流程工业用传感器与仪表技术

作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先

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, ... 流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地 位的石油、化工、冶金、电力、制药、建材、轻工、 造纸、环保等工业行业。在流程工业中，基本上以连续生产为主，一旦检测和控制出现故障，将导致整个生产停滞，甚至导致安全事故的发生。恢复这种非正常的生产中断需要付出大量的资源和设备损耗，对企业造成重大经济损失。因此研制出高可靠性、高稳定 性、高安全性的传感器和智能仪器仪表对大型流程工 业安全生产、节能增效具有重大意义。 传感器与仪器仪表的关系 传感器定义：能感受被测量并按照一定的规律转 换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和 转换元件组成。 敏感元件（sensing element），指传感器中能直接 感受或响应被测量的部分。转换元件（transducing element），指传感器中能将 敏感元件感受或响应的被测量换成适于传输或测量的 电信号部分。 当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。 传感器专业领域的分类有多种形式： 按转换原理可分为应变式、压电式、压阻式、电 容式、电感式、电化学式、光纤式等；按被测量可分为力、热（或温度）、光、磁、速 度、气体、湿度、生物等传感器； 按输出量可分为模拟量传感器和数字量传感器； 按是利用结构参数的变化还是利用材料的物理 （或化学）特性的变化进行信号转换，可分为结构型 传感器和物性型传感器。两种特征兼有的为复合型传感器。 仪器仪表定义：具有测量和控制功能的器具和装 置的总称。仪器仪表的各类器具或装置，其尾名通常 冠以“仪、器、表、计、机、系统”等字样。目前仪 器仪表已发展成为“光、机、电、算”相结合的一体 化产品。功能型器具如家电、计算机、通讯、手机、传真 机、复印机等，因不具备测量、控制功能，故不能称 为仪器仪表。仪器仪表有24个被测参数、24种测量方法、24类 产业。传感器是仪器仪表重要组成部分，是仪器仪表的 核心和关键，传感器的性能和品质直接关系到仪器仪 表的性能和品质，特别是传感器的可靠性、稳定性、一致性对仪器仪表的相关性能起着举足轻重之作用。 传感技术与仪器仪表技术相互关联又互为依存。 流程工业用传感器及仪器仪表 流程工业是指在我国国民经济中占有重要经济地 位的石油、化工、冶金、电力、制药、建材、轻工、 造纸、环保等工业行业。在流程工业中，基本上以连续生产为主，一旦检测和控制出现故障，将导致整个生产停滞，甚至导致安全事故的发生。恢复这种非正常的生产中断需要付出大量的资源和设备损耗，对企业造成重大经济损失。因此研制出高可靠性、高稳定 性、高安全性的传感器和智能仪器仪表对大型流程工 业安全生产、节能增效具有重大意义。在流程工业过程控制领域，传感器及智能化仪器仪表所起到的关键作用更是无可替代。在石化、制 药、化工、冶金、电力、核工业等各种过程工业的各 类设备、装置、生产线上，传感器的身影无所不在。 流程工业传感器和仪器仪表共性关键技术 作为流程工业过程自动化重要基础技术的传感器及智能化仪器仪表在我国要得到长远发展，需要解决以下共性技术： 工业用传感器基础技术研究 传感器是信号检测、控制的基础，也是信息技术 发展的重要支撑。不论是工业过程的温度、压力、流量、质量、液位、成分、电流、电压、速度、扭力、振动等物理信号，还是伴随信息技术和物联网发展的 图像、人机交互、声音等感知信号，都以传感器技术为基础，将物理信号通过感知转化为电压、电流、频 率等电信号。针对工业传感器应用于连续生产运行的 工业现场，还必须具有感知范围宽、精准度高、稳定性好、寿命长等特点，针对特殊的场合，还必须具有抗强电磁干扰、防腐蚀、耐高温、强放 射性等要求。