淺談關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)智能變送器測量的影響

摘要：在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中，確保工藝參數(shù)有效控制的基礎(chǔ)便是實(shí)現(xiàn)各種模擬量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，以確保工藝控制的精que性。但參數(shù)檢測主要通過儀表傳感器轉(zhuǎn)換為各種信號(hào)，其中變送器在各種儀表中#為普遍使用。壓力變送器與差壓變送器屬于變送器的主要類型，以有效測量差壓、液位、流量、壓力以及密度等參數(shù)。其中環(huán)境溫度會(huì)嚴(yán)重影響其信號(hào)的采集效果，尤其在濕度較大且低溫環(huán)境中，儀器設(shè)備極易發(fā)生故障問題，使得參數(shù)測量不夠準(zhǔn)確，甚至還會(huì)損壞儀表，影響正常的生產(chǎn)過程，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失問題。為了確保智能變送器的正常運(yùn)行，應(yīng)采用各種措施降低環(huán)境溫度對(duì)變送器的影響。

1 引言

智能化變送器屬于溫度變送器，結(jié)合了傳感器技術(shù)與附加電子部件，可以有效遠(yuǎn)程設(shè)定、修改組態(tài)數(shù)據(jù)信息，滿足了順應(yīng)現(xiàn)場的要求。隨著工業(yè)及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的地方開始使用智能變送器，且其類型也逐漸增多。智能變送器在運(yùn)行期間對(duì)技術(shù)具備一定要求，且環(huán)境溫度也會(huì)影響其運(yùn)行效果。在化工生產(chǎn)過程中，環(huán)境溫度的變化將會(huì)直接影響化工生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性與安全性。本文便據(jù)此分析了環(huán)境溫度對(duì)智能變送器的影響，并指出了具體的應(yīng)用過程，以期為此后智能變送器的應(yīng)用提供更多的借鑒依據(jù)。

2 智能變送器概述

2．1 概述

智能變送器屬于溫度變送器，主要結(jié)合傳感器技術(shù)與附加的電子部件，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定與遠(yuǎn)方修改組態(tài)數(shù)據(jù)信息。具體而言，智能變送器是基于微處理器的現(xiàn)場智能儀表，其中智能指的是變送器與傳感器由微處理器驅(qū)動(dòng)，具備自動(dòng)診斷與自動(dòng)通信的能力。美國#早發(fā)了智能變送器，其除了具備較高的穩(wěn)定性與精que度在，還帶有本公司協(xié)議，后期產(chǎn)品帶有符合現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的 FF 協(xié)議，可以改為數(shù)字式的顯示表。利用系統(tǒng)控制遠(yuǎn)程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定或修改變送器的組態(tài)數(shù)據(jù)。

2．2 智能變送器特點(diǎn)

作為變送器的核心組件，微處理器可以有效計(jì)算、存儲(chǔ)以及處理測量數(shù)據(jù)，并通過反饋回路調(diào)節(jié)傳感器，確保數(shù)據(jù)的采集有效性。微處理器具備硬件與軟件功能，可以有效完成傳統(tǒng)變送器無法完成的任務(wù)。由此看出，智能變送器一定程度上降低了傳感器的制造難度，但提升了其使用性能。除此之外，智能變送器還具備以下特點(diǎn)。一是具備自動(dòng)補(bǔ)償能力，可以利用軟件自動(dòng)補(bǔ)償傳感器的非線性、時(shí)漂以及溫度等因素，通電后完成傳感器的自檢，確保傳感器各部分處于正常的運(yùn)行模式。同時(shí)，可以保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，根據(jù)自動(dòng)程序處理數(shù)據(jù)，比如去除異常數(shù)值以及統(tǒng)計(jì)處理等。二是具備雙向通信功能，微處理器可以有效接收并處理數(shù)據(jù)信息，并將其反饋至傳感器，以有效調(diào)節(jié)控制測量過程，記憶儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息，包括傳感器的特征數(shù)據(jù)、補(bǔ)償特性以及組態(tài)信息等方面。三是具備數(shù)字量接口輸出功能，可以將輸出的數(shù)字信號(hào)連接計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場總線。

