卞正岗: 流程工业中传感器的发展

   日期:2012-07-20     评论:0    
核心提示:传感器作为流程工业检测仪表的一部分或大部分,无论把它看作测量系统中的前置部件、敏感原件、传感器件等,或把它看作检出、变换、传输、处理、存储、显示一体化的器件或装置,都要适应流程工业生产过程的要求。当然传感器发展成检出、变换、传输、处理、存储、显示一体化的器件或装置是大势所趋。

  传感器应用市场,除军用外,可分为工业与汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品、专用设备四大类。而工业中可分为流程工业和机械加工等离散制造业,即对应过程自动化(PA)和工厂自动化(FA)。

  流程工业中,石油、化工、冶金、电力、制药、建材、市政工程等行业,大量使用检测仪表,它测量的变量有热工量、电工量、机械量、物性和成分量、状态量五类。其中最常见的是热工量中的温度、压力/压力强度、流量、物位(液位、界面)以及成分(浓度)等五种。所谓状态量主要指机械运转状态、设备异常状态、产品在线检查、仪表装置状态等。

  传感器作为流程工业检测仪表的一部分或大部分,无论把它看作测量系统中的前置部件、敏感原件、传感器件等,或把它看作检出、变换、传输、处理、存储、显示一体化的器件或装置,都要适应流程工业生产过程的要求。当然传感器发展成检出、变换、传输、处理、存储、显示一体化的器件或装置是大势所趋。

  传感器在流程工业的现场层,遇到的被测物质形态是气态、液态、固态或混合体等多种形态,还具有高温、高压、深冷、真空、高粘度,或高运动速度、强腐蚀、强辐射等特殊性质;现场检测环境比较恶劣、干扰较多;检测一般是长期连续进行的,但也有断续进行的;被测量的参数有多种,而且工艺设备大、中、小多样化,安装位置多样化,取样方式多样化,量值范围也很宽,所以对应的传感器有多种品种规格,供用户选用。除去现场在线应用的传感器以外,还有传感器应用在储运及商品交易过程中,遇到精确度等技术参数的苛刻要求。

  流程工业中传感器的发展, 从原理上来说,主要分电磁法(电阻法、电容法、电感法)、光学法(特别是光电效应及红外法、激光法)、微波法、超声法、核辐射法、半导体效应(磁电效应、压触效应、光电效应、热电效应、气敏特性、湿敏特性)、电化学分析等。另有经常不列入传感器之列的气相色谱分析和质谱分析等,但由于在线分析仪技术的发展,也将会有所突破。从制造工艺上,常规的依赖材料的物理特性及一般机械加工的同时,物性型固态传感器的现代工艺技术得到了发展。前者目前在现场就地式检测仪表中仍大量使用,如就地安装显示的压力表、温度计、转子流量计等,而且弹性元件技术、位移式和力平衡式的机械结构也在发展;以下就后者工艺及现代实际流程工业用传感器产业的发展分项进行叙述。

  在线过程成分分析方面的进展

  上段说到电化学分析及气相色谱分析和质谱分析均以物性和成分量的测量的主要工作原理,以前一直是独立发展。而近十年来,PAT过程分析技术和在线分析仪受到特别重视,发展很快,如上海赛科百万吨乙烯大型工程中,就有各类在线分析仪近450台、气体检测仪1000多台;又如在基金会现场总线FF注册产品中,已有40多种过程物性和成分分析仪表,而且正向小型化/模块化方向发展。

  CPAC化学流程分析中心(Center for Process Analytical Chemistry)是一个研究中心,逐步形成了过程分析的行业组织,于2000年草拟了NeSSI新取样/传感器建议,而且Autoflow、 Parker和Swagelik三家提出了基片设计,CIRCOR和Tescom提出了表面安装组件设计,ABB和Siemens也对建议提出了评论意见,Rosemount则在Swagelik器件的基础上提供了模块化设计的工作原型;这些均推进了微分析器件技术及智能取样系统技术的发展,具体 NeSSI实施分三个阶段。现场总线基金会(FF)与CPAC、NeSSI合作,从而也扩展了FF技术在PAT领域中的地位。例如艾默生公司工业气相色谱 GC700已是第四代产品了,全称为工业气相色谱变送器,可现场安装,减少采样滞后时间,改进了过程控制效率,不需要昂贵的分析小屋和防爆吹扫空气,采用了两个防爆外壳设计,分别放置色谱分析单元和电子变送单元,适用于危险场所的应用,是一种适用范围宽,体积小的多组分离流路的在线过程成分分析仪表。当然它离NeSSI目标还有一段距离。

  制造技术和材料的改进

  流程工业最常用的压力变送器、孔板+差压变送器,占有流程工业检测仪表的半壁江山,它们都是建立在物性型固态传感器技术基础上,即建立在半导体技术和微电子机械系统(MEMS)及SoC片上系统技术基础之上,这些我国已有了一定基础,而且现有的横河、艾默生、霍尼韦尔、西门子等公司的 EJA(EJX)、3051T(3051C)、ST3000、SITRAN P压力变送器和差压变送器,均在10年前已开发成功了,所以,目前我们应该在新的技术基础上,建立起新型的“片上传感”及“片上分析器”、“片上实验室”,在压力变送器、差压变送器市场上占有一定份额,形成新兴产业。

  我国传感器工业、仪表工业基础薄弱,应该使用新式数控机床,努力提高容积式流量计的加工精度,使我国企业在现有技术上有所突破。又如为了满足高温传感器的需求,对钨铼热电偶技术进行攻关,使精度提高、寿命延长,并可稳定地进行批量生产。

  对离散传感器、多变量传感器、带无线通信功能的传感器及兴起的RFID射频识别技术、物联网、传感网等方面,流程工业中的传感器正在增加这方面应用技术的开拓,而且前景看好。

  面对流程工业中正在兴起的加强设备管理、预测性维护技术,传感器应提高智能化水平, 实现数据通信,组成I SM智能传感器管理系统(Intelligent Sensor Management)。如:梅特勒-托利多公司的ISM系统,它的硬件部分由内嵌于传感器的TEDS( 传感器电子数据表格) 、A K电缆线,以及相应的变送器组成,软件包括符合IEEE1451.4的标准通信协议和测量软件。具体实例如PH传感器,可将温度、PH值、玻璃膜阻抗、参比阻抗、零点、响应时间和工作时间等对性能和寿命有影响的参数都记录在传感器头部的TEDS芯片中,并自动传输到变送器,从而在故障发生前采取措施,避免给生产带来损失。

  流程工业是我国现代化的基础,十二五规划中战略性新兴产业中的“高端装备制造”,应做到大量使用传感器,使高端装备有感知、有智能,从而使生产力提高,安全有保障,民生给力,社会和谐。对于传感器来说,已经有了“重大技术突破”及“重大发展需求”,就看我们如何把握好传感器的研制和应用这两个环节了。

 
  
  
  
  
 
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