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    单晶硅压力变送器和差压变送器完成高不变性的技术阐发与申明

    颁发时间:2019-08-09 点击次数: 技术支撑:15601403222
    当前高不变性压力、差压变送器在主动化范畴的使用越来越次要,若何成长具有中国自主学问产权的高不变性压力变送器是中国本土变送器制造厂商面临着的一个很是严峻的问题。然而经由实践表白能够从超稳型单晶硅道理芯片的选择、超稳型单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消弭、静压误差的减弱和弥补、仪表量程比的拓宽、接液面的特殊处置以及超高温丈量等诸多技术方面的动手和冲破,能够大幅汲引高不变性压力、差压变送器的全机能、精确度等第和靠得住性。从而填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丈量仪器,在主动化范畴的使用很是遍及和意义严重。在大大都的次要工业范畴都获得遍及的使用,如火力发电、核电、石油冶炼、化工、钢铁、造纸、制药、食物、水泥制造等范畴。然而在这些遍及的使用范畴中,由中国人本人研发和制造的中高端压力变送器很是匮乏,几乎完全被美国、日本、德国、瑞士等工业发家国度的压力变送器所垄断。这对当前飞速成长的中国国民经济来说,是一个复杂的平安隐患。所以对于研发和规模化生产具有中国自有学问产权的高不变性压力、差压变送器显得越来越次要和意义严重。国内企业恰是安身于这类国内空白,经由数年的时间从瑞士引进和进修前辈技术,以及经由顺应国产化生产特点的再研发和大规模试生产验证,最终构成为单晶硅电阻道理的中高端压力、差压变送器生产线。 

    1、当前支流高不变性压力、差压变送器的技术现状阐发
    当前中国市场上支流的高不变性压力、差压变送器次要分为三品种型和道理。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。其工作道理为:外界压差传送到内部的金属电容极板,当极板发生位移后即发生电容量的变化,将这类电容量的变化经由电子电路收集、放大和软件弥补处置后,就获得压力信号的线性输出。 

    1151系列电容式传感器技术由80年代起头引进入中国大陆当前,在国内获患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,比力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。国内仪表制造商颠末多年的研究和摸索,至21世纪初大都厂家起头将1151变送器进行了小型化处置,体积大幅缩小,并且由模仿电路逐步改变为了数字电路,最终完成精确度等第从0.5级汲引到了0.1级。但这类改良没有根赋性改变传感器的布局,因而改良后仍具有较大的局限性,其精确度、持久不变性、EMC机能、静压机能、温度机能等和原装的罗斯蒙特3051C/S产物比拟差距很是大。最终导致国内的变送器仍然远远掉队于发家国度的形势。 

    然而,美国3051C/S系列变送器,却在1151的底子长进行了革命性的改良,完成告终构隔离、悬浮、电路靠得住性汲引等大量的本色性改良。其精确度等第完成了0.05级的跨域。可是,这类3051C/S压力变送器所带来的技术难度和技术壁垒,不能无效的被中国本土企业冲破,因而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摸索和研究。

    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。其工作道理为:外界压差传送到内部的单晶硅谐振梁,谐振梁在压力的传染感动下发生了一对跟班压力变化的差动的频次信号,将这对差动的频次信号经由电子电路收集、放大和软件弥补处置后,就获得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构成本节制有必然的劣势。次要的劣势体此刻温度和静压弥补环节中,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,因而对于后期的变送器的温度弥补和静压弥补等工序环节操作较为简练。其最终的精确度等第达到0.065级,稍减色于罗斯蒙特3051C/S系列。可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,这类单晶硅谐振梁芯片所带来的技术难度和技术壁垒,同样不能无效地被中国本土企业冲破,因而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摸索和研究。

    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。其工作道理为:外界压差传送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传染感动下发生一个跟班压力变化的电压信号输出,将这个电压信号经由电子电路收集、放大和软件弥补处置后,就获得压力信号的线性输出。

    这类单晶硅电阻式传感器的输出活络性高、信号量大、回差极小,并且电路设算计为简练靠得住,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。可是较之上文说起的金属电容式传感器和单晶硅谐振式传感器, 单晶硅电阻芯片的使器具有较为特殊的工艺要求。次要表此刻硅芯片的无应力封装技术和硅薄膜的单向过载庇护技术方面。这两项使用技术在2000年之前牢牢控制在西方发家国度手中,从2010年之后,国内企业经由从瑞士ROCKSENSOR的技术互助、引进和再研发,最终充实控制了多项相关技术,因而完成了高不变性硅压力、差压变送器在国内大规模制造,其DW3351系列的高不变性单晶硅变送器的精确度等第达到了0.05级,缩短了与以上工业发家国度出名公司变送器的差距。

