壓力傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用與國產(chǎn)化探討圖文

1、2008年第27卷第1期傳感器與微系統(tǒng)(T ransducer andM icrosystem T echno l og ies壓力傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用與國產(chǎn)化探討劉仁1,史創(chuàng)2,王曉浩2,唐飛2,張大成3(1.中國石油蘭州石油化工公司儀表廠,甘肅蘭州730060;2.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系,北京100084;3.北京大學(xué)微電子學(xué)系,北京100871摘要:分析了石化行業(yè)對壓力變送器的需求,得出石化行業(yè)對壓力傳感器的要求:測量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長期穩(wěn)定性。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)對壓力傳感器的要求。介紹了當(dāng)前石化領(lǐng)域正在使用的M E

2、 M S壓力傳感器及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn);對比國內(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期穩(wěn)定性問題。關(guān)鍵詞:壓力傳感器;石化行業(yè);國產(chǎn)化中圖分類號:TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-9787(200801-0015-04Analysis of application and localization of pressuresensor in petroche m ical i ndustryLIU Ren1,SH I Chuang2,WANG X iao-hao2,TANG Fei2,Z HANG Da-cheng3(1.CNPC LPC In str

3、um en ts,L anzhou730060,Ch i na;2.D epart m en t of Prec ision Instru m ents and M echanol ogy,T singhua Un iversity,B eiji ng100084,China;3.Depar t m en t of M icroelectronics,P ek i ng Un iversity,Be ijing100871,Ch i naAb stract:R equ i re m ents o f pressure trans m itter i n petrochem ica l i nd

4、ustry is discussed.H i gh accuracy,hi gh response,hi gh reli ability,lo w stati c erro r and te m pe rature e rror are consi dered to be the most i m portant pe rfor m ances for pressure sensor used in pe troche m ica l i ndustry.M E M S pressure senso r,w ith m any ex tra benefits, ism ore adv isab

5、le to be appli ed i n petrochem ical i ndustry than conventi onal pressure sensor.M E M S pressure sensor app lied i n pe troche m i ca l i ndustry cu rrentl y are analyzed.P ress u re senso rs m ade by l oca l and abroad m anufacto ry are co m pared.It is concl uded tha t i m prov i ng re liab ilit

6、 y o f pressure senso r is a key to i m pl y localizati on o f press u re sensor.K ey w ords:pressure sensor;petroche m ica l i ndustry;loca lization;0引言壓力變送器是石化行業(yè)自動控制中使用最多的測量裝置之一。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

7、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1。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M E M S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,

8、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,得到收稿日期:2007-06-2015傳感器與微系統(tǒng)第27卷相對最正確的測量,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)

9、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

10、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M E M S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

11、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M E M S傳感器及其結(jié)構(gòu)分析2.1富士公司FCXA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)浮動模盒0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-A系列產(chǎn)品。該

12、系列產(chǎn)品也是以/先進(jìn)浮動模盒0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(A SIC,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%UR L以內(nèi)(實(shí)測3年。圖1/先進(jìn)浮動模盒0結(jié)構(gòu)示意圖F i g1Sche m atic d i agram o f/advanced floati ng cell0sensor structure富士公司的硅微電容傳感器采用了對稱的差分電容結(jié)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

13、,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。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2 。圖2富士公司微電容傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig2Structure di agra m of FujiElectri c m i cro-capacitancesilicone s ens or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A SIC,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

14、、長期穩(wěn)定性和可靠性。圖3為FCXA 系列變送器結(jié)構(gòu)圖。圖3FCXA系列變送器結(jié)構(gòu)框圖F i g3Block di agra m of FCXAseries trans m ittersFCXA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16第1期 劉 仁,等:壓力傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用與國產(chǎn)化探討 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SI TRAN S P DS 系列壓力變送器采用西門子專利技術(shù)的硅材料傳感器,DS 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)

15、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D S 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 SI TRANS P D S 系列變送器結(jié)構(gòu)框圖Fig 4 B l ock diagram of SI TRANS P DS s eri es trans m ittersDS 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DS 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

16、意味著安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本大大降低。DS 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。DS 系列智能差壓變送器,結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立的壓力測量敏感元件和獨(dú)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D S 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

17、的變化3。在進(jìn)行絕壓測量時(shí),DS 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5 DS 系列壓力變送器差壓測量元件結(jié)構(gòu)示意圖F i g 5 Sche m atic d i agram o fm ea s ure m ent component inDS s eri es differential press ure trans m itter圖6 DS 系列壓力變送器絕壓測量元件功能示意圖F i g 6 Sche m atic d i agram o fm ea s ure

18、m ent component inDS series abso l ute pressure trans m itter2.3 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M E M S 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W YB1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 W YB1型壓阻式壓力變送器F i g 7 P iezoresisti ve pres sur

19、e trans m itter ofW YB1style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/8630重點(diǎn)項(xiàng)目面向石化等重要行業(yè)的M E M S 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M E M S 系列耐高溫微型壓力傳感17傳感器與微系統(tǒng)第27卷器/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

20、溫度200e,耐瞬時(shí)沖擊溫度1000e。采用M E M S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)模化生產(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J HE系列壓力變送器,其主要特點(diǎn)為:采用M E M S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%/16M P a,連續(xù)工作5年,不需要調(diào)校零點(diǎn);SS K251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

21、自動檢測系統(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)行最佳的線性與溫度補(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,尤其是差壓變送器。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M E M S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D S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3051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

22、器,設(shè)計(jì)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

23、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M E M S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M E M S傳感器進(jìn)行了大量的研究47,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