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(dá)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(jì)來說，是一個(gè)巨大的安全隱患。所以對于研發(fā)和規(guī)?；a(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(shí)間從瑞士引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，以及通過適應(yīng)國產(chǎn)化生產(chǎn)特點(diǎn)的再研發(fā)和大規(guī)模試生產(chǎn)驗(yàn)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(bǔ)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度等級從0.5級提升到了0.1級。但這種改進(jìn)沒有根本性改變傳感器的結(jié)構(gòu)，因此改進(jìn)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(dá)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(jìn)行了革命性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔離、懸浮、電路可靠性提升等大量的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。其準(zhǔn)確度等級實(shí)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償和靜壓補(bǔ)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(dá)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(jìn)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(gè)跟隨壓力變化的電壓信號輸出，將這個(gè)電壓信號通過電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)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(jì)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(jìn)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(hù)技術(shù)方面。這兩項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)在2000年之前牢牢掌握在西方發(fā)達(dá)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(jìn)和再研發(fā)，最終充分掌握了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，因此實(shí)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(dá)到了0.05級，縮短了與以上工業(yè)發(fā)達(dá)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(shí)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(kuò)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(gè)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(gè)與壓力變化對應(yīng)的信號?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘柦?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(shí)，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(dá)到材料的屈服階段，甚至達(dá)到強(qiáng)化階段，此時(shí)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(dá)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(hù)傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對單晶硅芯片進(jìn)行過載保護(hù)設(shè)計(jì)的問題。
2.2 YR-ER100的壓力過載保護(hù)設(shè)計(jì)和實(shí)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(hù)的差壓傳感器。該單向壓力過載保護(hù)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(jìn)行自我保護(hù)，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(hù)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(shí)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)了保護(hù)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(jì)方法有效的保護(hù)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(lì)下其典型的量程輸出到達(dá)了100mV，這樣對于后端的電子電路和軟件較為容易實(shí)現(xiàn)信號補(bǔ)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(dá)到了100:1，微差壓變送器的可調(diào)量程比達(dá)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(shí)驗(yàn)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(yàn)
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(shí)驗(yàn)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(dá)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(yàn)
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(gè)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(jì)；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(dú)特的靜壓特性
差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對靜壓影響不作校正或補(bǔ)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(shí)，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(jì)，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(bǔ)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(dú)特的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內(nèi)腔和外腔達(dá)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(shí)，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(shí)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(dú)特的封裝設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)時(shí)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(dá)到靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。通過獨(dú)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(dú)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(jìn)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(jìn)行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計(jì)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(dú)特的超高溫遠(yuǎn)傳設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)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(dá)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(gè)腔體，兩個(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(xiàng)目的實(shí)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(jìn)和消化，并再加入創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其主要的技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為：
①準(zhǔn)確度等級達(dá)到0.05級，并取得計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了國際先進(jìn)水平；
②微差壓變送器采用獨(dú)特的雙過載保護(hù)膜片專利技術(shù)，可達(dá)±0.075%的高測量精度，最大的工作靜壓達(dá)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(dá)40MPa，單向過載壓力最高可達(dá)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(bǔ)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(shí)，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(bǔ)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(dú)特?zé)o傳壓損耗過載保護(hù)膜片專利技術(shù)，單向過壓最高達(dá)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(dá)到了10年免維護(hù)的能力；
⑧實(shí)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(jìn)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(jìn)、消化和吸收后，再融入自主研發(fā)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其準(zhǔn)確度等級達(dá)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(dá)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(yùn)行打下扎實(shí)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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