    单晶硅变送器 http://yunrun.com.cn/product/list_124_1.html 

    2、DW3351系列高不变性单晶硅压力变送器、单晶硅 差压变送器的完成
    2.1 单晶硅压力传感器的工作道理
    如图1所示,DW3351单晶硅传感器的敏感元件是将P型杂质扩散到N型硅片上,构成极薄的导电P型层,焊上引线即成“单晶硅应变片”,其电气机能是做成一个全动态的压阻效应惠斯登电桥。该压阻效应惠斯登电桥和弹性元件(即其N型硅基底)连系在一路。介质压力经由密封硅油传到硅膜片的正腔侧,与传染感动在负腔侧的介质构成压差,它们共同传染感动的成果使膜片的一侧压缩,另一侧拉伸,压差使电桥失衡,输出一个与压力变化对应的信号。惠斯登电桥的输出信号经电路处置后,即发生与压力变化成线性干系的4-20mA尺度信号输出。 

    对于表压传感器,其负腔侧凡是通大气,以大气压作为参考压力;对于绝压传感器,其负腔侧凡是为真空室,以绝对真空作为参考压力;对于差压传感器,其负腔侧的导压介质凡是和正腔侧不异,如硅油、氟油、动物拥寥。  
    硅传感器布局图                               
    图1  硅传感器布局图                                                                   图2  膜片受压示企图 
    如图2所示,在正负腔室的压差传染感动下,惹起丈量硅膜片(即弹性元件)变形弯曲,当压差P小于丈量硅膜片的需用应力比例极限σp时,弯曲能够完全复位;当压差P逾越丈量硅膜片的需用应力比例极限σp后,将达到材料的屈就阶段,以至达到强化阶段,此时撤去压差后丈量硅膜片无法恢复到原位,导致发生不成逆转的丈量误差;当压差P达到或逾越丈量硅膜片能承受的最高应力σb后,丈量硅膜片分裂,间接导致传感器损坏。因而,经由阻遏或减弱外界的过载压差P间接传送到丈量硅膜片上,能够无效庇护传感器的丈量精度和寿命。这就引出了对单晶硅芯片进行过载庇护设想的问题。 

    2.2 DW3351的压力过载庇护设想和完成
    如图3所示,为降服单晶硅硅片抗过载才能不足的缺陷,DW3351配备了一种具有单向压力过载庇护的差压传感器。该单向压力过载庇护差压传感器不只能测出现场工况在额定压力范畴内的压差值,并且在发生单向压力过载的环境下又一次能无效地进行自我庇护,避免了硅差压传感单向压力过载而惹起的损坏。 
    带过载庇护的差压传感器布局示企图 
    图3  带过载庇护的差压传感器布局示企图  

    如图4、图5所示,当有逾越差压丈量硅膜片答应工作范畴的差压出现时,核心隔离挪动膜片向低压一侧挪动,并使高压一侧的外界隔离膜片和腔室内壁重合,从而使得高压侧硅油全数赶入腔室内,无法向单晶硅芯片进一步传送更高的压力值,最终在单晶硅芯片上避免了超高压的发生,无效地完成了庇护单晶硅芯片的方针。 
    硅传感器正、负过载示企图
    图4  正怯忠淮锡载示企图                                                            图5  负怯忠淮锡载示企图 

    DW3351的这类抗过载设想方式无效的庇护了单晶硅芯片的持久工作不变性,特别在有水锤现象具有的工况场所愈加能够大概凸起其优胜性。

    2.3 DW3351优胜的量程比可调机能
    由于单晶硅芯片的输出信号量较大,在5V的恒压源激励下其典型的量程输出达到了100mV,多么对于后端的电子电路和软件较为容易完成信号弥补和放大处置。比拟于金属电容式压力、差压变送器,单晶硅道理的压力、差压变送器的量程比机能很是优胜,其常用压力变送器的量程可调比达到了100:1,微差压变送器的可调量程比达到10:1。经量程压缩后仍能保持较高的根底精度,大幅拓宽了单晶硅压力变送器的可调理范畴,对用户的使用较为便当和成心义。 

