壓力傳感器在石油產(chǎn)業(yè)的廣泛運(yùn)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(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傳感器的應(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)傳法蘭式壓力傳感器

。以揚(yáng)子巴斯夫苯乙烯工程為例

，它使用了接近480臺(tái)各種類型的壓力傳感器。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)全部壓力傳感器可靠運(yùn)行

，不出現(xiàn)故障。
目前

，我國(guó)石化行業(yè)大量使用的壓力傳感器主要依靠進(jìn)口

，國(guó)產(chǎn)的壓力傳感器在產(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)外幾種典型的壓力傳感器

，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傳感器的壓力傳感器國(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

。
2、石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求和對(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)定可靠的壓力傳感器是生產(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

。壓力傳感器的穩(wěn)定性和可靠性成為石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的首要需求

。
通常，壓力傳感器的測(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)最正確的測(cè)量

，從而維護(hù)生產(chǎn)的穩(wěn)定和保證工藝的一致，是壓力傳感器穩(wěn)定性的體現(xiàn)

，也是石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器穩(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

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？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)壓力傳感器的精度達(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(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)壓力傳感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。壓力傳感器的穩(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

。與壓力傳感器的測(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

，與壓力傳感器的穩(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

。
3

、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
3.1富士公司FCX-AⅡ系列壓力傳感器
20世紀(jì)80年代后半期，富士公司開(kāi)始銷售智能型變送器

。目前

，在全世界已有超過(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)品采用富士公司獨(dú)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(guó)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(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)

，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(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)獨(dú)創(chuàng)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。
3.2西門(mén)子公司SITRANSPDSⅢ系列壓力傳感器
采用西門(mén)子專利技術(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(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系列壓力傳感器有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系列壓力傳感器即可獲得與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系列壓力傳感器的精度可達(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)量敏感元件和獨(dú)特的不起測(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)量極限時(shí)，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系列壓力傳感器具有極好的過(guò)壓保護(hù)能力

。西門(mén)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

。
3.3國(guó)產(chǎn)的壓力傳感器
國(guó)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(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(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

。
本文分析了石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求

，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)，能夠滿足石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的要求

。介紹了當(dāng)前石化領(lǐng)域正在使用的MEMS壓力傳感器及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn);對(duì)比國(guó)內(nèi)外廠商生產(chǎn)的壓力傳感器性能

，明確了壓力傳感器國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題的關(guān)鍵是如何提高傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。

 

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