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壓力(差壓)變送器作為一種高精密的測(cè)量?jī)x器，在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍且意義重大。壓力(差壓)變送器在大多數(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(guó)人自己研發(fā)和制造的中變送器非常匱乏，幾乎*被美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品所壟斷。這對(duì)當(dāng)前飛速發(fā)展的中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的安全隱患。所以對(duì)于研發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器顯得越來(lái)越重要。上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司正是立足于這種*，通過(guò)四年的時(shí)間從瑞士引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，以及通過(guò)適應(yīng)國(guó)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，zui終形成了一條單晶硅電
1、當(dāng)前各國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀分析
當(dāng)前中國(guó)市場(chǎng)上主流的高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器主要分為三種類型，原理說(shuō)明如下。
*種為以美國(guó)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(hào)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(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。
1151系列電容式傳感器技術(shù)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)入中國(guó)大陸以后，在國(guó)內(nèi)得到了大規(guī)模的仿造
和推廣。至2014年國(guó)內(nèi)仿制的制造廠商達(dá)到了近100家，比較典型的國(guó)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(guó)內(nèi)儀表制造商經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，至21世紀(jì)初多數(shù)廠家開(kāi)始對(duì)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)閿?shù)字電路，zui終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度等級(jí)從0．5級(jí)提升到0．1級(jí)。但這種改進(jìn)沒(méi)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、EMC性能、靜壓性能、溫度性能等和原裝的3051C/S相比差距非常大，zui終導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的變送器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的形勢(shì)。美國(guó)3051C/S系列變送器在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(jí)實(shí)現(xiàn)了0．05級(jí)的跨域。但是，這種3051C/S變送器所帶來(lái)的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，不能有效地被中國(guó)本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國(guó)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(差壓)變送器，其代表性的型號(hào)為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)生一對(duì)跟隨壓力變化的差動(dòng)的頻率信號(hào)，將這對(duì)差動(dòng)的頻率信號(hào)通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)的線性輸出。
較之電容式傳感器，EJA系列單晶硅諧振式變送器生產(chǎn)過(guò)程中的制造成本控制有一定的優(yōu)勢(shì)。主要的優(yōu)勢(shì)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(dòng)信號(hào)輸出，而此差動(dòng)信號(hào)不受溫度和靜壓的影響，因此對(duì)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(jiǎn)便。其zui終的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0．065級(jí)，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)被日本公司壟斷，這種單晶硅諧振梁芯片所帶來(lái)的技術(shù)難度和技術(shù)壁壘，同樣不能有效地被中國(guó)本土企業(yè)突破，因此幾乎所有的中國(guó)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(guó)、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(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯頓電橋，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(hào)輸出，將這個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)電子電路收集、放大和軟件補(bǔ)償處理后，就得到壓力信號(hào)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(hào)量大、回差極小，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，所以上較多變送器制造廠商優(yōu)先采用此方案進(jìn)行變送器的研發(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(wú)應(yīng)力封裝技術(shù)和硅薄膜的單向過(guò)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(guó)家手中。從2010年之后，上海洛丁森通過(guò)從瑞士ROCKSENSOR的技術(shù)合作、引進(jìn)和再研發(fā)，zui終充分掌握了多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性硅壓力(差壓)變送器在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模制造，其RP1000系列的高穩(wěn)定性變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0．05級(jí)，超過(guò)了以上工業(yè)發(fā)達(dá)*的變送器。
