華海測控-壓力傳感器在石化行業(yè)的應用

1、引言

 壓力變送器是石化行業(yè)自動控制中使用最多的測量裝置之一。在大型的化工項目中，幾乎包含了所有壓力變送器的應用：差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質及特殊加工的遠傳法蘭式壓力變送器。以揚子巴斯夫苯乙烯工程為例，它使用了接近480臺各種類型的壓力變送器。在工程籌建階段，該工程籌建部的專家和工程師就希望能在至少2年時間內全部壓力變送器可靠運行，不出現故障。

 目前，我國石化行業(yè)大量使用的壓力變送器主要依靠進口，國產的壓力變送器在產品種類和性能方面和國外還有一定的差距。實現壓力傳感器的國產化，對于國家的經濟和國防安全，振興民族產業(yè)等都具有重要意義。本文通過對比研究在石化領域使用的國內外幾種典型的壓力變送器，分析了壓力傳感器國產化的關鍵所在。通過努力，可以打破基于MEMS傳感器的壓力變送器國外的壟斷地位，實現石化行業(yè)壓力傳感器的國產化。

2、石化行業(yè)對壓力變送器的需求和對壓力傳感器的要求

 在現代化連續(xù)生產的過程中，穩(wěn)定可靠的壓力變送器是生產工藝過程的有力保障。一旦出現計量錯誤，甚至發(fā)生停機故障，隨之而來的經濟損失將是無法計數的。壓力變送器的穩(wěn)定性和可靠性成為石化行業(yè)對壓力變送器的首要需求。

 通常，壓力變送器的測量會隨著工作環(huán)境和靜壓的變化而發(fā)生漂移。在一些微小的壓力或者差壓測量場合，這個漂移很可能是比較嚴重的。在不同的工作條件下，得到相對最正確的測量，從而維護生產的穩(wěn)定和保證工藝的一致，是壓力變送器穩(wěn)定性的體現，也是石化行業(yè)對壓力變送器穩(wěn)定性的要求。

 在穩(wěn)定性和可靠性基礎上，高精度是石化行業(yè)對壓力傳感器的更高需求?？刂频臏蚀_度取決于控制過程中測量的精度。測量精度越高，控制準確度也就越高。目前，多數壓力變送器的精度達到0.075％，可以滿足石化行業(yè)測量精度要求。

 此外，石化行業(yè)對壓力變送器還有許多其他需求。例如：增加量程比能夠增加壓力變送器使用的靈活性，給設計和應用帶來方便。當工藝流程中某些反應條件的設計發(fā)生變化時，如，果變送器具有較大的量程比，意味著具有很好的通用性，工藝條件的變化基本不影響變送器的型號，大大減少了設計修改的工作量。同時，大量程比可以減少工程中所用變送器的種類，減少備品備件庫存量，也減少了資金的積壓。

 石化行業(yè)對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、穩(wěn)定性和高精度3個方面。其中，可靠性和許多附加需求，如，量程比、總線類型等，依賴變送器的結構設計、機械加工工藝水平和結構材料。壓力變送器的穩(wěn)定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩(wěn)定性和測量精度保證。與壓力變送器的測量精度相對應的是壓力傳感器的測量精度和響應速度，與壓力變送器的穩(wěn)定性相對應的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長期穩(wěn)定性。石化行業(yè)對壓力傳感器的需求就體現在測量精度、快速響應、溫度特性和靜壓特性、長期穩(wěn)定性4個方面。

 微壓力傳感器是采用半導體材料和MEMS工藝制造的新型壓力傳感器。與傳統壓力傳感器相比，微壓力傳感器具有精度高、靈敏度高、動態(tài)特性好、體積小、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點。純單晶硅的材料疲勞小，采用這種材料制造的微壓力傳感器的長期穩(wěn)定性好。同時，微壓力傳感器易于與微溫度傳感器集成，增加溫度補償精度，大幅提高傳感器的溫度特性和測量精度。如果將2個微壓力傳感器集成，又可以實現靜壓補償，從而提高壓力傳感器的靜壓特性。由此可見，微壓力傳感器具有許多傳統壓力傳感器不具備的優(yōu)點，能夠很好地滿足石化行業(yè)對壓力傳感器的需求。

