國(guó)產(chǎn)化壓力傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用

 

 

        壓力變送器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用zui多的測(cè)量裝置之一。在大型的化工項(xiàng)目中，幾乎包含了所有壓力變送器的應(yīng)用：差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠(yuǎn)傳法蘭式壓力變送器。以揚(yáng)子巴斯夫苯乙烯工程為例，它使用了接近480臺(tái)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(shí)間內(nèi)全部壓力變送器可靠運(yùn)行，不出現(xiàn)故障。

 

       目前，我國(guó)石化行業(yè)大量使用的壓力變送器主要依靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)的壓力變送器在產(chǎn)品種類和性能方面和國(guó)外還有一定的差距。實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全，振興民族產(chǎn)業(yè)等都具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)比研究在石化領(lǐng)域使用的國(guó)內(nèi)外幾種典型的壓力變送器，分析了壓力傳感器國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵所在。通過(guò)努力，可以打破基于MEMS傳感器的壓力變送器國(guó)外的壟斷地位，實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化。

 

1 石化行業(yè)對(duì)壓力變送器的需求和對(duì)壓力傳感器的要求
   

       在現(xiàn)代化連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程中，穩(wěn)定可靠的壓力變送器是生產(chǎn)工藝過(guò)程的有力保障。一旦出現(xiàn)計(jì)量錯(cuò)誤，甚至發(fā)生停機(jī)故障，隨之而來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失將是無(wú)法計(jì)數(shù)的。壓力變送器的穩(wěn)定性和可靠性成為石化行業(yè)對(duì)壓力變送器的首要需求。
   

       通常，壓力變送器的測(cè)量會(huì)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(cè)量場(chǎng)合，這個(gè)漂移很可能是比較嚴(yán)重的。在不同的工作條件下，得到相對(duì)zui正確的測(cè)量，從而維護(hù)生產(chǎn)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(xiàn)，也是石化行業(yè)對(duì)壓力變送器穩(wěn)定性的要求。

 

        在穩(wěn)定性和可靠性基礎(chǔ)上，高精度是石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的更高需求?？刂频臏?zhǔn)確度取決于控制過(guò)程中測(cè)量的精度。測(cè)量精度越高，控制準(zhǔn)確度也就越高。目前，多數(shù)壓力變送器的精度達(dá)到0.075％ ，可以滿足石化行業(yè)測(cè)量精度要求。
   

        此外，石化行業(yè)對(duì)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(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)方便。當(dāng)工藝流程中某些反應(yīng)條件的設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，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(hào)，大大減少了設(shè)計(jì)修改的工作量。同時(shí)，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(kù)存量，也減少了資金的積壓。
   

       石化行業(yè)對(duì)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(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工工藝水平和結(jié)構(gòu)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(cè)量精度保證。與壓力變送器的測(cè)量精度相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的測(cè)量精度和響應(yīng)速度，與壓力變送器的穩(wěn)定性相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求就體現(xiàn)在測(cè)量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性4個(gè)方面。
   

        微壓力傳感器是采用半導(dǎo)體材料和MEMS工藝制造的新型壓力傳感器。與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，微壓力傳感器具有精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好、體積小、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(zhǎng)期穩(wěn)定性好。同時(shí)，微壓力傳感器易于與微溫度傳感器集成，增加溫度補(bǔ)償精度，大幅提高傳感器的溫度特性和測(cè)量精度。如果將2個(gè)微壓力傳感器集成，又可以實(shí)現(xiàn)靜壓補(bǔ)償，從而提高壓力傳感器的靜壓特性。由此可見(jiàn)，微壓力傳感器具有許多傳統(tǒng)壓力傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求。
   

2 當(dāng)前石化領(lǐng)域正在使用的MEMS傳感器及其結(jié)構(gòu)分析
   

2.1 富士公司FCX-AⅡ系列壓力變送器
   

        20世紀(jì)80年代后半期，富士公司開始銷售智能型變送器。目前，在*已有超過(guò)50萬(wàn)臺(tái)FCX系列產(chǎn)品應(yīng)用在各種工業(yè)過(guò)程中。FCX系列產(chǎn)品采用富士公司的“先進(jìn)浮動(dòng)模盒”結(jié)構(gòu)，具有的可靠性和良好的性能。它是我國(guó)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(chǔ)上，富士公司研發(fā)了FCX-AⅡ系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品也是以“先進(jìn)浮動(dòng)模盒”結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)（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(cè)電路（ASIC），實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償單元，精度可達(dá)0.1％ ，長(zhǎng)期穩(wěn)定性在0.1％URL以內(nèi)（實(shí)測(cè)3年）。

 

