壓力變送器、差壓變送器作為一種高精密的測量儀器，在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍和意義重大。在大多數(shù)的重要工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，如火力發(fā)電、核電、石油冶煉、化工、鋼鐵、造紙、制藥、食品、水泥制造等領(lǐng)域。然而在這些廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，由中國人自己研發(fā)和制造的中高端壓力變送器非常匱乏，幾乎完全被美國、日本、德國、瑞士等工業(yè)發(fā)達國家的壓力變送器所壟斷。這對當(dāng)前飛速發(fā)展的中國國民經(jīng)濟來說，是一個巨大的安全隱患。所以對于研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)具有中國自有知識產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器顯得越來越重要和意義重大。昌暉儀表制造有限公司正是立足于這種國內(nèi)空白，通過數(shù)年的時間從瑞士引進和學(xué)習(xí)先進技術(shù)，以及通過適應(yīng)國產(chǎn)化生產(chǎn)特點的再研發(fā)和大規(guī)模試生產(chǎn)驗證，最終形成了單晶硅電阻原理的中高端壓力、差壓變送器生產(chǎn)線。
1、當(dāng)前主流高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的技術(shù)現(xiàn)狀分析
當(dāng)前中國市場上主流的高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器主要分為三種類型和原理。第一種為以美國制造商研發(fā)和生產(chǎn)的金屬電容式壓力、差壓變送器，其代表性的型號為1151系列和3051C/S系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內(nèi)部的金屬電容極板，當(dāng)極板發(fā)生位移后即產(chǎn)生電容量的變化，將這種電容量的變化通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線性輸出。
1151系列電容式傳感器技術(shù)由80年代開始引進入中國大陸以后，在國內(nèi)得到了大規(guī)模的仿造和推廣，至2016年止國內(nèi)仿制的制造廠商達到了近100家，比較典型的國內(nèi)制造商有上海、西安、北京、重慶以及核工業(yè)部等儀表公司。國內(nèi)儀表制造商經(jīng)過多年的研究和探索，至21世紀(jì)初多數(shù)廠家開始將1151變送器進行了小型化處理，體積大幅縮小，并且由模擬電路逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱藬?shù)字電路，最終實現(xiàn)準(zhǔn)確度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進沒有根本性改變傳感器的結(jié)構(gòu)，因此改進后仍存在較大的局限性，其準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和原裝的羅斯蒙特3051C/S產(chǎn)品相比差距非常大。最終導(dǎo)致國內(nèi)的變送器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達國家的形勢。
然而，美國3051C/S系列變送器，卻在1151的基礎(chǔ)上進行了革命性的改進，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實質(zhì)性改進。其準(zhǔn)確度等級實現(xiàn)了0.05級的跨域。但是，這種3051C/S壓力變送器所帶來的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，不能有效的被中國本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國制造廠家均放棄了電容式變送器的進一步探索和研究。
第二種為日本制造商研發(fā)和生產(chǎn)的單晶硅壓力變送器、差壓變送器，其代表性的型號為橫河EJA和EJX系列。其工作原理為：外界壓差傳遞到內(nèi)部的單晶硅諧振梁，諧振梁在壓力的作用下產(chǎn)生了一對跟隨壓力變化的差動的頻率信號，將這對差動的頻率信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線性輸出。
橫河EJA系列單晶硅諧振式變送器，較之電容式傳感器其生產(chǎn)過程中的制造成本控制有一定的優(yōu)勢。主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在溫度和靜壓補償環(huán)節(jié)中，即：雙諧振回路的原始差動信號輸出，而此差動信號不被溫度和靜壓的影響，因此對于后期的變送器的溫度補償和靜壓補償?shù)裙ば颦h(huán)節(jié)操作較為簡便。其最終的準(zhǔn)確度等級到達0.065級，稍遜色于羅斯蒙特3051C/S系列。但是由于單晶硅諧振梁芯片的批量生產(chǎn)技術(shù)被日本橫河公司壟斷，這種單晶硅諧振梁芯片所帶來的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，同樣不能有效地被中國本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國制造廠商均放棄了單晶硅諧振式變送器的進一步探索和研究。
第三種為德國、瑞士為代表的單晶硅電阻式壓力、差壓變送器。其工作原理為：外界壓差傳遞到內(nèi)部的單晶硅全動態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋，惠斯頓電橋在壓力的作用下產(chǎn)生一個跟隨壓力變化的電壓信號輸出，將這個電壓信號通過電子電路收集、放大和軟件補償處理后，就得到壓力信號的線性輸出。