2、RP1000系列產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)
2．1單晶硅感器工作原理
硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
RP1000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(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯頓電橋。該壓阻效應(yīng)惠斯頓電橋和彈性元件(即其N型硅基底)結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過(guò)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)果是使膜片的
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(duì)應(yīng)的信號(hào)。惠斯頓電橋的輸出信號(hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化呈線性關(guān)系的4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
對(duì)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?jí)毫?對(duì)于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以真空作為參考?jí)毫?對(duì)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。膜片受壓示意圖如圖2所示。
在正負(fù)腔室的壓差作用下，測(cè)量硅膜片(即彈性元件)引起變形彎曲，當(dāng)壓差P小于測(cè)量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時(shí)，彎曲可以*復(fù)位。當(dāng)壓差P超過(guò)測(cè)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(cè)量硅膜片無(wú)法恢復(fù)到原位，導(dǎo)致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測(cè)量偏差。當(dāng)壓差P達(dá)到或超過(guò)測(cè)量硅膜片能承受的zui高應(yīng)力σb后，測(cè)量硅膜片破裂，直接導(dǎo)致傳感器損壞。因此，通過(guò)阻止或削弱外界的過(guò)載壓差P直接傳遞到測(cè)量硅膜片上，可以有效保護(hù)傳感器的測(cè)量精度和壽命。這就引出了對(duì)單晶硅芯片進(jìn)行過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
2．2RP1000過(guò)載保護(hù)的特性
為克服單晶硅硅片抗過(guò)載能力不足的缺陷，RP1000配備了一種具有單向壓力過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器，帶過(guò)載保護(hù)的差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
該單向壓力過(guò)載保護(hù)差壓傳感器不僅能測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)載而引起的損壞。當(dāng)有超過(guò)差壓測(cè)量硅膜片允許工作范圍的差壓出現(xiàn)時(shí)，中心隔離移動(dòng)膜片向低壓一側(cè)移動(dòng)，并使高壓一側(cè)的外界隔離膜片和腔室內(nèi)壁重合，使得高壓側(cè)硅油全部趕入腔室內(nèi)，從而無(wú)法向單晶硅芯片進(jìn)一步傳遞更高的壓力值，zui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。正腔過(guò)載示意圖如圖4所示，圖4中，P1為正腔側(cè)壓力，P2為負(fù)腔側(cè)壓力。當(dāng)P1＞P2時(shí)，導(dǎo)致隔離膜片向負(fù)腔側(cè)移動(dòng);反之當(dāng)P2＞P1時(shí)，隔離膜片將向正腔側(cè)移動(dòng)。
RP1000的這種抗過(guò)載設(shè)計(jì)方法有效地保護(hù)了單晶硅芯片的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，尤其在有水錘現(xiàn)象存在的工況場(chǎng)合更加能夠突出其*性。
2．3RP1000*的量程比
由于單晶硅芯片的輸出信號(hào)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，這對(duì)于后端的電子電路和軟件較為容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)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*，其常用變送器的量程可調(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，大幅拓寬了變送器的可調(diào)節(jié)范圍，對(duì)用戶的應(yīng)用較為方便和有意義。
3臺(tái)經(jīng)抽樣的RP1001差壓變送器經(jīng)過(guò)10∶1量程縮小和100∶1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果如表1所示。
滿量程為0～250kPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～25kPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～2．5kPa。
從試驗(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%，仍然能夠保持優(yōu)于0．05級(jí)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%，其仍然可以保持優(yōu)于0．25級(jí)的準(zhǔn)確度。3臺(tái)經(jīng)抽樣的RP1002壓力變送器經(jīng)過(guò)10∶1量程縮小和100∶1量程縮小后的準(zhǔn)確度考核結(jié)果如表2所示。滿量程為0～40MPa，按10∶1縮小后的量程變更為0～4MPa，按100∶1縮小后的量程變更為0～400kPa。從試驗(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%，仍然能夠保持0．05級(jí)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%，其仍然可以保持優(yōu)于0．25級(jí)的準(zhǔn)確度。
2．4RP1000*的壓力滯后特性
壓力滯后特性也稱回程誤差特性，俗稱回差。它對(duì)于壓力(差壓)變送器來(lái)說(shuō)是一個(gè)較為重要的考核指標(biāo)?；夭畹拇笮≈苯佑绊懙阶兯推鞯臏y(cè)量準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期漂移性能。
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如圖5所示。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(kāi)口狀，直接影響到變送器的輸出精度。
2．5RP1000*的靜壓特性
壓力(差壓)變送器在測(cè)量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對(duì)流量較小時(shí)，影響更大。