半导体技术研究新型传感器都采用了半导体MEMS 技术并进行了一体化封装，使得传感器集成度更高、体积更小、稳定性更好。 例如日本横河的EJA系列压力变送 器单晶硅谐振式传感器，该传感器是通过MEMS技术在单晶硅芯片的中间和边缘上制作两个形状大小完全一致的H形的振动梁，当硅片两面受力形成形变，两个谐振梁分别受到压缩力和扩张力，导致振动频率变化，通过两个频率之差 的检测可实现对压力的测量。日本富士 FCX-AIII采用的是单晶硅微电容式压力 传感器，该传感器是通过MEMS技术，通过三明治结构，制造出典型的金属电 容传感器的构造，通过压力差作用下形 成的电容变化量来实现测量压力。特种材料科学与技术研究 传感器是特种材料对物理状态的变化而发生的感知，而且为了适应特种环 境下使用，产品封装也需要特种材料， 从而适应不同环境下传感器和仪器仪表 的稳定性。 信号处理技术 作为物理感知的传感器信号具有 信号弱、不稳定、非线性等特点，必须 研究信号特征并进行信号处理，包括高 保真放大、信号补偿、信号滤波、非 线性校正、模数A/D转换等，部分干扰环境还需要信号隔离，转化为反映物理 特征的高精度的标准化电信号或者数字信号，实现传感器和智能仪器仪表高精度、稳定性、长期使用的技术要求。 一般传感器的输出信号较弱，不适合作远距离传输。为了减小干扰，通常采用4～20mA电流输出的双绞线变送 器。信号模拟处理的变送器，由于电 路的复杂性的限制，非线性补偿效果不理想，很难在全温度范围内实现温度补 偿，因此达不到较高的精度要求。随着数字信号处理技术的发展，信号处理的 实时性和算法处理能力大幅度提升，抗干扰能力大幅度增强，给传感器和智能仪器仪表的发展提供了空间。 高智能化技术 嵌入式计算机技术发展推动了智能测量技术和信号处理技术，能实时 实现自动化增益、智能校正、自动补 偿、复杂算法、多变量处理、时间序 列记录分析、智能诊断、智能配置管 理等等，使得单台智能仪器仪表就能 实现智能控制。智能化传感器由于采 用数字化处理技术，还具有较高的精 度、分辨率和稳定性。高可靠性技术可靠性技术是传感器和智能仪器仪表的关键技术，保证部件具备工 业级应用要求，设备平均无故障时间（MTBF）超过10万小时。 目前我国传 感器和智能仪器仪表在一般功能、性能方面已经基本满足过程生产的要求，但 是在重大生产装备上产品可靠性和安全 性设计和验证还远远不够。随着石化、 冶金、电力等重大装置行业工程应用研 究的推进，工业用传感器和智能仪器仪 表必须完成可靠性研究，通过理论研 究、量化分析和工程试验，形成国产传感器和智能仪器仪表可靠性设计、制造、测试验证技术，保证各个关键指标均能达到国际先进水平，在大型流程工业中得以推广应用。 数字化通讯技术数字化技术出现推动了以数字化和 现场总线为基础的工业通讯技术进步，支撑了工业信息化技术和工业物联网技 术发展，同时给传感器和智能仪器仪表 拓展了空间。随着通信技术的进步，传感器和智 能仪器仪表从最初采用二线制II/III型标准 模拟信号进行单向传输的集中式检测与 控制系统，正朝着基于数字总线（如现场总线、工业无线传感网）技术的泛在 系统方向发展。研究基于国际现场总线 协议的协议集成技术，实现主流现场总线协议（如FF、HART、EPA、Modbus、 Profibus等）的实时数据和管理数据集 成技术，开发相应的通讯协议栈软件平台，将不同类型传感器和智能仪器仪表 转换为统一的协议格式的数字化信息。低功耗技术随着信号处理技术、基于集成电 路数字化传感技术的飞速发展和广泛应用，由功耗所引发的能源消耗、封装成本、以及高集成度芯片散热等问题日益突显，低功耗技术己成为当今传感器和智能仪器仪表设计的一个研究重点。 研究低功耗技术，需要从传感、信号处理与运算、数字化通讯等各个方面研究低功耗技术。低功耗技术的研究主要涉及了传感技术本身、信号处理电路设计以及工艺、封装等多个层面。