壓力傳感器在石油產(chǎn)業(yè)的廣泛運用

1、引言
壓力傳感器是石化行業(yè)自動(dòng)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傳感器的應用：差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠傳法蘭式壓力傳感器。以揚子巴斯夫苯乙烯工程為例，它使用了接近480臺各種類(lèi)型的壓力傳感器。在工程籌建階段，該工程籌建部的專(zhuān)家和工程師就希望能在至少2年時(shí)間內全部壓力傳感器可靠運行，不出現故障。
目前，我國石化行業(yè)大量使用的壓力傳感器主要依靠進(jìn)口，國產(chǎn)的壓力傳感器在產(chǎn)品種類(lèi)和性能方面和國外還有一定的差距。實(shí)現壓力傳感器的國產(chǎn)化，對于國家的經(jīng)濟和國防安全，振興民族產(chǎn)業(yè)等都具有重要意義。本文通過(guò)對比研究在石化領(lǐng)域使用的國內外幾種典型的壓力傳感器，分析了壓力傳感器國產(chǎn)化的關(guān)鍵所在。通過(guò)努力，可以打破基于MEMS傳感器的壓力傳感器國外的壟斷地位，實(shí)現石化行業(yè)壓力傳感器的國產(chǎn)化。
2、石化行業(yè)對壓力傳感器的需求和對壓力傳感器的要求
在現代化連續生產(chǎn)的過(guò)程中，穩定可靠的壓力傳感器是生產(chǎn)工藝過(guò)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(lái)的經(jīng)濟損失將是無(wú)法計數的。壓力傳感器的穩定性和可靠性成為石化行業(yè)對壓力傳感器的首要需求。
通常，壓力傳感器的測量會(huì )隨著(zhù)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(chǎng)合，這個(gè)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(chǎn)的穩定和保證工藝的一致，是壓力傳感器穩定性的體現，也是石化行業(yè)對壓力傳感器穩定性的要求。
在穩定性和可靠性基礎上，高精度是石化行業(yè)對壓力傳感器的更高需求?？刂频臏蚀_度取決于控制過(guò)程中測量的精度。測量精度越高，控制準確度也就越高。目前，多數壓力傳感器的精度達到0.075%，可以滿(mǎn)足石化行業(yè)測量精度要求。
此外，石化行業(yè)對壓力傳感器還有許多其他需求。例如：增加量程比能夠增加壓力傳感器使用的靈活性，給設計和應用帶來(lái)方便。當工藝流程中某些反應條件的設計發(fā)生變化時(shí)，如，果變送器具有較大的量程比，意味著(zhù)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(shí)，大量程比可以減少工程中所用變送器的種類(lèi)，減少備品備件庫存量，也減少了資金的積壓。
石化行業(yè)對壓力傳感器的需求主要集中在可靠性、穩定性和高精度3個(gè)方面。其中，可靠性和許多附加需求，如，量程比、總線(xiàn)類(lèi)型等，依賴(lài)變送器的結構設計、機械加工工藝水平和結構材料。壓力傳感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。與壓力傳感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，與壓力傳感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(cháng)期穩定性。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(cháng)期穩定性4個(gè)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(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(cháng)期穩定性好。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(gè)微壓力傳感器集成，又可以實(shí)現靜壓補償，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壓力傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足石化行業(yè)對壓力傳感器的需求。
3、當前石化領(lǐng)域正在使用的MEMS傳感器及其結構分析
3.1富士公司FCX-AⅡ系列壓力傳感器
20世紀80年代后半期，富士公司開(kāi)始銷(xiāo)售智能型變送器。目前，在全世界已有超過(guò)50萬(wàn)臺FCX系列產(chǎn)品應用在各種工業(yè)過(guò)程中。FCX系列產(chǎn)品采用富士公司獨創(chuàng )的“先進(jìn)浮動(dòng)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傳感器之一。
在FCX系列壓力傳感器基礎上，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”結構為基礎，在傳感器單元采用了硅微電容傳感器和新開(kāi)發(fā)的檢測電路(ASIC)，實(shí)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(cháng)期穩定性在0.1%URL以?xún)?實(shí)測3年)。
富士公司的硅微電容傳感器采用了對稱(chēng)的差分電容構，上下敏感電容的電極通過(guò)傳感器上的導孔中涂敷導電層引出。當硅油充滿(mǎn)導孔時(shí)，作用在浮動(dòng)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(gè)作用是充當電容極板間的電介質(zhì)。
傳感器的主體是由單晶硅構成，側面是鋁電極，用于與引線(xiàn)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(gè)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(shí)現了高速檢測，而且，降低電路中電磁干擾帶來(lái)的檢測誤差，同時(shí)提高了檢測精度、長(cháng)期穩定性和可靠性。
FCX-AⅡ系列變送器的另一個(gè)獨創(chuàng )技術(shù)是基于雙溫度傳感器的溫度補償。通過(guò)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(jìn)行溫度補償，提高變送器的溫度特性。
3.2西門(mén)子公司SITRANSPDSⅢ系列壓力傳感器
采用西門(mén)子專(zhuān)利技術(shù)的硅材料傳感器，DSⅢ系列壓力傳感器適用于各種壓力、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(guò)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(jìn)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系列壓力傳感器有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(chǎng)合而設計的。只需一臺DSⅢ系列壓力傳感器即可獲得與2臺常規變送器相同的安全等級。這意味著(zhù)安裝、運行和維護的成本大大降低。DSⅢ系列壓力傳感器的精度可達0.075%，5年長(cháng)期漂移小于0.25%(實(shí)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(guò)密封膜片和填充液傳遞給硅壓力傳感器。當壓力超過(guò)測量極限時(shí)，過(guò)載保護膜片產(chǎn)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(guò)壓損壞。不起測量作用的中心膜片結構使DSⅢ系列壓力傳感器具有極好的過(guò)壓保護能力。西門(mén)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(jìn)行絕壓測量時(shí)，DSⅢ系列變送器需要使用絕壓測量元件。被測壓力通過(guò)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(chǎn)的壓力傳感器
國產(chǎn)的壓力傳感器，如江蘇金荷儀表有限公司在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JH-900型壓阻式壓力傳感器采用半導體擴散硅壓力傳感器及專(zhuān)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(diǎn)，且具有一體化結構，便于現場(chǎng)的安裝和使用，外形小巧美觀(guān)，具有多種結口形式和多種引線(xiàn)方式。
本文分析了石化行業(yè)對壓力傳感器的需求，微壓力傳感器具有許多傳統壓力傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足石化行業(yè)對壓力傳感器的要求。介紹了當前石化領(lǐng)域正在使用的MEMS壓力傳感器及其結構特點(diǎn);對比國內外廠(chǎng)商生產(chǎn)的壓力傳感器性能，明確了壓力傳感器國產(chǎn)化問(wèn)題的關(guān)鍵是如何提高傳感器長(cháng)期穩定性問(wèn)題。

 

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