這種單晶硅電阻式傳感器的輸出靈敏性高、信號量大、回差極小，并且電路設(shè)計較為簡潔可靠，所以國際上較多變送器制造廠商優(yōu)先采用此方案進行高端變送器的研發(fā)和制造。但是較之上文提及的金屬電容式傳感器和單晶硅諧振式傳感器， 單晶硅電阻芯片的應(yīng)用具有較為特殊的工藝要求。主要表現(xiàn)在硅芯片的無應(yīng)力封裝技術(shù)和硅薄膜的單向過載保護技術(shù)方面。這兩項應(yīng)用技術(shù)在2000年之前牢牢掌握在西方發(fā)達國家手中，從2010年之后，昌暉儀表制造有限公司通過從瑞士ROCKSENSOR的技術(shù)合作、引進和再研發(fā)，最終充分掌握了多項相關(guān)技術(shù)，因此實現(xiàn)了高穩(wěn)定性硅壓力、差壓變送器在國內(nèi)大規(guī)模制造，其YR-ER100系列的高穩(wěn)定性單晶硅變送器的準(zhǔn)確度等級達到了0.05級，縮短了與以上工業(yè)發(fā)達國家知名品牌變送器的差距。
2、YR-ER100系列高穩(wěn)定性單晶硅壓力變送器、單晶硅差壓變送器的實現(xiàn)
2.1 單晶硅壓力變送器工作原理
如圖1所示，YR-ER100單晶硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線即成“單晶硅應(yīng)變片”，其電氣性能是做成一個全動態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋。該壓阻效應(yīng)惠斯登電橋和彈性元件(即其N型硅基底)結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側(cè)，與作用在負(fù)腔側(cè)的介質(zhì)形成壓差，它們共同作用的結(jié)果使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個與壓力變化對應(yīng)的信號。惠斯登電橋的輸出信號經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。
對于表壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常通大氣，以大氣壓作為參考壓力；對于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以絕對真空作為參考壓力；對于差壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)的導(dǎo)壓介質(zhì)通常和正腔側(cè)相同，如硅油、氟油、植物油等。
圖1 硅傳感器結(jié)構(gòu)圖/圖2 膜片受壓示意圖
如圖2所示，在正負(fù)腔室的壓差作用下，引起測量硅膜片(即彈性元件)變形彎曲，當(dāng)壓差P小于測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時，彎曲可以完全復(fù)位；當(dāng)壓差P超過測量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp后，將達到材料的屈服階段，甚至達到強化階段，此時撤去壓差后測量硅膜片無法恢復(fù)到原位，導(dǎo)致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測量偏差；當(dāng)壓差P達到或超過測量硅膜片能承受的最高應(yīng)力σb后，測量硅膜片破裂，直接導(dǎo)致傳感器損壞。因此，通過阻止或削弱外界的過載壓差P直接傳遞到測量硅膜片上，可以有效保護傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對單晶硅芯片進行過載保護設(shè)計的問題。
2.2 YR-ER100的壓力過載保護設(shè)計和實現(xiàn)
如圖3所示，為克服單晶硅硅片抗過載能力不足的缺陷，YR-ER100配備了一種具有單向壓力過載保護的差壓傳感器。該單向壓力過載保護差壓傳感器不僅能測出現(xiàn)場工況在額定壓力范圍內(nèi)的壓差值，而且在發(fā)生單向壓力過載的情況下還能有效地進行自我保護，避免了硅差壓傳感單向壓力過載而引起的損壞。
圖3 帶過載保護的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
如圖4、圖5所示，當(dāng)有超過差壓測量硅膜片允許工作范圍的差壓出現(xiàn)時，中心隔離移動膜片向低壓一側(cè)移動，并使高壓一側(cè)的外界隔離膜片和腔室內(nèi)壁重合，從而使得高壓側(cè)硅油全部趕入腔室內(nèi)，無法向單晶硅芯片進一步傳遞更高的壓力值，最終在單晶硅芯片上避免了超高壓的發(fā)生，有效地實現(xiàn)了保護單晶硅芯片的目的。
圖4 正腔過載示意圖/圖5 負(fù)腔過載示意圖
YR-ER100的這種抗過載設(shè)計方法有效的保護了單晶硅芯片的長期工作穩(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)象存在的工況場合更加能夠突出其優(yōu)越性。
2.3 YR-ER100優(yōu)越的量程比可調(diào)性能
由于單晶硅芯片的輸出信號量較大，在5V的恒壓源激勵下其典型的量程輸出到達了100mV，這樣對于后端的電子電路和軟件較為容易實現(xiàn)信號補償和放大處理。相比于金屬電容式壓力、差壓變送器，單晶硅原理的壓力、差壓變送器的量程比性能非常優(yōu)越，其常用壓力變送器的量程可調(diào)比達到了100:1，微差壓變送器的可調(diào)量程比達到10:1。經(jīng)量程壓縮后仍能保持較高的基本精度，大幅拓寬了單晶硅壓力變送器的可調(diào)節(jié)范圍，對用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。