例如一臺(tái)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≤±2%FS，雖然其零位誤差可以通過(guò)調(diào)零來(lái)消除，但是滿位輸出誤差無(wú)法避免。因此，此靜壓誤差直接影響流量的測(cè)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(guò)補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測(cè)量精度將會(huì)得到大幅提高。
RP1000差壓變送器采用*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。
有工作靜壓加載到測(cè)量硅片的正負(fù)腔時(shí)，工作靜壓通過(guò)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(cè)量硅片上，并實(shí)現(xiàn)了相互抵消，從而使得測(cè)量硅片對(duì)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7所示為RP1000微差壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
在微差壓變送器的應(yīng)用場(chǎng)合，由于微差壓信號(hào)量過(guò)小，對(duì)于靜壓影響造成的影響非常敏感，上述*的封裝設(shè)計(jì)和工藝仍不能*消除或減弱靜壓影響量。
因此，RP1000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(cè)量工作靜壓的絕壓傳感器。
此絕壓傳感器可以將測(cè)得的工作靜壓信號(hào)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(dòng)修正微差壓輸出信號(hào)，從而達(dá)到靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ堋?BR>通過(guò)*的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了RP1000差壓變送器的工作靜壓性能，從而保證了差壓變送器的測(cè)量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。
2．6RP1000*的膜片特性
相比于美國(guó)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，RP1000差壓傳感器采用了更為先進(jìn)的無(wú)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(wú)縫隙，*，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(méi)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(chǎng)合差壓變送器的使用壽命。
2．7RP1000*的超高溫特性
當(dāng)介質(zhì)溫度超過(guò)350℃應(yīng)用時(shí)，壓力(差壓)變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過(guò)程中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(wèn)題。這就要求應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)有一定的工作靜壓，從而形成背壓來(lái)保證膜盒的正常工作。但這會(huì)造成壓力(差壓)變送器的遠(yuǎn)傳液位測(cè)量應(yīng)用范圍受到限制。
RP1000采用了超高溫介質(zhì)的測(cè)量技術(shù)，其介質(zhì)的可測(cè)量溫度達(dá)到了400℃。如圖8所示的超高溫遠(yuǎn)傳的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(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400℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的黏度較高，不適合充入毛細(xì)管進(jìn)行壓力傳遞。因此，通過(guò)中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力P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。
2．8RP1000特性綜述
通過(guò)以上對(duì)RP1000系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡(jiǎn)要地闡述了RP1000單晶硅高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無(wú)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(cè)量的拓展等多方面來(lái)提升高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性。通過(guò)以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)和消化，再加入創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，使得RP1000系列高穩(wěn)定性壓力(差壓)變送器達(dá)到了先進(jìn)水平。其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)說(shuō)明如下。
①準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0．05級(jí)，并取得中國(guó)大陸zui高等級(jí)的計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了先進(jìn)水平。
②微差壓變送器采用*的雙過(guò)載保護(hù)膜片技術(shù)，測(cè)量精度可達(dá)±0．075%，zui大的工作靜壓達(dá)到16MPa，zui小的測(cè)量差壓為－50～50Pa，達(dá)到了先進(jìn)水平。
③差壓變送器zui高工作靜壓可達(dá)40MPa，單向過(guò)載壓力zui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(chǎng)工作靜壓的測(cè)量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補(bǔ)償。變送器的靜壓性能，典型規(guī)格的靜壓誤差*為≤±0．05%/10MPa。同時(shí)，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了RP1005多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測(cè)量領(lǐng)域，*國(guó)內(nèi)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，*為≤±0．04%/10K。
⑥6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用*無(wú)傳壓損耗過(guò)載保護(hù)膜片技術(shù)，單向過(guò)壓zui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。
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