工业控制中的传感器

作者：中国仪器仪表行业协会现场总线专业委员会 卞正岗

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 传感器的应用领域广泛，近年来由于智能化、信息化的需求强劲，作为提供信息的源头，传感器对于感知客观世界是不可或缺，年增长率一般在20%左右。应用市场普遍划分为汽车电子产品、工业控制领域、消费电子产品。根据高工物联网统计，我国2010年传感器整体市场规模为402亿元人民币，上述三个领域所占市场份额如表1。专用设备和其它物流/煤矿安全/安防设备约为55亿元（13%）、65.2亿元（16.3%）。从发展前景来看，工业控制市场应用传感器的潜力最大，此外通信市场中采用传感器的市场还有待开发，无线通信领域中的传感器是物联网的最爱，前途不可限量。 工业控制用传感器 工业控制领域包括了连续控制和离散控制，或称用于原材料生产的流程控制或流程工业自动化和机械产品（包括了汽车生产线或家电等电子产品）生产线的工厂自动化，通常用PA和FA来表示，而它们所用的传感器又按测量对象分为：⑴测量温度、压力、流量、液位（或料位）等热工量的传感器；⑵测量电压、电流、功率等电工量的传感器； ⑶测量气体成分、液体成分、固体成分、浓度、密度、粒度、黏度、酸碱度（PH）等物性与成分量的分析仪表或传感器；⑷测量位移、速度、加速度、力、力矩、应力、重量、振动、长度等机械量的传感器；⑸测量机械运转状态（起停、位移接近、声音等）、设备异常状态（过热、泄漏、变形、腐蚀、磨损等）、产品在线检查（表面质量、疵点、形状）、仪表装置状态（绝缘、断线、接地等）的状态量对应的仪表或传感器。其中⑴⑵⑶项主要用于流程工业。实际工业传感器结合工作原理，可以划分为压力传感器、光电传感器、电感传感器、视觉传感器、电容传感器、电阻传感器、超声传感器和微波传感器八类。在我国工业控制用传感器主要由国外厂商占主导地位，例如：日本欧姆龙、美国邦纳、德国图尔克、德国巴鲁夫、德国倍加福、德国施克、瑞士科瑞等公司。 流程工业中变送器或其它自动化仪表主要由传感器、测量电路和过程连接件等部分组成，而且愈来愈趋向于一体化，所以工业控制用变送器，特别是压力、差压变送器成为焦点，高端供给基本由横河、艾默生（罗斯蒙特）、西门子等外国公司把持，其它还有霍尼韦尔、ABB、罗托克等公司，在变送器和自动化仪表、传感器方面均占有一定份额。 在传感器应用中选型、安装、调试、维护都有很多技术问题有待解决，但更重要的是推广应用，做出范例，扩大应用领域。 可燃气体传感器的应用 近年来，气体传感器得到了很大的发展，特别是目前大中型炼油、石化、化工的流程工业和海上油气田平台等有可燃气体、有毒气体的现场，均采用了带有气体传感器的火气系统，使这方面需求大增，产量大增，如郑州炜盛电子科技公司现在年产350万只、8大系列、130多个品种的气体传感器，是国内这方面产品的第一家上市公司。 关于选型问题，如某石化设计部门建议：可燃气体传感器一般选用催化燃烧型（接触燃烧型）气体传感器；氢气（H2）可选用电化学型和半导体型气体传感器；有毒气体可选用电化学型气体传感器等。海洋石油系统现场设置包括火焰探测传感器、热探测传感器、烟探测传感器、可燃气体探测传感器等，具体井口区、生产区、公用区、中控室、电池间、生活区有一定差别，需合理布置，电池间还要配有氢气浓度传感器等。 水质传感器 由于环境检测和流程工业现场的需要，水质传感器和仪表也属热点。由于测量原理多样化及现场多年运行维护的经验积累，PH酸度计等已经有很大改进，即使是玻璃电极也做得很精巧、皮实、易换、易校正，具体如E+H公司的产品，已取得专利。 下面介绍的是梅特勒-托利多公司的智能TOC传感器，可以在线、连续、快速监测总有机碳指标，5000 TOCe型传感器采用紫外线氧化结合电导率微分的方法，可精确测定总有机碳的含量。Thornton高性能电导率传感器能连续可靠地测量样品氧化前后的电导率，内置的螺旋石英管设计，使样品连续不断地流过传感器，样品最大限度地暴露在185纳米的紫外光下，这样样品能充分氧化且测量时间很短，不需要试剂或化学药品，且没有活动的机械部件。它在制药行业用水的生产中应用得很成功，具体可满足纯化水、注射用水、高纯水中TOC周期性检测的需求，而且可在100℃温度下正常运行，从而满足了蒸汽和热水消费的检测要求。 物性分析传感器 在实际工业自动化行业中，常把物性和分析两方面划分为湿度、水分、黏度、密度、浓度、浊度、酸度、力度以物性为主的传感器或仪表为一类，及以电化学、热学、色谱、质谱、射线等分析仪表等以分析为主的传感器或仪表为另一类。第一类中也含有光学、电化学原理的传感器，第二类中特别是色谱、质谱仪分四部分（取样和预处理、检测器/传感器、测量及信号处理、显示），由于检测器/传感器的特殊性，又不常为传感器产业所包容，所以分析仪表好像成了传感器产业的禁区。特别是现代半导体工艺、MEMS微电子机械工艺及纳米技术及过程分析技术发展的今天，这些观念都显得有些陈旧了。下面回到浓度传感器在流程工业中的应用上来。 用以表征由于不溶性物质的存在而引起液体透明度降低程度的物理量称为浊度，透明度的测量方法当然以光学为基础，目前有透射式、散射式、透射光和散射光比率、表面散射式、双光束调制式、光纤式等浊度计，例如，梅特勒-托利多公司InPro 8200/Trb 8300浊度测量系统解决了抗生素生产中人工操作判断结晶点所带来的困扰。 据统计，85%以上的医药制品都呈晶体形态，医药制品通过改进工业结晶过程，可以提高产品收率，改善产品纯度、外观以及粒度分布等质量相关性状。扩大来说，采用结晶罐或反应罐这种工艺装备的产业很多，如制糖工业、石化行业等，比比皆是，它属于间歇控制，常规控制能解决一般控制中的问题，如结晶工艺从结晶温度、PH值、搅拌转速等方面改善药物晶型，收到较好效果，而结晶结束控制以人工目测为主，所以出晶点判断失准时常发生。梅特勒-托利多公司浊度测量系统可自动响应，根据实时检测数据，找出结晶析出点，从而实时调整结晶罐的真空度、搅拌速度，并适时结束结晶过程。鲁抗医药等企业也有成功的实践经验。经验证明，结晶率为83%以上，产品纯度在98.5%以上，而且生产稳定。 最后要说明一点，成功的应用必须是：和不可缺少传感器一样，传感器和系统结合也是不可缺少的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/10/2012)