        富士公司的硅微電容傳感器采用了對(duì)稱的差分電容構(gòu)，上下敏感電容的電極通過(guò)傳感器上的導(dǎo)孔中涂敷導(dǎo)電層引出。當(dāng)硅油充滿導(dǎo)孔時(shí)，作用在浮動(dòng)模盒上的外部壓力由硅油傳導(dǎo)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(dǎo)致電容的改變。硅油的另一個(gè)作用是充當(dāng)電容極板間的電介質(zhì)。

 

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

 

        在傳感器靜電容量檢測(cè)電路中，富士公司采用了混有數(shù)字／模擬電路的ASIC，不僅實(shí)現(xiàn)了高速檢測(cè)，而且，降低電路中電磁干擾帶來(lái)的檢測(cè)誤差，同時(shí)提高了檢測(cè)精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。

 

        FCX-AⅡ系列變送器的另一個(gè)技術(shù)是基于雙溫度傳感器的溫度補(bǔ)償。通過(guò)內(nèi)置在傳感器單元中的溫度傳感器和內(nèi)置在電子裝置中的溫度傳感器，分別對(duì)傳感器部分和電路部分進(jìn)行溫度補(bǔ)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

 

        采用西門子技術(shù)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(cè)量。它應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，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(guò)絕壓傳感器和溫度傳感器，對(duì)差壓傳感器全量程范圍內(nèi)的靜壓特性和溫度特性進(jìn)行充分的計(jì)算補(bǔ)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(yīng)用于高安全和可靠性要求的場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的。只需一臺(tái)DSⅢ系列壓力變送器即可獲得與2臺(tái)常規(guī)變送器 相同的安全等級(jí)。這意味著安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本大大降低。DSⅢ系列壓力變送器的精度可達(dá)0.075％ ，5年長(zhǎng)期漂移小于0.25％（實(shí)測(cè)1年）。

 

        DSⅢ系列智能差壓變送器，結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立的壓力測(cè)量敏感元件和*的不起測(cè)量作用的中心膜片。測(cè)量元件兩端壓力通過(guò)密封膜片和填充液傳遞給硅壓 力傳感器。當(dāng)壓力超過(guò)測(cè)量極*，過(guò)載保護(hù)膜片產(chǎn)生變形，直至其貼到測(cè)量元件的內(nèi)壁上，以保護(hù)硅壓力傳感器避免過(guò)壓損壞。不起測(cè)量作用的中心膜片結(jié)構(gòu)使 DSⅢ系列壓力變送器具有*的過(guò)壓保護(hù)能力。西門子硅傳感器采用壓阻式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。測(cè)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(yīng)變計(jì)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(jìn)行絕壓測(cè)量時(shí)，DSⅢ系列變送器需要使用絕壓測(cè)量元件。被測(cè)壓力通過(guò)隔離膜片和填充液傳遞到絕壓傳感器，使測(cè)量膜片發(fā)生形變。絕壓傳感器采用壓阻式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)量原理與差壓傳感器相同。

 

2.3 國(guó)產(chǎn)的壓力變送器

 

       國(guó)產(chǎn)的壓力變送器，如西安交通大學(xué)維納儀器有限責(zé)任公司在MEMS壓力傳感器科研及其產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)行了一系列嘗試，其生產(chǎn)的WYB1型壓阻式壓力變送器采 用半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓力傳感器及放大電路組成，具有精度高、電路調(diào)試方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且具有一體化結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場(chǎng)的安裝和使用，外形 小巧美觀，具有多種結(jié)口形式和多種引線方式。

 

    同時(shí)，西安交通大學(xué)維納儀器有限責(zé)任公司牽頭的國(guó)家“863”重點(diǎn)項(xiàng)目一面向石化等重要行業(yè)的MEMS壓力傳感器的制造技術(shù)與實(shí)用化研究完成了4種芯片版 圖和2種結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品，開發(fā)了相應(yīng)的批量化生產(chǎn)與測(cè)試工藝，建立了完善的生產(chǎn)測(cè)試平臺(tái)，生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到合同要求，并編制了2種產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 與石化等典型行業(yè)的多家用戶簽訂了供貨合同，滿足軍工等國(guó)防領(lǐng)域的特種傳感器需求。其開發(fā)的MEMS系列耐高溫微型壓力傳感器／變送器產(chǎn)品可用于石油化 工、軍事領(lǐng)域、能源電力以及汽車等行業(yè)對(duì)壓力測(cè)試的特殊要求，主要特點(diǎn)為：工作溫度1＞200℃ ，耐瞬時(shí)沖擊溫度≥1000℃。采用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的耐高溫壓力傳感器產(chǎn)品兼具精度高、大量程、可靠性高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 國(guó)防以及科研等各個(gè)領(lǐng)域的不同要求，已經(jīng)進(jìn)入小規(guī)模化牛產(chǎn)階段。

