淺談石化行業中國產化壓力傳感器的應用研究

1、引言

壓力變送器是石化行業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用：差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質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年時間內全部壓力變送器可靠運行，不出現故障。

目前，我國石化行業大量使用的壓力變送器主要依靠進口，國產的壓力變送器在產品種類和性能方面和國外還有一定的差距。實現壓力傳感器的國產化，對于國家的經濟和國防安全，振興民族產業等都具有重要意義。本文通過對比研究在石化領域使用的國內外幾種典型的壓力變送器，分析了壓力傳感器國產化的關鍵所在。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，實現石化行業壓力傳感器的國產化。

2、石化行業對壓力變送器的需求和對壓力傳感器的要求

在現代化連續生產的過程中，穩定可靠的壓力變送器是生產工藝過程的有力保障。一旦出現計量錯誤，甚至發生停機故障，隨之而來的經濟損失將是無法計數的。壓力變送器的穩定性和可靠性成為石化行業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境和靜壓的變化而發生漂移。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，從而維護生產的穩定和保證工藝的一致，是壓力變送器穩定性的體現，也是石化行業對壓力變送器穩定性的要求。

在穩定性和可靠性基礎上，高精度是石化行業對壓力傳感器的更高需求。控制的準確度取決于控制過程中測量的精度。測量精度越高，控制準確度也就越高。目前，多數壓力變送器的精度達到0.075%，可以滿足石化行業測量精度要求。

此外，石化行業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，給設計和應用帶來方便。當工藝流程中某些反應條件的設計發生變化時，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。

石化行業對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、穩定性和高精度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，依賴變送器的結構設計、機械加工工藝水平和結構材料。壓力變送器的穩定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩定性和測量精度保證。與壓力變送器的測量精度相對應的是壓力傳感器的測量精度和響應速度，與壓力變送器的穩定性相對應的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長期穩定性。石化行業對壓力傳感器的需求就體現在測量精度、快速響應、溫度特性和靜壓特性、長期穩定性4個方面。

微壓力傳感器是采用半導體材料和MEMS工藝制造的新型壓力傳感器。與傳統壓力傳感器相比，微壓力傳感器具有精度高、靈敏度高、動態特性好、體積小、耐腐蝕、成本低等優點。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壓力傳感器不具備的優點，能夠很好地滿足石化行業對壓力傳感器的需求。

3、當前石化領域正在使用的MEMS傳感器及其結構分析

3.1富士公司FCX-AⅡ系列壓力變送器

20世紀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系列產品應用在各種工業過程中。FCX系列產品采用富士公司獨創的“先進浮動模盒”結構，具有卓越的可靠性和良好的性能。它是我國石化行業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上，富士公司研發了FCX-AⅡ系列產品。該系列產品也是以“先進浮動模盒”結構為基礎，在傳感器單元采用了硅微電容傳感器和新開發的檢測電路(ASIC)，實現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%，長期穩定性在0.1%URL以內(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，上下敏感電容的電極通過傳感器上的導孔中涂敷導電層引出。當硅油充滿導孔時，作用在浮動模盒上的外部壓力由硅油傳導到傳感器兩端，擠壓硅片發生形變，從而改變電容極板間距，導致電容的改變。硅油的另一個作用是充當電容極板間的電介質。

傳感器的主體是由單晶硅構成，側面是鋁電極，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。