低功耗技术是一个复杂的综合性课题，就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等；就设计抽象层次而言，包括从系统 级到单元级的所有抽象层次。研究传感器和智能仪器仪表低功耗技术，针对传统信号传输和HART智能信号的仪器仪表 要求实现低至3.5mA（20~26V总线供电） 的功耗，部分传感器测控功耗要求达到 uA级别，具备非接触式供电能力。 高安全性技术随着工业系统的日趋复杂，工业现场的安全保障都是工业控制系统重点解 决的问题，尤其是保证控制系统安全可 靠的运行。安全仪表系统监视生产过程 的状态，在危险条件出现时采取相应措 施，防止危险事件发生，避免并减轻潜 在的危险对人身、设备、环境造成伤害 和损失。安全仪表系统与普通控制系统 的核心区别在于系统本身不会失效，即使元器件的失效不可避免，也可以将失效控制在系统可预见的范畴内。安全仪 表系统不是针对原有控制系统某一方面 的改进，而是一种全新的设计理念，是 一种从功能需求到系统设计、从系统实 施到运行维护的全过程的安全保障。 西方发达国家安全传感器技术与仪 器仪表产品已经应用到各种自动化系统 中，一些传统的标准自动化产品供应 商，如横河、艾默生等，纷纷推出其满 足IEC61508（功能安全的基本标准）和 IEC61511（过程控制的功能安全标准） 的功能安全产品和实现办法及措施。 研究流程工业安全技术与仪器仪表 风险评估、自诊断、软件可靠性、安全 验证等关键技术，掌握具有自主知识产权 的安全核心技术，开发智能安全仪表。 国际标准化设计 我国仪器仪表在国际标准化技术的 采用还不充分，重大工程仪器仪表往往 要求通过或者符合国际标准，如信号量制、信号规约、现场总线、安全性、抗干扰能力、安装结构等等，而国内智能 仪器仪表在标准化技术的研究和应用方面还有较大差距。针对不同应用，需要 研究工业过程传感器和智能仪器仪表的标准，提高传感、检测的标准化和开放性。 工业化批量制造技术工业过程的信号类型多、安装结构多变，因此仪器仪表的品种多，需要传 感和检测温度、压力、流量、质量、液 位、成分、电流、电压、速度、扭力、振动等物理信号，而且每个量程范围、 信号类型等种类繁多，在炼油、化工、 冶金、电力等重大工程中需要各种门类 的高质量、高精度、高稳定传感器和智 能仪器仪表。 规模工业化制造需要加以突破。 我国目前传感器和仪器仪表生产与制造主要特点是小、散、弱。在国家政策和 相关产业规划中，以院校和研究所为主体，部分领域的技术已经得到了提升，但是这种“点”上的突破并没有带动行业整体的进步，因为研究机构所取得的成果没有和企业、用户结合，工艺基础和生产条件差，批量化制造质量和成本控制难以实现，制造业本身亟待从大 向强转变，在资源有限的情况下，集中人力、财力和物力首先在传感器及智能化仪器仪表的制造上突破，正是实现制 造业转型升级的神来之笔。要实现传感 器及智能化仪器仪表在制造规模上的突破，我们需要切实提高：工业化制造的批量生产工艺，实现规模效应；质量 控制能力的提升，实现规模产品生产 成品率；智能、高效的生产、检验、 测试设备，提高生产效率；智能仪器仪表的齐套率，满足流程工业生产装置应用需求。传感器及智能化仪器仪表是多门学科综合的产品。它的研发、生产和应用是一个系统工程，综合运用了半导体、 微电子、材料、计算机、通讯、光学、 声学、计量、激光、控制等诸多信息电 子技术,集微电子生产、软件设计、硬件设计、机械加工、网络集成等于一体。 从其服务对象而言，几乎涉及国民经济 的一、二、三产业，其中尤以工业应用 最为广泛，应用范畴涉及石油、化工、 机械、化肥、冶金、发电、生化、建 材、造纸、食品、陶瓷、环保设备等国 民经济支柱产业。针对工业应用需求和 现代信息化发展趋势，传感器及智能化仪器仪表在实现测量、信号传输等基本要求，必须达到高精度、高稳定性、高环境适应性、长寿命、智能化等要求，部分传感器还需要具有极端环境下（如 高温、强腐蚀、超低温、失重、强磁、 强放射性等）应用技术要求。(end)

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