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发表于 2009/9/21 16:48:43

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标签: 过程控制 传感器

浅谈过程控制传感器

        在现代工业中,过程控制对提高经济效益、提高产品质量、实现节能减排具有重要的意义。近年来,工业控制系统依托计算机技术、通讯技术、微电子技术有了飞速的发展,仅二十多年,已由集散系统、现场总线系统,发展到工业以太网;而作为过程控制信息源头的传感器,虽有举足轻重的作用,但发展相对滞后,希望引起业界的关注。下面介绍几种当前较受关注的两种过程控制传感器:压力传感器和流量传感器。
        压力传感器
        压力传感器在过程控制的仪表占用量仅次于温度传感器,除了可以检测压力参数外,还可以与流量传感器、液位传感器组合成为流量、液位仪表,国内市场2007年估计约为25亿人民币。近十年来,随着MENS技术的日益成熟,以硅基材料为主的压力传感器,如硅压阻式、硅谐振式、硅电容式,有了突破性进展,占有国内较大的传感器市场,引起业界的关注。
        硅压阻式传感器  主要生产厂家为美国的Honeywell、我国的昆山双桥测控公司等。
        硅压阻式传感器依靠PN结实现敏感电阻间的电绝缘,由于单晶硅良好的弹性变形,以及灵敏的压阻效应,实现了压力测量。美国Honeywell公司最早推出的ST3000型传感器,采用集成电路工艺,将差压、静压、温度敏感元件集成在同一硅片上,可以进行温、压补偿,提高了准确度,我国沈阳仪表研究院在仅3.5×4mm2的P型Sol硅单晶片或N型硅单晶片上,也研制了类似的智能压力传感器,准确度可达0.1级,可靠性良好,MTBF可达到8万小时。
        常规扩散硅压力传感器当工作温度超过125℃时,由于漏电加剧,无法正常工作。近年国内外都开始研制、推出Sol高温压力传感器,这种传感器通常将敏感元件置于绝缘的或有绝缘层衬底上,以减小高温下的漏电;材料多选用Poly-Si多晶硅;Sic系列单晶硅SOS,Sol等多种材料。工艺上采用LPCVD法制成一层多晶硅薄膜。上述各种材料比较后,初步确认,用单晶硅Sol制成的高温压力传感器具有一系列优点,如:体积小,重量轻,易于生产,灵敏度高,不易受光、电、磁、静电干扰等。目前技术指标温度上限可达300℃,压力上限40MPa,已开始在石化、航空、航天等领域推广应用。
        硅谐振式压力传感器  典型产品的型号为EJA,由合资企业横河川仪生产。
        传感器由硅芯片、基座、垫片、永久磁铁组合为一体(见图1),通过MENS技术在单晶硅芯片的表面中心及边缘各加工两个形状大小一致的“H”状谐振器。当芯片上下两侧压力不等时,芯片的中心产生挠曲变形,中心处的谐振器受到压力,在永久磁铁的作用下,谐振频率为Fc;而处于边缘的谐振器承受拉力,在永久磁铁作用下,谐振频率为Fr,频率差Fc-Fr正比于差压,测得频率差大小即可知压力值。
        EJA硅谐振压力传感器的特点:小型,轻巧,受温度和静压影响小,零点漂移小,输出频率信号具有与现场总线良好的通讯性能,通过微机技术,具有较好的自诊断智能功能。
        近十来,EJA压力传器在国内压力传感器市场占有较大份额。


        图1、硅谐振压力传感器原理图

        硅电容压力传感器  生产厂家有富士公司,型号为FXC-35,我国浙江中控及沈阳仪表研究院均已研制成功,是具有独立知识产权的产品,正待产业化。
        ①原理
        硅电容压力传感器是采用MENS技术加工的中间极板,材料为Si的E型梁-膜结构,两端为用静电封装的玻璃电极,由图2可知,在差压△P的作用下,中心膜片将产生位移△d,形成了两个电容。


        由于具有半径为γ的硬心平膜片,在均布载荷△P的作用下,硬心膜片的位移为△d,与△P的关系为:


