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单晶硅压力变送器和差压变送器实现高稳定性的

文章作者:红旗仪表(江苏)有限公司发布时间:2020-03-02

  当前高稳定性压力、差压变送器在自动化领域的应用越来越重要,如何发展具备中国自主知识产权的高稳定性压力变送器是中国本土变送器制造厂商面临着的一个非常严峻的问题。然而通过实践表明可以从超稳型单晶硅原理芯片的选择、超稳型单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消除、静压误差的减弱和补偿、仪表量程比的拓宽、接液面的特殊处理以及超高温测量等诸多技术方面的着手和突破,可以大幅提升高稳定性压力、差压变送器的全性能、准确度等级和可靠性。从而弥补国外高端变送器对中国市场的垄断和冲击。
   压力变送器、差压变送器作为一种高精密的测量仪器,在自动化领域的应用非常普遍和意义重大。在大多数的重要工业领域都得到广泛的应用,如火力发电、核电、石油冶炼、化工、钢铁、造纸、制药、食品、水泥制造等领域。然而在这些广泛的应用领域中,由中国人自己研发和制造的中高端压力变送器非常匮乏,几乎完全被美国、日本、德国、瑞士等工业发达国家的压力变送器所垄断。这对当前飞速发展的中国国民经济来说,是一个巨大的安全隐患。所以对于研发和规模化生产具有中国自有知识产权的高稳定性压力、差压变送器显得越来越重要和意义重大。国内企业正是立足于这种国内空白,通过数年的时间从瑞士引进和学习先进技术,以及通过适应国产化生产特点的再研发和大规模试生产验证,最终形成了单晶硅电阻原理的中高端压力、差压变送器生产线。 
1、当前主流高稳定性压力、差压变送器的技术现状分析
当前中国市场上主流的高稳定性压力、差压变送器主要分为三种类型和原理。第一种为以美国制造商研发和生产的金属电容式压力、差压变送器,其代表性的型号为1151,3051系列和3351系列。其工作原理为:外界压差传递到内部的金属电容极板,当极板发生位移后即产生电容量的变化,将这种电容量的变化通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后,就得到压力信号的线性输出。 
1151系列电容式传感器技术由80年代开始引进入中国大陆以后,在国内得到了大规模的仿造和推广,至2016年止国内仿制的制造厂商达到了近100家,比较典型的国内制造商有上海、西安、北京、重庆以及核工业部等仪表公司。国内仪表制造商经过多年的研究和探索,至21世纪初多数厂家开始将1151变送器进行了小型化处理,体积大幅缩小,并且由模拟电路逐渐转变为了数字电路,最终实现准确度等级从0.5级提升到了0.1级。但这种改进没有根本性改变传感器的结构,因此改进后仍存在较大的局限性,其准确度、长期稳定性、EMC性能、静压性能、温度性能等和原装的罗斯蒙特3051C/S产品相比差距非常大。最终导致国内的变送器仍然远远落后于发达国家的形势。 
然而,美国3051C/S系列变送器,却在1151的基础上进行了革命性的改进,实现了结构隔离、悬浮、电路可靠性提升等大量的实质性改进。其准确度等级实现了0.05级的跨域。但是,这种3051C/S压力变送器所带来的技术难度和技术壁垒,不能有效的被中国本土企业突破,因此几乎所有的中国制造厂家均放弃了电容式变送器的进一步探索和研究。
第二种为日本制造商研发和生产的单晶硅压力变送器、差压变送器,其代表性的型号为横河EJA和EJX系列。其工作原理为:外界压差传递到内部的单晶硅谐振梁,谐振梁在压力的作用下产生了一对跟随压力变化的差动的频率信号,将这对差动的频率信号通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后,就得到压力信号的线性输出。 
横河EJA系列单晶硅谐振式变送器,较之电容式传感器其生产过程中的制造成本控制有一定的优势。主要的优势体现在温度和静压补偿环节中,即:双谐振回路的原始差动信号输出,而此差动信号不被温度和静压的影响,因此对于后期的变送器的温度补偿和静压补偿等工序环节操作较为简便。其最终的准确度等级到达0.065级,稍逊色于罗斯蒙特3051C/S系列。但是由于单晶硅谐振梁芯片的批量生产技术被日本横河公司垄断,这种单晶硅谐振梁芯片所带来的技术难度和技术壁垒,同样不能有效地被中国本土企业突破,因此几乎所有的中国制造厂商均放弃了单晶硅谐振式变送器的进一步探索和研究。
第三种为德国、瑞士为代表的单晶硅电阻式压力、差压变送器。其工作原理为:外界压差传递到内部的单晶硅全动态的压阻效应惠斯登电桥,惠斯顿电桥在压力的作用下产生一个跟随压力变化的电压信号输出,将这个电压信号通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后,就得到压力信号的线性输出。
这种单晶硅电阻式传感器的输出灵敏性高、信号量大、回差极小,并且电路设计较为简洁可靠,所以国际上较多变送器制造厂商优先采用此方案进行高端变送器的研发和制造。但是较之上文提及的金属电容式传感器和单晶硅谐振式传感器, 单晶硅电阻芯片的应用具有较为特殊的工艺要求。主要表现在硅芯片的无应力封装技术和硅薄膜的单向过载保护技术方面。这两项应用技术在2000年之前牢牢掌握在西方发达国家手中,从2010年之后,国内企业通过从瑞士ROCKSENSOR的技术合作、引进和再研发,最终充分掌握了多项相关技术,因此实现了高稳定性硅压力、差压变送器在国内大规模制造,其DW3351系列的高稳定性单晶硅变送器的准确度等级达到了0.05级,缩短了与以上工业发达国家知名品牌变送器的差距。

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