壓力變送器在石化行業(yè)的應(yīng)用需求與國產(chǎn)化存在的問題

壓力變送器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用非常多的測量裝置之一。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(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，對于國家的經(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)對壓力變送器的首要需求。

    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，得到相對非常正確的測量，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(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，在全世界已有超過50萬臺(tái)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“先進(jìn)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）。

    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。

    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。

    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

    采用西門子專利技術(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。

    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(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。

    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。

    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。

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)任公司牽頭的國家“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)與測試工藝，建立了完善的生產(chǎn)測試平臺(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)行非常佳的線性與溫度補(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(shí)產(chǎn)權(quán)，很有可能暗藏潛在威脅。能源安全關(guān)乎國家安全，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)壓力傳感器的首選。傳感器的長期穩(wěn)定性是國內(nèi)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(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。