        式中,R为芯片半径(等于D/2),S为芯片极板面积,ε为介电常数,E为芯片材料的弹性模量,d为芯片初始极板间隙,γ为芯片硬半径,h为芯片厚度,Ap为系数,取决于芯片材料泊松比及结构参数γ/R。
        ②特点
        ?稳定性好,使用功率小,发热量低,对温度不敏感,温度附加误差小。
        ?线性度高,硅膜采用了中间为硬芯的E型结构,提高了传感器的线性度。
        ?性价比高,采用MENS技术,可在较小膜片上制作较多的元件,工艺性好,适合批量生产,性能一致,成本低。
        ?配套性好,可根据用户的需要,设计各种小巧、坚固、抗振的接口。
        ?易于智能化,易实现数字化技术,提升传感器智能化水平。
        ③与下列压力传感器比较
        ?膜盒型电容压力传感器,性能好,性价比高,适合大批量生产,易与电子线路匹配。
        ?硅压阻型压力传感器,温度附加误差小,性能稳定可靠,补偿简单。
        ?硅谐振压力传感器,技术指标相差无几,但性价比高,工艺与IC兼容,不需昂贵加工设备。
        ?陶瓷电容压力传感器,体积小,线性好,稳定可靠,量程比宽。


        图2、硅电容压力传感器原理图


        流量传感器
        流量传感器在过程控制仪表的数量中约占20%,但因技术相对较复杂,采购费用占30%,2007年国内市场约35亿人民币,据相关知名网评估,近五年在整个国际经济发展疲软的情况下,流量传感器增长率仍为2.6%,而其中新型传感器(电磁,超声,科氏)年增长率达到了6.2%;而传统传感器(节流、容积、转子)为负增长,约-2.2%;其中节流原理的传感器类型不少于几十种,因其工作可靠,可经受恶劣工况,且问世近80年以来,现场装机数量十分庞大,取代并非一朝一夕之事。
        内锥流量传感器  孔板、喷咀节流流量传感器因有国际/国家标准可遵循,长期处于流量市场的首位,占60%以上,但是国际标准化组织根据长期使用的数据及相关试验,于2003年公布实施新标准ISO5167(2003E),为确保准确度,进一步提高了传感器的前直管段长达30~41D(D管道直径);现场难以满足需求,业界迫切寻求一种在维持较高准确度前提下,却并不要求过长的直管段长度的流量传感器。具有环型通道的流量传感器(环孔、内锥、梭式,槽道)恰好具有这样的技术特点,其中的内锥流量传感器由于近几年国内某些媒体“扬长避短”的热炒,成为国内流量业界的一大热点,有必要实事求是地对它进行评估。
        ①准确度
        为什么内锥流量传感器在前直管不足10D的情况下,仍能维持较高的准确度?首先在于内锥的存在形成了流动截面逐渐收缩的通道,使流体流动中加速压力下降,这种加速流动被证明是可以减小、甚至消除漩涡的;而内锥最大直径与管道所形成的最窄环形通道,类似于改善流场的流动调整器的板孔、管束,具有减小漩涡,改善流动方向的作用。所以,内锥不仅起到了节流作用,还具有改善流场的功能。
        有些文章宣称,内锥流量传感器在前直段仅0~3D时,可达到±0.5%的准确度,可能夸大其词。流量传感器的准确度不仅取决于本身的制造、安装,还取决使用条件。天津科特公司是一个研制销售内锥流量传感器的专业公司,其所公布的数据较为可信。该公司曾对口径几十毫米至1.6米不同βv值的内锥传感器进行了检定工作。当管径小于150毫米时,流量离散度约为1.5%;而当口径500毫米时,离散度约为5%;所检定传感器ββvν为0.4~0.6。该公司认为:当口径较小时,加工、安装较精确。所以离散性小,而口径较大时,难以准确地加工、安装,离散性偏大就是必然的了。这里还要强调的是流出系数的离散性还不是仪表的准确度,准确度还应包括校验装置的不确定度。因此,这些文章宣称内锥流量传感器在直管段仅0~3D时,可维持±0.5%的准确度,值得商榷。
        ②永久压损
        由于通道在内锥后突然扩大,流体将在内锥后产生大量的漩涡,这是一个不可逆的非等熵过程,动能不可能无损地转变为位能,必然带来较大的压损,内锥流量传感器的永久压损计算公式为:
        Pe/△p=(1.3-1.25βv)
        式中:△Pe永远压损;△P输出差压;βv直径比。
        根据不同βν计算内锥与孔板的△Pe/△p值列于表1。


