0 引 言
壓力變送器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用#多的測量裝置之一。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,我國石化行業(yè)大量使用的壓力變送器主要依靠進(jìn)口,國產(chǎn)的壓力變送器在產(chǎn)品種類和性能方面和國外還有一定的差距。實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的國產(chǎn)化,對于guojia的經(jīng)濟(jì)和國防安全,振興民族產(chǎn)業(yè)等都具有重要意義。本文通過對比研究在石化領(lǐng)域使用的國內(nèi)外幾種典型的壓力變送器,分析了壓力傳感器國產(chǎn)化的關(guān)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(shí)現(xiàn)石化行業(yè)壓力傳感器的國產(chǎn)化。
1 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(xiàn)代化連續(xù)生產(chǎn)的過程中,穩(wěn)定可靠的壓力變送器是生產(chǎn)工藝過程的有力保障。一旦出現(xiàn)計(jì)量錯(cuò)誤,甚至發(fā)生停機(jī)故障,隨之而來的經(jīng)濟(jì)損失將是無法計(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)對壓力變送器的shou要需求。
通常,壓力變送器的測量會(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量場合,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#正確的測量,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)對壓力傳感器的更高需求�?刂频臏�(zhǔn)確度取決于控制過程中測量的精度。測量精度越高,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(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來方便。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,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(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)定性和測量精度保證。與壓力變送器的測量精度相對應(yīng)的是壓力傳感器的測量精度和響應(yīng)速度,與壓力變送器的穩(wěn)定性相對應(yīng)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(xiàn)在測量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長期穩(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,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,在全shijie已有超過50萬臺FCX系列產(chǎn)品應(yīng)用在各種工業(yè)過程中。FCX系列產(chǎn)品采用富士公司好創(chuàng)的“先金浮動(dòng)模盒”結(jié)構(gòu),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(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“先金浮動(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% ,長期穩(wěn)定性在0.1%URL以內(nèi)(實(shí)測3年)。
圖1 “先金浮動(dòng)模盒”結(jié)構(gòu)示意圖
富士公司的硅微電容傳感器采用了對稱的差分電容構(gòu),上下敏感電容的電極通過傳感器上的導(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),圖2為微電容傳感器結(jié)構(gòu)圖。
圖2 富士公司微電容傳感器結(jié)構(gòu)圖
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。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,而且,降低電路中電磁干擾帶來的檢測誤差,同時(shí)提高了檢測精度、長期穩(wěn)定性和可靠性。圖3為FCX-AⅡ系列變送器結(jié)構(gòu)圖。
圖3 FCX-AⅡ系列變送器結(jié)構(gòu)框圖
FCX-AⅡ系列變送器的另一個(gè)好創(chuàng)技術(shù)是基于雙溫度傳感器的溫度補(bǔ)償。通過內(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
采用西門子轉(zhuǎn)lijishu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(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。通過絕壓傳感器和溫度傳感器,對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,如圖4所示。
圖4 SITRANS P DSⅢ系列變送器結(jié)構(gòu)框圖
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合而設(shè)計(jì)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(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年長期漂移小于0.25%(實(shí)測1年)。
DSⅢ系列智能差壓變送器,結(jié)構(gòu)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(dāng)壓力超過測量極限時(shí),過載保護(hù)膜片產(chǎn)生變形,直至其貼到測量元件的內(nèi)壁上,以保護(hù)硅壓力傳感器避免過壓損壞。不起測量作用的中心膜片結(jié)構(gòu)使DSⅢ系列壓力變送器具有極好的過壓保護(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。
圖5 DSHI系列壓力變送器差壓測量元件結(jié)構(gòu)示意圖
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(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(fā)生形變。絕壓傳感器采用壓阻式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),測量原理與差壓傳感器相同。
圖6 DSHI系列壓力變送器絕壓測量元件功能示意圖
2.3 國產(chǎn)的壓力變送器
國產(chǎn)的壓力變送器,如壓阻式壓力變送器采用半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓力傳感器及專用放大電路組成,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,如圖7所示。
圖7 壓阻式壓力變送器
同時(shí),西安交通大學(xué)維納儀器有限責(zé)任公司牽頭的guojia“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)與測試工藝,建立了完善的生產(chǎn)測試平臺,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)對壓力測試的特殊要求,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)10萬次過壓試驗(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),并通過線性與溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)將測試數(shù)據(jù)一次性寫入微處理器,通過微處理器進(jìn)行#佳的線性與溫度補(bǔ)償。
3 傳感器國產(chǎn)化和面臨的問題
目前,我國石化行業(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產(chǎn)權(quán),很有可能暗藏潛在威脅。能源安全關(guān)乎guojia安全,傳感器的國產(chǎn)化問題至關(guān)重要。
國外廠商生產(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。國內(nèi)很多廠商依靠進(jìn)口壓阻式傳感器,設(shè)汁制造國產(chǎn)變送器。壓阻式傳感器技術(shù)成熟,很適合國產(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,無法得到保證。這兩大難點(diǎn)限制了國產(chǎn)壓阻式傳感器的測量精度和穩(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、長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),但是,它對生產(chǎn)工藝要求高,加工難度大。國內(nèi)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(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,但在長期穩(wěn)定性方面,差距較大。同時(shí),國內(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。國外壓阻式傳感器精度可以達(dá)到0.075% ,而國內(nèi)研制的壓阻式傳感器的精度只有0.1%。在長期穩(wěn)定性能上,國產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的差距更為明顯。國產(chǎn)產(chǎn)品長期穩(wěn)定性的指標(biāo)為0.1%/年,比國外產(chǎn)品至少高2倍。另外,國產(chǎn)產(chǎn)品的溫度特性差。與國外產(chǎn)品相比,溫度漂移比國外產(chǎn)品的典型值大50%~100% 。此外,國產(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。
壓力傳感器的國產(chǎn)化問題的關(guān)鍵主要是如何提高傳感器的長期穩(wěn)定性。傳感器的長期穩(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(yuǎn)之計(jì)。目前,國內(nèi)相關(guān)高校和科研院所對壓阻式和電容式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)提高傳感器的長期穩(wěn)定性,使國產(chǎn)傳感器在穩(wěn)定性指標(biāo)上滿足石化行業(yè)需求。因此,在國內(nèi)MEMS研究的基礎(chǔ)上,通過科研院所和工廠的協(xié)同合作,共同努力,完全可以實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)所需壓力變送器的國產(chǎn)化。
4 結(jié)束語
基于對石化行業(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shou選。傳感器的長期穩(wěn)定性是國內(nèi)外MEMS壓力傳感器的#主要的性能差異,壓力傳感器的國產(chǎn)化問題的關(guān)鍵在于如何提高傳感器的長期穩(wěn)定性。
經(jīng)過十多年的發(fā)展,國內(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。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)過努力,完全可以實(shí)現(xiàn)石化行業(yè)所需壓力變送器的國產(chǎn)化。