本文分析了石化行業(yè)對壓力變送器的需求,，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,，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MEMS壓力傳感器及其結(jié)構(gòu)特點,；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。
 
1,、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)及特殊加工的遠傳法蘭式壓力變送器,。以揚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年時間內(nèi)全部壓力變送器可靠運行，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,。實現(xiàn)壓力傳感器的國產(chǎn)化,，對于國家的經(jīng)濟和國防安全，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,，實現(xiàn)石化行業(yè)壓力傳感器的國產(chǎn)化。
 
2,、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)計量錯誤,，甚至發(fā)生停機故障,，隨之而來的經(jīng)濟損失將是無法計數(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，得到相對最正確的測量，從而維護生產(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,。控制的準(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)計發(fā)生變化時，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)計修改的工作量,。同時，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,、機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,、動態(tài)特性好,、體積小、耐腐蝕,、成本低等優(yōu)點,。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,，微壓力傳感器易于與微溫度傳感器集成，增加溫度補償精度,，大幅提高傳感器的溫度特性和測量精度,。如果將2個微壓力傳感器集成，又可以實現(xiàn)靜壓補償,，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,，能夠很好地滿足石化行業(yè)對壓力傳感器的需求,。
 
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)品采用富士公司獨創(chuàng)的“先進浮動模盒”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“先進浮動模盒”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償單元，精度可達0.1％,，長期穩(wěn)定性在0.1％URL以內(nèi)(實測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,，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，從而改變電容極板間距,，導(dǎo)致電容的改變,。硅油的另一個作用是充當(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。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獨創(chuàng)技術(shù)是基于雙溫度傳感器的溫度補償,。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行溫度補償,，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,、絕壓和液位測量。它應(yīng)用模塊化設(shè)計,，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行充分的計算補償，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,、運行和維護的成本大大降低,。DSⅢ系列壓力變送器的精度可達0.075％，5年長期漂移小于0.25％(實測1年),。
 
      DSⅢ系列智能差壓變送器,，結(jié)構(gòu)上具有獨立的壓力測量敏感元件和獨特的不起測量作用的中心膜片。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,，過載保護膜片產(chǎn)生變形，直至其貼到測量元件的內(nèi)壁上,，以保護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能力。西門子硅傳感器采用壓阻式結(jié)構(gòu)設(shè)計,。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,。
 
      在進行絕壓測量時,，DSⅢ系列變送器需要使用絕壓測量元件。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，測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,、抗干擾能力強等特點,，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。