    如表1所示,3台经抽样的DW3351差压变送器颠末10:1量程缩小和100:1量程缩小后的精确度查核成果。满量程为0-250kPa,压缩10倍后的量程变动为0-25kPa,压缩100倍后的量程变动为0-2.5kPa。从测验考试的成果能够看出,当压缩10倍量程比后,其根底误差别离为0.019%、0.012%、0.025%,仍然

    能够大概保持由于0.05级的精确度;当压缩100倍量程比后,其根底误差别离为0.147%、0.219%、0.197%,其仍然能够优于0.25级的精确度。
    单晶硅压力变送器  


    表一   DW3351单晶硅差压变送器的量程比机能试验 
    YR-ER101单晶硅差压变送器的量程比机能试验

    如表2所示,3台经抽样的DW3351压力变送器颠末10:1量程缩小和100:1量程缩小后的精确度查核成果。满量程为0-40MPa,压缩10倍后的量程变动为0-4MPa,压缩100倍后的量程变动为0-400kPa。从测验考试的成果能够看出,当压缩10倍量程比后,其根底误差别离为0.041%、0.047%、0.034%,仍然能够大概达到0.05级的精确度;当压缩100倍量程比后,其根底误差别离为0.15%、0.063%、0.153%,其仍然能够优于0.25级精确度。 

    表二   DW3351单晶硅压力变送器的量程比机能试验 
    YR-ER102单晶硅压力变送器的量程比机能试验

    2.4 DW3351优胜的压力滞后机能 
    压力滞后特征也称回程误差特征,俗称回差,对于压力、差压变送器来说是一个较为次要的查核目标。回差的大小间接影响到变送器的丈量精确性和持久漂移机能。如图5所示,这是一张典型的单晶硅误差曲线和金属电容误差曲线的比力示企图。从图中能够看出,单晶硅道理传感器的线性误差曲线的回差极小,上行程和下行程几乎重合,其回差根底能够忽略不计;而金属电容式道理的线性误差曲线的回差较大,上行程和下行程呈启齿状,间接影响到变送器的输出精度。

    单晶硅压力变送器误差曲线例图
    图5  误差曲线例图

    2.5 DW3351奇异的静压特征 
    差压变送器在丈量罐体液位或管道流量时,若是对静压影响不作校正或弥补,将会给丈量带来较大误差,特别是在液位范畴较小或相对流量较小时,影响更复杂。例如一台电容式差压变送器同节流安装一路构成差压式流量计,在32MPa工作静压前提下其满量程静压误差为≤±2%FS,虽然其零位误差,能够经由调零来消弭,可是满位输出误差无法避免。因而此静压误差间接影响流量的测试,并且影响量较大。在这类使用工况下,差压变送器的静压机能显得尤为次要,若是静压误差颠末弥补,或其本身静压误差极小,则其丈量精度将会获得大幅提高。 

    DW3351差压变送器采用奇异的单晶硅芯片封装工艺,封装当前其内腔和外腔达到压力均衡。如图6所示为单晶硅硅片的封装示企图,当有工作静压加载到丈量硅片的正负腔时,工作静压经由硅片外部的正怯忠淮舞油和硅片内部的负怯忠淮舞油均衡加载到丈量硅片上,并完成了相互抵消,从而使得丈量硅片对工作静压的弯曲变形极小。多么处置大幅汲引了差压变送器的静压影响机能。 
    单晶硅硅片封装示企图
    图6  单晶硅硅片封装示企图 

    而在微差压变送器的使用场所,由于微差压信号量过小,对于静压影响构成的影响很是敏感,如上所述的奇异的封装设想和工艺仍不能完全消弭或减弱静压影响量。因而针对此问题,DW3351的微差压变送器在其传感器的内部集成为一个能够丈量工作静压的绝压传感器,如图7所示为DW3351微差压传感器的布局示企图。此绝压传感器能够将测得的工作静压信号及时反馈给内部的微处置器,微处置器把持此工作静压坐标轴主动批改微差压输出信号,从而达到静压弥补的功能。经由奇异的封装工艺以及加装绝压传感器后,大幅汲引了DW3351差压变送器的工作静压机能,从而包管了差压变送器的丈量精确度和高不变性。 
    单晶硅微差压传感器布局示企图
    图7  单晶硅微差压传感器布局示企图 