2．3 智能變送器現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)勢

智能變送器有效采用了傳感技術(shù)、微電子數(shù)字處理技術(shù)等高新技術(shù)，代表著新一代變送器的崛起，具備可靠性高、測量范圍寬、量程比大以及精度高等特征，具備數(shù)字通信功能。利用現(xiàn)場通信控制器及通信協(xié)議的 DCS 系統(tǒng)可以變更、設(shè)定智能變送器的各種參數(shù)信息，有效實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程調(diào)試以及人機(jī)對(duì)話等功能。類似于智能儀表，智能變送器也可以進(jìn)行自我診斷，屬于代表將來現(xiàn)場儀表的發(fā)展方向 ［ 1 ］ 。

3 環(huán)境溫度對(duì)智能變送器的影響

本次研究主要討論分析環(huán)境溫度對(duì)智能變送器中硅電容與硅諧振式傳感器元件的具體影響。

3．1 硅電容傳感器

作為智能變送器中的敏感元件，硅電容傳感器體積較小，由硅材料制成。其電容的三個(gè)極在晶體硅薄片下進(jìn)過離子刻蝕等微機(jī)械工序加工而成，兩邊為固定電極，中間為可動(dòng)電極，三個(gè)極片構(gòu)成了差動(dòng)電容，利用金屬化通孔，高壓力 pH 與低壓力pL 作用在測量膜片的兩邊。當(dāng) pH 與 pL 不等時(shí)，膜片便會(huì)產(chǎn)生一定比例的位移，以致一邊電容量增加，另一邊電容量減少。這種硅微電容傳感器的體積較小，響應(yīng)更快，功耗較低，便于集成。且硅材料具備優(yōu)良的性能，膨脹系數(shù)較小，沒有疲勞，儀表具備較好的溫度性能，wuxu經(jīng)常調(diào)整。同時(shí)，硅膜片的工作位移較小，且位移與壓力具備良好的線性關(guān)系，且測量膜片采用溝狀結(jié)構(gòu)，與理想平行版電容具備類似的移動(dòng)規(guī)律。智能變送器安裝了測溫傳感器，可以有效修正環(huán)境溫度變化帶來的熱影響，且檢測部件下部安裝了硅微電容傳感器，有效減少了溫度影響。且當(dāng)被測介質(zhì)溫度發(fā)生改變時(shí)，與介質(zhì)接觸的膜盒接液部分的溫度也會(huì)隨之改變 ［ 2 ］ 。

3．2 硅諧振式傳感器

硅諧振式傳感器屬于智能變送器的敏感元件，體積較小且功耗較低，具備較快的響應(yīng)速度，屬于微型構(gòu)件，可以與信號(hào)處理部分進(jìn)行集成。硅諧振梁結(jié)構(gòu)屬于硅諧振式傳感器的核心部分，采用了三維表面微機(jī)械加工技術(shù)，可以加工為兩個(gè)大小形狀相同的 H 型諧振梁，一個(gè)在硅片的邊緣，另一個(gè)則在硅片的中央。在壓力作用下，硅片會(huì)產(chǎn)生變和應(yīng)力，伴隨膜片，兩個(gè)諧振梁也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。但受位置因素的影響，其所受應(yīng)力各不相同，一個(gè)受壓力，另外一個(gè)則受拉力，且其諧振固有頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。此時(shí)，測量兩個(gè)諧振梁的頻率差則可以得到被測介質(zhì)的壓差。硅梁、空腔以及硅膜片等均屬于硅諧振式傳感器的組成部分，被封在微型真空中，不受空氣阻力的影響且不與灌液接觸，其制成的智能變送器具備一定的穩(wěn)定性。橫河智能變送器便采用了硅諧振式傳感器，其具備對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且硅材料的彈性較好，沒有疲勞與滯后性。傳感器諧振梁振動(dòng)頻率與差壓輸入信號(hào)存在以下關(guān)系，隨著差壓的逐漸增大，中心諧振片的振動(dòng)頻率逐漸減小，且兩者的頻率差不變。即溫度變化不會(huì)影響儀表特性，且在靜壓影響下，邊側(cè)與中心處的頻率均會(huì)下降，因此靜壓變化也不會(huì)影響儀表性能。

