本文分析了石化行業(yè)對(duì)壓力變送器的需求，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產(chǎn)化問題的關(guān)鍵是如何提高傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題。
1、引言
壓力變送器是石化行業(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(duì)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(duì)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。
2、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(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)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。控制的準(zhǔn)確度取決于控制過程中測(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(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，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西門子公司SITRANSPDSⅢ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(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密封膜片和填充液傳遞給硅壓力傳感器。當(dāng)壓力超過測(cè)量極限時(shí)，過載保護(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(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國產(chǎn)的壓力變送器
國產(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。