微型压力传感器

有许多传统的压力传感器

不具备上述优点，可以满足石油化工行业对压力传感器的要求

的要求。介绍了目前石油化工领域使用的微机电压力传感器

及其结构特点；对比国内外厂家生产的压力传感器

显然，压力传感器国产化的关键是如何提高传感器的长期稳定性。

本文所指的地址：

1.介绍

压力变送器是石油化工自动控制中最常用的测量设备之一。在大型化工项目中，压力变送器几乎所有的应用都包括在内：差压、绝对压力、表压、高压、微差压、高温、低温、各种材质、经过特殊加工的远传法兰压力变送器。以巴斯夫长江苯乙烯项目为例，使用了近480台各种类型的压力变送器。在项目准备阶段，项目准备部的专家和工程师希望所有的压力变送器在至少2年内能够可靠运行，不会出现故障。

目前，我国石化行业广泛使用的压力变送器主要依靠进口，国内压力变送器在产品类型和性能上与国外仍有一定差距。压力传感器的国产化对国民经济和国防安全、振兴民族工业具有重要意义。本文对国内外石油化工领域使用的几种典型压力变送器进行了比较，分析了压力传感器国产化的关键。通过努力，我们可以打破国外基于微机电系统传感器的压力变送器的垄断地位，实现石化行业压力传感器的国产化。

2.石油化工行业对压力变送器的需求和对压力传感器的要求

在现代连续生产过程中，稳定可靠的压力变送器是生产过程的有力保证。一旦出现测量误差甚至停机故障，经济损失将无法估量。压力变送器的稳定性和可靠性已成为石油化工行业对压力变送器的首要要求。

通常情况下，压力变送器的测量值会随着工作环境和静压的变化而漂移。在一些小压力或差压测量场合，这种漂移可能更严重。在不同的工况下，可以获得最正确的测量，从而保持生产的稳定性，保证工艺的一致性，这既是压力变送器稳定性的体现，也是石油化工行业对压力变送器稳定性的要求。

在稳定可靠的基础上，高精度是石油化工行业对压力传感器的更高要求。控制的准确性取决于控制过程中测量的准确性。测量精度越高，控制精度越高。目前，大多数压力变送器的精度达到了%，能够满足石油化工行业的测量精度要求。

此外，石化行业对压力变送器还有很多其他要求。例如，增加量程比可以增加压力变送器的灵活性，给设计和应用带来方便。当工艺流程中一些反应条件的设计发生变化时，比如变送器量程比大，就意味着通用性好，工艺条件的变化基本不影响变送器的型号，大大减少了设计修改的工作量。同时，大量程比可以减少工程中使用的变送器种类，减少备件库存，减少资金积压。

石油化工行业对压力变送器的要求主要集中在可靠性、稳定性和高精度上。其中，可靠性还有许多附加要求，如量程比、总线类型等。取决于变送器的结构设计、加工工艺水平和结构材料。压力变送器的稳定性和高精度主要由压力传感器的稳定性和测量精度来保证。压力传感器的测量精度和响应速度对应于压力变送器的测量精度，压力传感器的温度特性、静压特性和长期稳定性对应于稳定性

微型压力传感器是利用半导体材料和微机电系统技术制造的一种新型压力传感器。与传统压力传感器相比，微压传感器具有精度高、灵敏度高、动态特性好、体积小、耐腐蚀、成本低等优点。纯单晶硅疲劳小，用这种材料制作的微压传感器长期稳定性好。同时，微压力传感器易于与微温度传感器集成，提高了温度补偿精度，大大提高了传感器的温度特性和测量精度。如果集成两个微压力传感器，可以实现静压补偿，从而改善压力传感器的静压特性。因此，微型压力传感器具有传统压力传感器所不具备的诸多优点，能够很好地满足石油化工行业对压力传感器的需求。