如表1所示，3臺經(jīng)抽樣的YR-ER101差壓變送器經(jīng)過10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果。滿量程為0-250kPa，壓縮10倍后的量程變更為0-25kPa，壓縮100倍后的量程變更為0-2.5kPa。從實驗的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.019%、0.012%、0.025%，仍然能夠保持由于0.05級的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.147%、0.219%、0.197%，其仍然可以優(yōu)于0.25級的準(zhǔn)確度。
表一 YR-ER101單晶硅差壓變送器的量程比性能試驗
如表2所示，3臺經(jīng)抽樣的YR-ER102壓力變送器經(jīng)過10:1量程縮小和100:1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果。滿量程為0-40MPa，壓縮10倍后的量程變更為0-4MPa，壓縮100倍后的量程變更為0-400kPa。從實驗的結(jié)果可以看出，當(dāng)壓縮10倍量程比后，其基本誤差分別為0.041%、0.047%、0.034%，仍然能夠達到0.05級的準(zhǔn)確度；當(dāng)壓縮100倍量程比后，其基本誤差分別為0.15%、0.063%、0.153%，其仍然可以優(yōu)于0.25級準(zhǔn)確度。
表二 YR-ER102單晶硅壓力變送器的量程比性能試驗
2.4 YR-ER100優(yōu)越的壓力滯后性能
壓力滯后特性也稱回程誤差特性，俗稱回差，對于壓力、差壓變送器來說是一個較為重要的考核指標(biāo)。回差的大小直接影響到變送器的測量準(zhǔn)確性和長期漂移性能。如圖5所示，這是一張典型的單晶硅誤差曲線和金屬電容誤差曲線的比較示意圖。從圖中可以看出，單晶硅原理傳感器的線性誤差曲線的回差極小，上行程和下行程幾乎重合，其回差基本可以忽略不計；而金屬電容式原理的線性誤差曲線的回差較大，上行程和下行程呈開口狀，直接影響到變送器的輸出精度。
圖5 誤差曲線例圖
2.5 YR-ER100獨特的靜壓特性
差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時，如果對靜壓影響不作校正或補償，將會給測量帶來較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對流量較小時，影響更巨大。例如一臺電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計，在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2%FS，雖然其零位誤差，可以通過調(diào)零來消除，但是滿位輸出誤差無法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測試，并且影響量較大。在這種應(yīng)用工況下，差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要，如果靜壓誤差經(jīng)過補償，或其本身靜壓誤差極小，則其測量精度將會得到大幅提高。
YR-ER101差壓變送器采用獨特的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內(nèi)腔和外腔達到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖，當(dāng)有工作靜壓加載到測量硅片的正負(fù)腔時，工作靜壓通過硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負(fù)腔硅油平衡加載到測量硅片上，并實現(xiàn)了相互抵消，從而使得測量硅片對工作靜壓的彎曲變形極小。這樣處理大幅提升了差壓變送器的靜壓影響性能。
圖6 單晶硅硅片封裝示意圖
而在微差壓變送器的應(yīng)用場合，由于微差壓信號量過小，對于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的獨特的封裝設(shè)計和工藝仍不能完全消除或減弱靜壓影響量。因此針對此問題，YR-ER101的微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個可以測量工作靜壓的絕壓傳感器，如圖7所示為YR-ER101微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。此絕壓傳感器可以將測得的工作靜壓信號實時反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標(biāo)軸自動修正微差壓輸出信號，從而達到靜壓補償?shù)墓δ堋Ｍㄟ^獨特的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了YR-ER101差壓變送器的工作靜壓性能，從而保證了差壓變送器的測量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。
圖7 單晶硅微差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
2.6 YR-ER100獨特的膜片處理工藝
相比于美國羅斯蒙特的金屬電容式傳感器、日本橫河的單晶硅傳感器、歐洲ABB的硅差壓傳感器等采用的隔離環(huán)膜片焊接方式，YR-ER101差壓傳感器采用了更為先進的無隔離環(huán)的衛(wèi)生型膜片焊接方式。這種衛(wèi)生型膜片焊接方式使得焊縫光滑，無縫隙，無死角，可以滿足直接焊接多種材質(zhì)膜片，如 316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片，由于沒有縫隙的存在還可以在接液面進行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計方式和特殊的處理工藝使得差壓變送器的接液范圍大幅延伸和拓展，并且大幅提升了腐蝕場合差壓變送器的使用壽命。
2.7 YR-ER100獨特的超高溫遠(yuǎn)傳設(shè)計和實現(xiàn)
