国产化压力传感器在石化行业的应用

      本文分析了石化行业对压力变送器的需求，微压力传感器具有许多传统压力传感器不具备的优点，能够满足石化行业对压力传感器的要求。介绍了当前石化领域正在使用的MEMS压力传感器及其结构特点；对比国内外厂商生产的压力传感器性能，明确了压力传感器国产化问题的关键是如何提高传感器长期稳定性问题。
 
1、引言
 
      压力变送器是石化行业自动控制中使用最多的测量装置之一。在大型的化工项目中，几乎包含了所有压力变送器的应用：差压、绝压、表压、高压、微差压、高温、低温，以及各种材质及特殊加工的远传法兰式压力变送器。以扬子巴斯夫苯乙烯工程为例，它使用了接近480台各种类型的压力变送器。在工程筹建阶段，该工程筹建部的专家和工程师就希望能在至少2年时间内全部压力变送器可靠运行，不出现故障。
 
     目前，我国石化行业大量使用的压力变送器主要依靠进口，国产的压力变送器在产品种类和性能方面和国外还有一定的差距。实现压力传感器的国产化，对于国家的经济和国防安全，振兴民族产业等都具有重要意义。本文通过对比研究在石化领域使用的国内外几种典型的压力变送器，分析了压力传感器国产化的关键所在。通过努力，可以打破基于MEMS传感器的压力变送器国外的垄断地位，实现石化行业压力传感器的国产化。
 
2、石化行业对压力变送器的需求和对压力传感器的要求
 
      在现代化连续生产的过程中，稳定可靠的压力变送器是生产工艺过程的有力保障。一旦出现计量错误，甚至发生停机故障，随之而来的经济损失将是无法计数的。压力变送器的稳定性和可靠性成为石化行业对压力变送器的首要需求。
 
      通常，压力变送器的测量会随着工作环境和静压的变化而发生漂移。在一些微小的压力或者差压测量场合，这个漂移很可能是比较严重的。在不同的工作条件下，得到相对最正确的测量，从而维护生产的稳定和保证工艺的一致，是压力变送器稳定性的体现，也是石化行业对压力变送器稳定性的要求。
 
      在稳定性和可靠性基础上，高精度是石化行业对压力传感器的更高需求。控制的准确度取决于控制过程中测量的精度。测量精度越高，控制准确度也就越高。目前，多数压力变送器的精度达到0.075％，可以满足石化行业测量精度要求。
 
      此外，石化行业对压力变送器还有许多其他需求。例如：增加量程比能够增加压力变送器使用的灵活性，给设计和应用带来方便。当工艺流程中某些反应条件的设计发生变化时，如，果变送器具有较大的量程比，意味着具有很好的通用性，工艺条件的变化基本不影响变送器的型号，大大减少了设计修改的工作量。同时，大量程比可以减少工程中所用变送器的种类，减少备品备件库存量，也减少了资金的积压。
 
      石化行业对压力变送器的需求主要集中在可靠性、稳定性和高精度3个方面。其中，可靠性和许多附加需求，如，量程比、总线类型等，依赖变送器的结构设计、机械加工工艺水平和结构材料。压力变送器的稳定性和高精度则主要由压力传感器的稳定性和测量精度保证。与压力变送器的测量精度相对应的是压力传感器的测量精度和响应速度，与压力变送器的稳定性相对应的是压力传感器的温度特性和静压特性以及长期稳定性。石化行业对压力传感器的需求就体现在测量精度、快速响应、温度特性和静压特性、长期稳定性4个方面。
 
      微压力传感器是采用半导体材料和MEMS工艺制造的新型压力传感器。与传统压力传感器相比，微压力传感器具有精度高、灵敏度高、动态特性好、体积小、耐腐蚀、成本低等优点。纯单晶硅的材料疲劳小，采用这种材料制造的微压力传感器的长期稳定性好。同时，微压力传感器易于与微温度传感器集成，增加温度补偿精度，大幅提高传感器的温度特性和测量精度。如果将2个微压力传感器集成，又可以实现静压补偿，从而提高压力传感器的静压特性。由此可见，微压力传感器具有许多传统压力传感器不具备的优点，能够很好地满足石化行业对压力传感器的需求。
 
