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壓力變送器在石化行業的應用需求與國產化存在的問題

來源:上海上自儀公司作者:上海上自儀公司網址:http://www.jh443h.cn

壓力變送器是石化行業自動控制中使用非常多的測量裝置之一。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,實現石化行業壓力傳感器的國產化。

1 石化行業對壓力變送器的需求和對壓力傳感器的要求

    在現代化連續生產的過程中,穩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。壓力變送器的穩定性和可靠性成為石化行業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境和靜壓的變化而發生漂移。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,得到相對非常正確的測量,從而維護生產的穩定和保證工藝的一致,是壓力變送器穩定性的體現,也是石化行業對壓力變送器穩定性的要求。

    在穩定性和可靠性基礎上,高精度是石化行業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% ,可以滿足石化行業測量精度要求。

    此外,石化行業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。

    石化行業對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、穩定性和高精度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。壓力變送器的穩定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩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定性。石化行業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、動態特性好、體積小、耐腐蝕、成本低等優點。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點,能夠很好地滿足石化行業對壓力傳感器的需求。

2 當前石化領域正在使用的MEMS傳感器及其結構分析

    2.1 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過程中。FCX系列產品采用富士公司好創的“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,圖2為微電容傳感器結構圖。



    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、長期穩定性和可靠性。



    FCX-AⅡ系列變送器的另一個好創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。

    2.2 西門子公司SITRANS P DSⅢ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,結構上具有好立的壓力測量敏感元件和好特的不起測量作用的中心膜片(圖5)。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(圖6)。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。


    2.3 國產的壓力變送器

    國產的壓力變送器,如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。


圖7 壓阻式壓力變送器

    同時,西安交通大學維納儀器有限責任公司牽頭的國家“863”重點項目一面向石化等重要行業的MEMS壓力傳感器的制造技術與實用化研究完成了4種芯片版圖和2種結構的系列產品,開發了相應的批量化生產與測試工藝,建立了完善的生產測試平臺,生產產品的技術指標達到合同要求,并編制了2種產品的企業標準,與石化等典型行業的多家用戶簽訂了供貨合同,滿足軍工等國防領域的特種傳感器需求。其開發的MEMS系列耐高溫微型壓力傳感器/變送器產品可用于石油化工、軍事領域、能源電力以及汽車等行業對壓力測試的特殊要求,主要特點為:工作溫度1>200℃ ,耐瞬時沖擊溫度≥1000℃。采用MEMS技術生產的耐高溫壓力傳感器產品兼具精度高、大量程、可靠性高、功耗低、體積小等優點,可以滿足工業、農業、國防以及科研等各個領域的不同要求,已經進入小規?;.a階段。

    此外,國內的一些生產企業也開發出一些類型的壓力/差壓變送器和傳感器。如JH—E系列壓力變送器,其主要特點為:采用MEMS加工技術,精度高,具有高穩定性和高可靠性,連續10萬次過壓試驗后,影響量≤±0.03%/16MPa,連續工作5年,不需要凋校零點;SSK251類型的壓力變送器采用了智能的電容式陶瓷膜片,在厚膜電路和光刻技術的基礎上又采用了微電子技術,并通過線性與溫度自動檢測系統將測試數據一次性寫入微處理器,通過微處理器進行非常佳的線性與溫度補償。

3 傳感器國產化和面臨的問題

    目前,我國石化行業大量使用壓力變送器,尤其足差壓變送器。這些變送器來源的絕大多數依靠進口,不僅價格昂貴,而且,由于不具有自主知識產權,很有可能暗藏潛在威脅。能源安全關乎國家安全,傳感器的國產化問題至關重要。

    國外廠商生產的壓力變送器中使用的MEMS壓力傳感器主要有壓阻式和電容式2種結構,以壓阻式結構居多。西門子公司DSm系列壓力變送器就是采用壓阻式結構的壓力傳感器。美國羅斯蒙特公司3o51系列壓力變送器的傳感器芯片也是壓阻式結構。壓阻式傳感器應用非常廣泛。國內很多廠商依靠進口壓阻式傳感器,設汁制造國產變送器。壓阻式傳感器技術成熟,很適合國產化研制。但是,壓阻式傳感器容易受溫度、濕度等環境因素影響,而且,靜壓特性依賴工藝水平,無法得到保證。這兩大難點限制了國產壓阻式傳感器的測量精度和穩定性。

    以富士公司為代表的少數企業生產了以硅電容傳感器為核心的壓力變送器。電容式壓力傳感器具有精度高、長期穩定性好的優點,但是,它對生產工藝要求高,加工難度大。國內從事硅電容壓力傳感器的研究可以說是剛剛起步。盡管國內已經有單位研制出了硅電容傳感器 它的精度和靜壓特性已接近富士公司產品的平均水平,但在長期穩定性方面,差距較大。同時,國內的電容傳感器在高差壓和微差壓規格的開發上仍有較大差距。國外壓阻式傳感器精度可以達到0.075% ,而國內研制的壓阻式傳感器的精度只有0.1%。在長期穩定性能上,國產傳感器和進口傳感器的差距更為明顯。國產產品長期穩定性的指標為0.1%/年,比國外產品至少高2倍。另外,國產產品的溫度特性差。與國外產品相比,溫度漂移比國外產品的典型值大50%~100% 。此外,國產產品的規格品種不夠全,在微差壓和高差壓、高靜壓規格方面沒有成熟的產品,不能滿足某些工藝的特殊要求。

    壓力傳感器的國產化問題的關鍵主要是如何提高傳感器的長期穩定性。傳感器的長期穩定性和傳感器的材料選擇、結構設計、加工工藝密切相關。我國在MEMS加工工藝上還處于相對落后階段,提高工藝水平無疑是提高傳感器性能的長遠之計。目前,國內相關高校和科研院所對壓阻式和電容式MEMS傳感器進行了大量的研究 ,在理論和工藝水平上都取得了一批成果。就當前工藝水平而言,如果能夠實現某種形式的補償或者在線的自標定方法,則有可能在短期內提高傳感器的長期穩定性,使國產傳感器在穩定性指標上滿足石化行業需求。因此,在國內MEMS研究的基礎上,通過科研院所和工廠的協同合作,共同努力,完全可以實現石化行業所需壓力變送器的國產化。

4 結束語

    基于對石化行業壓力傳感器要求的分析,MEMS壓力傳感器被寄予很高的希望,成為石化行業壓力傳感器的首選。傳感器的長期穩定性是國內外MEMS壓力傳感器的非常主要的性能差異,壓力傳感器的國產化問題的關鍵在于如何提高傳感器的長期穩定性。

    經過十多年的發展,國內已具備了研制并批量生產壓阻式MEMS壓力傳感器的條件。北大青鳥元芯公司生產的壓阻式MEMS壓力傳感器已大量供應市場。電容式MEMS壓力傳感器也已完成實驗室階段研究,正在進行工業化批量生產的工作。經過努力,完全可以實現石化行業所需壓力變送器的國產化。