眾所周知，壓力、差壓變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過程中，當(dāng)介質(zhì)溫度超過350℃應(yīng)用時存在著巨大的安全隱患，較為容易出現(xiàn)硅油氣化、數(shù)據(jù)失真或壽命下降等問題，這就要求應(yīng)用現(xiàn)場的介質(zhì)有一定的工作靜壓從而形成背壓來保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠(yuǎn)傳液位測量應(yīng)用范圍受到了限制。而600℃超高溫遠(yuǎn)傳壓力變送器采用了超高溫介質(zhì)的測量技術(shù)，其介質(zhì)的可測量溫度達到了600℃。
圖8 超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)原理圖
如圖8所示為此超高溫遠(yuǎn)傳的結(jié)構(gòu)示意圖。此超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個腔體，兩個腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設(shè)一個散熱桿。和介質(zhì)直接接觸的超高溫充灌液可以承受600℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的粘度較高，不適合充入毛細(xì)管進行壓力傳遞。因此，通過中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應(yīng)。而高溫?zé)崃拷?jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時溫度已大幅下降，可以保證普通高溫充灌液腔體的正常使用。這種方式拓寬了高溫遠(yuǎn)傳變送器的應(yīng)用范圍，并提高了超高溫遠(yuǎn)傳變送器的可靠性和壽命。
2.8 YR-ER100的實現(xiàn)性能指標(biāo)和可靠性
通過以上對YR-ER100系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡要地闡述了YR-ER100單晶硅高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器項目的實現(xiàn)過程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無應(yīng)力封裝、回程誤差的消除、靜壓影響的減弱、量程比的放大、接液面的特殊處理工藝以及超高溫測量的拓展等多方面來提升高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級和可靠性。通過以上多種途徑的技術(shù)引進和消化，并再加入創(chuàng)新性設(shè)計，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達到了國際先進水平，其主要的技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為：
①準(zhǔn)確度等級達到0.05級，并取得計量器具制造許可證，達到了國際先進水平；
②微差壓變送器采用獨特的雙過載保護膜片專利技術(shù)，可達±0.075%的高測量精度，最大的工作靜壓達到16MPa，最小的測量差壓為-50Pa~50Pa，遙遙領(lǐng)先國內(nèi)外技術(shù)水平；
③差壓變送器最高工作靜壓可達40MPa，單向過載壓力最高可達40MPa；
④差壓傳感器內(nèi)部可選封裝絕壓傳感器，可用于現(xiàn)場工作靜壓的測量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補償，使得單晶硅壓力變送器的靜壓性能極佳，使得典型規(guī)格的靜壓誤差最優(yōu)為≤±0.05%/10MPa。同時，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了YR-ER100多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測量領(lǐng)域，并填補了國內(nèi)高端多參數(shù)變送器的空白。
⑤壓力、差壓傳感器內(nèi)部集成的高靈敏度溫度傳感器，使得變送器溫度性能極佳，最優(yōu)為≤±0.04%/10K；
⑥6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用獨特?zé)o傳壓損耗過載保護膜片專利技術(shù)，單向過壓最高達7MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；
⑦典型規(guī)格的長期零位漂移量≤±0.1%/3年，并通過12萬次90%的量程的極限壓力疲勞測試，達到了10年免維護的能力；
⑧實現(xiàn)了極寬的測量范圍0-100Pa～60MPa，最高100:1的可調(diào)節(jié)量程比輸出；
⑨遠(yuǎn)傳變送器采用先進的超高溫專利技術(shù)，可應(yīng)用于400℃超高溫測量場合，突破了遠(yuǎn)傳產(chǎn)品應(yīng)用和測量的瓶頸。
昌暉儀表制造有限公司通過以上多種途徑的技術(shù)引進、消化和吸收后，再融入自主研發(fā)的創(chuàng)新性設(shè)計，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達到了國際先進水平，其準(zhǔn)確度等級達到了最高等級的0.05級，其部分性能甚至超越了國外發(fā)達國家的變送器水平。最終不僅使企業(yè)保證擁有自主核心技術(shù)和產(chǎn)權(quán)的前提下，還為中國的工業(yè)自動化領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展和安全運行打下扎實的基礎(chǔ)，并為中國的工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展做好了充分的準(zhǔn)備。
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