3、当前石化领域正在使用的MEMS传感器及其结构分析
 
3.1富士公司FCX-AⅡ系列压力变送器     

 20世纪80年代后半期，富士公司开始销售智能型变送器。目前，在全世界已有超过50万台FCX系列产品应用在各种工业过程中。FCX系列产品采用富士公司独创的“先进浮动模盒”结构，具有卓越的可靠性和良好的性能。它是我国石化行业正在广泛使用的压力变送器之一。在FCX系列压力变送器基础上，富士公司研发了FCX-AⅡ系列产品。该系列产品也是以“先进浮动模盒”结构为基础(如图1)，在传感器单元采用了硅微电容传感器和新开发的检测电路 (ASIC)，实现了高精度的传感器单元和具有基于双温度传感器的温度补偿单元，精度可达0.1％，长期稳定性在0.1％URL以内(实测3年)。
 
      富士公司的硅微电容传感器采用了对称的差分电容构，上下敏感电容的电极通过传感器上的导孔中涂敷导电层引出。当硅油充满导孔时，作用在浮动模盒上的外部压力由硅油传导到传感器两端，挤压硅片发生形变，从而改变电容极板间距，导致电容的改变。硅油的另一个作用是充当电容极板间的电介质。
 
      传感器的主体是由单晶硅构成，侧面是铝电极，用于与引线连接向外界传送电容信号。传感器的其余导电部分的组要成分都是金。差分电容的3个极板之间由陶瓷材料绝缘。
 
      在传感器静电容量检测电路中，富士公司采用了混有数字／模拟电路的ASIC，不仅实现了高速检测，而且，降低电路中电磁干扰带来的检测误差，同时提高了检测精度、长期稳定性和可靠性。
 
      FCX-AⅡ系列变送器的另一个独创技术是基于双温度传感器的温度补偿。通过内置在传感器单元中的温度传感器和内置在电子装置中的温度传感器，分别对传感器部分和电路部分进行温度补偿，提高变送器的温度特性。
 
3.2西门子公司SITRANSPDSⅢ系列压力变送器
 
      采用西门子专利技术的硅材料传感器，DSⅢ系列压力变送器适用于各种压力、差压、绝压和液位测量。它应用模块化设计，由传感器单元和电子放大单元组成。传感器单元包括差压传感器、绝压传感器和温度传感器。通过绝压传感器和温度传感器，对差压传感器全量程范围内的静压特性和温度特性进行充分的计算补偿，使 DSⅢ系列差压变送器具有非常优异的静压特性和温度特性。
 
      DSⅢ系列压力变送器有300年一次的故障发生率，是为应用于高安全和可靠性要求的场合而设计的。只需一台DSⅢ系列压力变送器即可获得与2台常规变送器相同的安全等级。这意味着安装、运行和维护的成本大大降低。DSⅢ系列压力变送器的精度可达0.075％，5年长期漂移小于0.25％(实测1年)。
 
      DSⅢ系列智能差压变送器，结构上具有独立的压力测量敏感元件和独特的不起测量作用的中心膜片。测量元件两端压力通过密封膜片和填充液传递给硅压力传感器。当压力超过测量极限时，过载保护膜片产生变形，直至其贴到测量元件的内壁上，以保护硅压力传感器避免过压损坏。不起测量作用的中心膜片结构使DSⅢ系列压力变送器具有极好的过压保护能力。西门子硅传感器采用压阻式结构设计。测量膜片由于受到所施加的差压而变形，安装在它上面的4只电阻应变计的阻值随之变化，并使得电阻桥路的输出电压与压差成比例的变化。
 
      在进行绝压测量时，DSⅢ系列变送器需要使用绝压测量元件。被测压力通过隔离膜片和填充液传递到绝压传感器，使测量膜片发生形变。绝压传感器采用压阻式结构设计，测量原理与差压传感器相同。
 
3.3国产的压力变送器
 
      国产的压力变送器，如西安交通大学维纳仪器有限责任公司在MEMS压力传感器科研及其产业化方面进行了一系列尝试，其生产的WYB1型压阻式压力变送器采用半导体扩散硅压力传感器及专用放大电路组成，具有精度高、电路调试方便、可靠性高、抗干扰能力强等特点，且具有一体化结构，便于现场的安装和使用，外形小巧美观，具有多种结口形式和多种引线方式。