 

        此外，國(guó)內(nèi)的一些生產(chǎn)企業(yè)也開發(fā)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(diǎn)為：采用MEMS加工技術(shù)，精度高，具有高 穩(wěn)定性和高可靠性，連續(xù)10萬(wàn)次過(guò)壓試驗(yàn)后，影響量≤±0.03％／16MPa，連續(xù)工作5年，不需要凋校零點(diǎn)；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(shù)的基礎(chǔ)上又采用了微電子技術(shù)，并通過(guò)線性與溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)將測(cè)試數(shù)據(jù)一次性寫入微處理器，通過(guò)微處理器進(jìn)行* 的線性與溫度補(bǔ)償。

 

 

        目前，我國(guó)石化行業(yè)大量使用壓力變送器，尤其足差壓變送器。這些變送器來(lái)源的絕大多數(shù)依靠進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，而且，由于不具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，很有可能暗藏潛在威脅。能源安全關(guān)乎國(guó)家安全，傳感器的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題至關(guān)重要。

 

         國(guó)外廠商生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，以壓阻式結(jié)構(gòu)居多。西門子公司DSm系列壓力變送器就是采用壓阻式結(jié) 構(gòu)的壓力傳感器。美國(guó)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(jié)構(gòu)。壓阻式傳感器應(yīng)用非常廣泛。國(guó)內(nèi)很多廠商依靠進(jìn)口壓阻式傳感器，設(shè) 汁制造國(guó)產(chǎn)變送器。壓阻式傳感器技術(shù)成熟，很適合國(guó)產(chǎn)化研制。但是，壓阻式傳感器容易受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，而且，靜壓特性依賴工藝水平，無(wú)法得到 保證。這兩大難點(diǎn)限制了國(guó)產(chǎn)壓阻式傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

 

        以富士公司為代表的少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但是，它對(duì)生產(chǎn)工藝要求高，加工 難度大。國(guó)內(nèi)從事硅電容壓力傳感器的研究可以說(shuō)是剛剛起步。盡管國(guó)內(nèi)已經(jīng)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(chǎn)品的平均水平，但 在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面，差距較大。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的電容傳感器在高差壓和微差壓規(guī)格的開發(fā)上仍有較大差距。國(guó)外壓阻式傳感器精度可以達(dá)到0.075％，而國(guó)內(nèi)研制 的壓阻式傳感器的精度只有0.1％。在長(zhǎng)期穩(wěn)定性能上，國(guó)產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的差距更為明顯。國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定性的指標(biāo)為0.1％／年，比國(guó)外產(chǎn)品至少 高2倍。另外，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的溫度特性差。與國(guó)外產(chǎn)品相比，溫度漂移比國(guó)外產(chǎn)品的典型值大50％～100％。此外，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格品種不夠全，在微差壓和高差 壓、高靜壓規(guī)格方面沒(méi)有成熟的產(chǎn)品，不能滿足某些工藝的特殊要求。

 

        壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題的關(guān)鍵主要是如何提高傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和傳感器的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝密切相關(guān)。我國(guó)在MEMS加 工工藝上還處于相對(duì)落后階段，提高工藝水平無(wú)疑是提高傳感器性能的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校和科研院所對(duì)壓阻式和電容式MEMS傳感器進(jìn)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(dāng)前工藝水平而言，如果能夠?qū)崿F(xiàn)某種形式的補(bǔ)償或者在線的自標(biāo)定方法，則有可能在短期內(nèi)提高傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定 性，使國(guó)產(chǎn)傳感器在穩(wěn)定性指標(biāo)上滿足石化行業(yè)需求。因此，在國(guó)內(nèi)MEMS研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)科研院所和工廠的協(xié)同合作，共同努力，*可以實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)所 需壓力變送器的國(guó)產(chǎn)化。

 

 

        基于對(duì)石化行業(yè)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(yè)壓力傳感器的。傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是國(guó)內(nèi)外MEMS壓力傳感器的zui主要的性能差異，壓力傳感器的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何提高傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 

       經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已具備了研制并批量生產(chǎn)壓阻式MEMS壓力傳感器的條件。北大青鳥元芯公司生產(chǎn)的壓阻式MEMS壓力傳感器已大量供應(yīng)市場(chǎng)。電容式 MEMS壓力傳感器也已完成實(shí)驗(yàn)室階段研究，正在進(jìn)行工業(yè)化批量生產(chǎn)的工作。經(jīng)過(guò)努力，*可以實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)所需壓力變送器的國(guó)產(chǎn)化。