4 智能變送器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

4．1 在廢熱鍋爐液位中的應(yīng)用

廢熱鍋爐液位計(jì)主要測量天然氣制氫，此時(shí)應(yīng)采用羅斯蒙特智能變送器，以測量廢熱鍋爐的液位，或者測量溫度高、波動(dòng)大以及低壓差的液體，對(duì)測量穩(wěn)定性具備較高要求。將水隔離罐安裝至膜盒處，以防蒸汽高溫印象導(dǎo)壓硅油，減少波動(dòng)。在冬季時(shí)，廢熱鍋爐液位存在較大的波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)對(duì)導(dǎo)壓管進(jìn)行伴熱保溫處理，以防環(huán)境溫度對(duì)硅微電容變送器的影響。條件允許時(shí)，也可以更換使用硅諧振式變送器。

4．2 在差壓式均速管流量計(jì)中的應(yīng)用

氯化氫總管流量計(jì)以及差壓式均速管流量計(jì)以皮托管測速為基本運(yùn)行原理，直管道足夠長時(shí)，管內(nèi)流速分布為充分發(fā)展紊流，等速線為同心圓，測量直徑幾點(diǎn)流速即可反映整個(gè)截面的流速分布情況。硅微電容變送器并不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，且零點(diǎn)漂移也大，并不適用于濕露氣嚴(yán)重且環(huán)境惡劣的動(dòng)態(tài)，因此應(yīng)更換為硅諧振式傳感器，為工藝控制提供保障，提升測量的穩(wěn)定性。

4．3 在遠(yuǎn)傳壓力上的應(yīng)用

羅斯蒙特硅電容傳感器在于溫度較低且環(huán)境變化較大的場所中無法正常使用，會(huì)在天氣寒冷時(shí)報(bào)故障，更換硅諧振式傳感器變送器后，使用正常，沒有出現(xiàn)故障報(bào)警問題。這表明硅電容傳感器受低溫影響較大，冬季使用時(shí)應(yīng)做好保溫工作。

5 智能變送器的改進(jìn)建議

一是實(shí)現(xiàn)通信的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化，為了有效避免溫度因素的影響，智能變送器應(yīng)兼顧采用4－20mA模擬信號(hào)，確保協(xié)議終端可以互換數(shù)據(jù)信息，在避免溫度影響因素的基礎(chǔ)上降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與使用成本。二是重視軟件開發(fā)，擺脫照搬已有軟件程序的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)軟件編程技術(shù)的創(chuàng)新，完成變送器的二次開發(fā)。三是實(shí)現(xiàn)全智能化，高效自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)信息，確保高自動(dòng)控制。四是實(shí)現(xiàn)集成化，增加智能變送器的功能，不再僅僅實(shí)現(xiàn)單一功能。比如可以同時(shí)監(jiān)測電流、電壓及功率，實(shí)現(xiàn)載荷、位移的一體化。且還應(yīng)兼并開發(fā)智能技術(shù)，促使智能變送器面向集成化方向發(fā)展。五是實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域化，擴(kuò)展智能變送器的應(yīng)用范圍，除了可以應(yīng)用至石油、醫(yī)藥以及化工等行業(yè)外，還可以應(yīng)用至食品加工、家居環(huán)境實(shí)時(shí)控制以及樓宇自動(dòng)化方向 ［ 3 ］ 。

6 結(jié)束語

智能變送器儀表在經(jīng)過改造后，其自身運(yùn)行安全性與可靠性得到了明顯提升，可以有效滿足車間工藝的生產(chǎn)需求。由此看出，為了有效保證智能變送器儀器的工作效率，應(yīng)因地制宜的做好儀表選型與安裝工作，并強(qiáng)化儀表維護(hù)管理工作，采用更多先金技術(shù)。通過這些改進(jìn)后，智能變送器設(shè)備的運(yùn)行可靠性會(huì)明顯增加，儀器維修工作量明顯減少，在提升生產(chǎn)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，降低了維修成本，為企業(yè)贏得了更多的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。