        表1、内锥与孔板压损比较

        由表可知,当β值小于0.55时,内锥的永久压损在相同的直径比下,相当于孔板的90%以上;相差无几;而实际应用中,内锥的βv值一般在0.5左右,很少大于0.7;所以,强调“内锥流量传感器压损小,是一种节能仪表”,没有说服力。
        ③技术特点相互制约
        节能监测仪表的要求是准确提高及压损小,内锥传感器被宣传具有这二个特点,但它们之间是相互制约的,难以同时具备,如要求在直管段较短时取得较高准确度,则βv应选择相对较小(如0.4~0.55),此时压损则相当于孔板的90%以上;如希望永久压损小,则应选择βv>0.8,虽然压损可以小至孔板压损的60%左右,但环形通道过大,失去整流作用,不可能再具有直管不足,仍维持较高准确度的特点,鱼与熊掌不能兼得。
        ④小结
        针对国内对内锥传感器炒作过热,厂商纷纷盲目仿制的现象,希望业界理性考虑二个问题:
        *鼓励创新——从理论及实用中分析,内锥传感器并不那么完美,尚存在一些不足之外:如取压点,内锥的悬臂支承,压损仍较大等问题,应鼓励支持创新、具有独立知识产权的产品(图3b),如梭式、槽道。
        *科学评估——目前在我国业界对内锥传感器争议颇大,孰是孰非,各执一词,最公正的解决办法就是用实验数据进行科学评估。既要肯定优点,也要指出不足。


        图3、两种环形通道流量传感器

        热式流量传感器  利用传热原理,通过测温差大小,从测流速推算流量的一种传感器,主要有二种类型:
        ① 插入式,将两个热电阻置于管道中,一个热电阻测得气流静止状态下的温度T0;另一个热电阻经功率恒定的电热加温,令其温度高于气流温度为Tv,当流速为零时,Tv最高,随着质量流速ρv的增加,气流传走了更多的热量,使Tv下降,测得温度差△T=Tv-T0,即可知流速大小,从而推算管道中的流量。热敏阻以前多用热电阻,随着MENS技术的日益成熟,也可用薄膜铂电阻取代,性能更为优越;热式流量传感器的优点是:直接测质量流量,灵敏度较高,可测低至0.1m/s的气体流速,因而弥补了差压式均速管流速低于5m/s,以及输出差压过低的不足,而且不存在堵塞问题,缺点是:只能用于测干燥的气体,准确度受气体组分的影响较大,采用铂电阻反应时间十余秒,改用薄膜铂电阻后,已经大为改善,反应时间仅1~2秒。
        插入式多用于测大口径空气管道流量,如监测尾气的流量。
        ②热分布式,将二组电阻丝绕在金属细管的外壁,前后各一组,由恒流电源加热,使其温度高于管内流体的温度,当流体流速为零时,二组热电阻温度相等,没有温差;当流体流速不为零时,将流体上游的热量带给下游,导致上下游电阻丝的温差△T,而△T的大小取决于管道内的流速(即流量),测得△T即可知流量大小。
        热分布式主要用于测微小流量,多应用于半导体工业、食品工业、精细化工等行业。
        科氏质量流量传感器  科氏流量传感器是流体在旋转体系中作直线运动时将产生与质量流量成正比的科氏力,利用测科氏力的大小推出的一种质量流量传感器。在国际上首先开发,并且至今仍处于领先地位的是艾默生旗下的美国高准(Micro Motion)公司,该公司首先于上世纪七十年代中期推出该产品,准确度可高达±0.1%,在全球经济市场化,贸易结算日益要求准确的背景下,近五年得到较大发展,国际市场年增长率达6.9%。国外知名自动化仪表企业,如ABB、E+H、Krohne、Siemens等均有产品,我国仅太原太航、上海毅邦、北京瑞普三元等少数厂家生产。
        科氏流量传感器突出的优点在于:准确度高,可直接测质量流量,无可动部件,不要求有前后直管段,可测液固二相流,除流量外还可测密度等其他参数。不足之处是,目前价格还较贵,约为相同口径电磁的5~10倍;体积/口径比太大。如基本的U型,当口径为0.2米时,高度可至2米;因而至今口径很少超过0.25米,不过最近德国E+H,Krohne均推出一种D系列产品,口径为0.25米,在进口处并联安装了两台口径为0.12米管道,高度降为0.7米,构思巧妙,令人叹服。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 无分类

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