    2.6 DW3351奇异的膜片处置工艺 
    比拟于美国罗斯蒙特的金属电容式传感器、日本横河的单晶硅传感器、欧洲ABB的硅差压传感器等采用的隔离环膜片焊接编制,DW3351差压传感器采用了更为前辈的无隔离环的卫生型膜片焊接编制。这类卫生型膜片焊接编制使得焊缝滑腻,无裂痕,无死角,能够满足间接焊接多种材质膜片,如 316L、哈氏C、钽膜片、蒙乃尔膜片,由于没有裂痕的具有又一次能够在接液面进行间接镀金和喷涂PTFE等处置工艺。这类设想编制和特殊的处置工艺使得差压变送器的接液范畴大幅延长和拓展,并且大幅汲引了侵蚀场所差压变送器的使用寿命。 

    2.7 DW3351奇异的超高温远传设想和完成
    家喻户晓,压力、差压变送器中的高温远传膜盒在使用过程中,当介质温度逾越350℃使用时具有着复杂的平安隐患,较为容易出现硅油气化、数据失真或寿命下降等问题,这就要求使用现场的介质有必然的工作静压从而构成背压来包管膜盒的一般工作。多么构成为压力、差压变送器的远传液位丈量使用范畴遭到了限制。而600℃超高温远传压力变送器采用了超高温介质的丈量技术,其介质的可丈量温度达到了600℃。
    超高温远传布局道理图 
    图8  超高温远传布局 道理图  

    如图8所示为此超高温远传的布局示企图。此超高温远传布局分为超高温充灌液和通俗高温充灌液两个腔体,两个腔体之间焊接隔离膜片,并在超高温充灌腔体内设一个散热杆。和介质间接接触的超高温充灌液能够承受600℃的介质高温,可是超高温充灌液的粘度较高,不适合充入毛细管进行压力传送。因而,经由两头隔离膜片和通俗高温充灌液腔体的压力进一步传送,能够包管压力的有限传送和快速响应。而高温热量经散热后传送到通俗高温充灌腔体时温度已大幅下降,能够包管通俗高温充灌液腔体的一般使用。这类编制拓宽了高温远传变送器的使用范畴,并提高了超高温远传变送器的靠得住性和寿命。

    2.8 DW3351的完成机能目标和靠得住性 
    经由以上对DW3351系列产物技术的引见和阐发,笔者简要地阐述了DW3351单晶硅高不变性压力、差压变送器项方针完成过程。制造厂商从单晶硅道理芯片的选择、单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消弭、静压影响的减弱、量程比的放大、接液面的特殊处置工艺以及超高温丈量的拓展等多方面来汲引高不变性压力、差压变送器的全机能、精确度等第和靠得住性。经由以上多种路子的技术引进和消化,并再插手立同性设想,使得DW3351系列高不变性压力、差压变送器达到了国际前辈程度,其次要的技术劣势暗示为:
    ①精确度等第达到0.05级,并取得计量器具制造许可证,达到了国际前辈程度; 
    ②微差压变送器采用奇异的双过载庇护膜片专利技术,可达±0.075%的高丈量精度,最大的工作静压达到16MPa,最小的丈量差压为-50Pa~50Pa,遥遥领先国表里技术程度; 
    ③差压变送器最高工作静压可达40MPa,单向过载压力最高可达40MPa; 
    ④差压传感器内部可选封装绝压传感器,可用于现场工作静压的丈量和显示,也可使用于静压弥补,使得单晶硅压力变送器的静压机能极佳,使得典型规格的静压误差最优为≤±0.05%/10MPa。同时,由于内部绝压传感器的集成,包管了DW3351多参数变送器的成功研发,可遍及用于气体流量的丈量范畴,并填补了国内高端多参数变送器的空白。 
    5)压力、差压传感器内部集成的高活络度温度传感器,使得变送器温度机能极佳,最优为≤±0.04%/10K;
    6)6kPa和40kPa微压力量程表压/绝压变送器可选用奇异无传压损耗过载庇护膜片专利技术,单向过压最高达7MPa,大幅拓宽了微压力传感器的特殊范畴的使用范畴; 
    7)典型规格的持久零位漂移量≤±0.1%/3年,并经由12万次90%的量程的极限压力委靡测试,达到了10年免维护的才能; 
    8)完成了极宽的丈量范畴0-100Pa~60MPa,最高100:1的可调理量程比输出; 
    9)远传变送器采用前辈的超高温专利技术,可使用于400℃超高温丈量场所,冲破了远传产物使用和丈量的瓶颈。 

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