3、當前石化領域正在使用的MEMS傳感器及其結構分析

3.1富士公司FCX-AⅡ系列壓力變送器

 20世紀80年代后半期，富士公司開始銷售智能型變送器。目前，在全世界已有超過50萬臺FCX系列產品應用在各種工業(yè)過程中。FCX系列產品采用富士公司獨創(chuàng)的“先進浮動模盒”結構，具有卓越的可靠性和良好的性能。它是我國石化行業(yè)正在廣泛使用的壓力變送器之一。在FCX系列壓力變送器基礎上，富士公司研發(fā)了FCX-AⅡ系列產品。該系列產品也是以“先進浮動模盒”結構為基礎(如圖1)，在傳感器單元采用了硅微電容傳感器和新開發(fā)的檢測電路(ASIC)，實現了高精度的傳感器單元和具有基于雙溫度傳感器的溫度補償單元，精度可達0.1％，長期穩(wěn)定性在0.1％URL以內(實測3年)。

 富士公司的硅微電容傳感器采用了對稱的差分電容構，上下敏感電容的電極通過傳感器上的導孔中涂敷導電層引出。當硅油充滿導孔時，作用在浮動模盒上的外部壓力由硅油傳導到傳感器兩端，擠壓硅片發(fā)生形變，從而改變電容極板間距，導致電容的改變。硅油的另一個作用是充當電容極板間的電介質。

 傳感器的主體是由單晶硅構成，側面是鋁電極，用于與引線連接向外界傳送電容信號。傳感器的其余導電部分的組要成分都是金。差分電容的3個極板之間由陶瓷材料絕緣。

 在傳感器靜電容量檢測電路中，富士公司采用了混有數字／模擬電路的ASIC，不僅實現了高速檢測，而且，降低電路中電磁干擾帶來的檢測誤差，同時提高了檢測精度、長期穩(wěn)定性和可靠性。

 FCX-AⅡ系列變送器的另一個獨創(chuàng)技術是基于雙溫度傳感器的溫度補償。通過內置在傳感器單元中的溫度傳感器和內置在電子裝置中的溫度傳感器，分別對傳感器部分和電路部分進行溫度補償，提高變送器的溫度特性。

3.2西門子公司SITRANSPDSⅢ系列壓力變送器

 采用西門子專利技術的硅材料傳感器，DSⅢ系列壓力變送器適用于各種壓力、差壓、絕壓和液位測量。它應用模塊化設計，由傳感器單元和電子放大單元組成。傳感器單元包括差壓傳感器、絕壓傳感器和溫度傳感器。通過絕壓傳感器和溫度傳感器，對差壓傳感器全量程范圍內的靜壓特性和溫度特性進行充分的計算補償，使DSⅢ系列差壓變送器具有非常優(yōu)異的靜壓特性和溫度特性。

 DSⅢ系列壓力變送器有300年一次的故障發(fā)生率，是為應用于高安全和可靠性要求的場合而設計的。只需一臺DSⅢ系列壓力變送器即可獲得與2臺常規(guī)變送器相同的安全等級。這意味著安裝、運行和維護的成本大大降低。DSⅢ系列壓力變送器的精度可達0.075％，5年長期漂移小于0.25％(實測1年)。

 DSⅢ系列智能差壓變送器，結構上具有獨立的壓力測量敏感元件和獨特的不起測量作用的中心膜片。測量元件兩端壓力通過密封膜片和填充液傳遞給硅壓力傳感器。當壓力超過測量極限時，過載保護膜片產生變形，直至其貼到測量元件的內壁上，以保護硅壓力傳感器避免過壓損壞。不起測量作用的中心膜片結構使DSⅢ系列壓力變送器具有極好的過壓保護能力。西門子硅傳感器采用壓阻式結構設計。測量膜片由于受到所施加的差壓而變形，安裝在它上面的4只電阻應變計的阻值隨之變化，并使得電阻橋路的輸出電壓與壓差成比例的變化。

 在進行絕壓測量時，DSⅢ系列變送器需要使用絕壓測量元件。被測壓力通過隔離膜片和填充液傳遞到絕壓傳感器，使測量膜片發(fā)生形變。絕壓傳感器采用壓阻式結構設計，測量原理與差壓傳感器相同。

3.3國產的壓力變送器

 國產的壓力變送器，如西安交通大學維納儀器有限責任公司在MEMS壓力傳感器科研及其產業(yè)化方面進行了一系列嘗試，其生產的WYB1型壓阻式壓力變送器采用半導體擴散硅壓力傳感器及專用放大電路組成，具有精度高、電路調試方便、可靠性高、抗干擾能力強等特點，且具有一體化結構，便于現場的安裝和使用，外形小巧美觀，具有多種結口形式和多種引線方式。