3.目前石油化工领域使用的微机电系统传感器及其结构分析

3.1富士fcx-a 系列压力变送器

80年代后半期，富士公司开始销售智能发射机。目前，超过500，000种FCX系列产品已经应用于世界各地的各种工业过程。FCX系列产品采用富士公司创造的先进浮动模箱结构，可靠性高，性能好。它是中国石油化工行业广泛使用的压力变送器之一。富士公司在FCX系列压力变送器的基础上，开发了fcx-a 系列产品。该系列产品也是基于先进的浮动模盒结构(如图1所示)。传感器单元采用硅微电容传感器和新开发的检测电路(ASIC)，实现了基于双温度传感器的高精度传感器单元和温度补偿单元，精度为0.1%，长期稳定性在0.1%URL以内(3年测量)。

富士的硅微电容传感器采用对称的差分电容结构，上下敏感电容的电极通过在传感器上的导向孔中涂覆导电层引出。当硅油充满导孔时，作用在浮动模盒上的外压通过硅油传递到传感器的两端，挤压出来的硅片变形，从而改变电容极板之间的距离，导致电容的变化。硅油的另一个作用是作为电容器极板之间的电介质。

传感器主体由单晶硅组成，侧面为铝电极，用于连接导线向外界传输电容信号。传感器的其他导电部分都是由金构成的。差动电容器的三个极板由陶瓷材料绝缘。

在传感器的静电容量检测电路中

，富士公司采用了混有数字/模拟电路的ASIC，不仅实现了高速检测，而且，降低电路中电磁干扰带来的检测误差，同时提高了检测精度、长期稳定性和可靠性。

FCX-AⅡ系列变送器的另一个独创技术是基于双温度传感器的温度补偿。通过内置在传感器单元中的温度传感器和内置在电子装置中的温度传感器，分别对传感器部分和电路部分进行温度补偿，提高变送器的温度特性。

3.2西门子公司Ⅲ系列压力变送器

采用西门子专利技术的硅材料传感器，DSⅢ系列压力变送器适用于各种压力、差压、绝压和液位测量。它应用模块化设计，由传感器单元和电子放大单元组成。传感器单元包括差压传感器、绝压传感器和温度传感器。通过绝压传感器和温度传感器，对差压传感器全量程范围内的静压特性和温度特性进行充分的计算补偿，使DSⅢ系列差压变送器具有非常优异的静压特性和温度特性。

DSⅢ系列压力变送器有300年一次的故障发生率，是为应用于高安全和可靠性要求的场合而设计的。

只需一台DSⅢ系列压力变送器即可获得与2台常规变送器相同的安全等级。这意味着安装、运行和维护的成本大大降低。DSⅢ系列压力变送器的精度可达%，5年长期漂移小于0.25%(实测1年)。

DSⅢ系列智能差压变送器，结构上具有独立的压力测量敏感元件和独特的不起测量作用的中心膜片。测量元件两端压力通过密封膜片和填充液传递给硅压力传感器。当压力超过测量极限时，过载保护膜片产生变形，直至其贴到测量元件的内壁上，以保护硅压力传感器避免过压损坏。不起测量作用的中心膜片结构使DSⅢ系列压力变送器具有极好的过压保护能力。西门子硅传感器采用压阻式结构设计。测量膜片由于受到所施加的差压而变形，安装在它上面的4只电阻应变计的阻值随之变化，并使得电阻桥路的输出电压与压差成比例的变化。

在进行绝压测量时，DSⅢ系列变送器需要使用绝压测量元件。被测压力通过隔离膜片和填充液传递到绝压传感器，使测量膜片发生形变。绝压传感器采用压阻式结构设计，测量原理与差压传感器相同。

3.3国产的压力变送器

国产的压力变送器，如西安交通大学维纳仪器有限责任公司在MEMS压力传感器科研及其产业化方面进行了一系列尝试，其生产的WYB1型压阻式压力变送器采用半导体扩散硅压力传感器及专用放大电路组成，具有精度高、电路调试方便、可靠性高、抗干扰能力强等特点，且具有一体化结构，便于现场的安装和使用，外形小巧美观，具有多种结口形式和多种引线方式。

标签： #国内外传感器研究开发最新动态