值处理后的输出响应特性

以传感器输出均值作为自变量X，气体流量作为因变量Y进行拟合，得到压差传感系统在一定气体管路管径下的“流量——差压”响应特性曲线。在拟合之前要对输出值X进行归一化处理，以输出值X的均值为中心、以输出值X的标准差来做归一化因子，将数据变得相对集中，提高迭代求解的精度和收敛速度。归一化公式：

(2)

式中：εX——自变量X的均值；

σX——自变量X的标准差；

X1——均一化后的自变量。

基于最小二乘法，采用残差平方和(SSE)、判定系数(R-Square)、调整的判定系数(Adjusted R-Square)和均方根误差(RMSE)4个参数作为拟合判据。由于自变量数量较多，为避免影响因自变量个数引起的参数变化，最终采用调整的判定系数Adjusted R-Square进行拟合判优。式(3)为拟合后的五阶多项式，判定系数Adjusted R-Square=0.999 9，拟合效果如图3所示。

Y=2.328X5-17.82X4+49.74X3-

82.64X2+259.9X1+271.3

(3)

图3中红色数据点为验证测试数据，经计算，拟合曲线的误差在15%之内，可较好的描述差压传感的响应特性，满足半定量监测需求。

图3 传感器响应特性多项式拟合结果

3 结语

差压传感可以温度自补偿、灵敏度高、功耗较低，能够提高微泄漏在线监测技术的可靠性。基于差压传感对微小泄漏进行半定量监测，同时设置报警阈值，可实现法兰微泄漏预警。

改进差压传感方式，同时引入“输出均值”概念，将当前输出值与多个历史输出值的平均值作为最终输出值，使输出值与流量的对应关系更加明确，可显著提高流量监测的准确性。

本文验证MEMS差压传感技术监测法兰微小泄漏的可行性，实验测试效果较好，为下一步的工业化应用奠定基础。