压力变送器研究现状及发展趋势

高彬彬,顾幸生

(华东理工大学能源化工过程智能制造教育部重点实验室,上海 200237)

0 引言

仪器仪表是对世界上的物质进行测量和检测的设备。仪器仪表能够将信息化技术应用于工业化生产,引领各类产业走向行业前沿[1]。其中,压力变送器作为一种高精密的测量仪器,在火电、核电、化工、石油冶炼、生物工程、钢铁、航天等工业领域得到了广泛应用。然而,高精度的压力变送器几乎被美国、德国、日本等国所垄断。这可能在未来成为制约我国发展的重要问题。所以,研制并生产具有中国自主知识产权的高稳定性和高精度的压力变送器意义重大[2-3]。本文从通信方式、高温极端环境测量、自我诊断功能、温度补偿方法等方面分析了压力变送器的研究现状和发展趋势。

1 压力变送器概述

由于传感器的输出信号多种多样,为了在实际应用中增强传感器的通用性以及简化信号的传输和记录,通常需要电路将输出信号转换为标准信号。压力变送器是一种将流体的压力传感器测量信号转化为标准信号的装置[4]。压力变送器主要分为绝压变送器、表压变送器和差压变送器等类型。绝压变送器用于大气压不能对测量过程产生影响的场合,比如真空精馏塔。表压变送器使用大气压代替绝对真空,使用范围更广泛。差压变送器则用于测量压力差。

1.1 压力变送器主体结构

目前主流的压力变送器主要由传感器、测量膜盒和接口与处理电路三大部分组成。压力传感器与测温传感器共同密封在测量膜盒顶部,由两块密封法兰夹住以组成变送器的测量部分,从而把现场测量的压力信号转化为电信号。电子线路板和液晶显示表头及接线端子构成接口与处理电路,负责放大传感器输出的电信号、模数转化、实时显示数据以及输出标准信号[5]。

1.2 压力变送器分类

利用不同测量原理制作而成的压力变送器,按各自的工作原理可分为电容式压力变送器、谐振式压力变送器以及单晶硅式压力变送器等类型[6]。

①电容式压力变送器。

电容式压力变送器的工作原理是流体压差通过介质传递到内部金属电容极板。极板产生对应的形变,导致电容量发生变化。这种变化通过电路处理就能得到压力信号。电容式压力变送器的典型产品为美国艾默生公司生产的罗斯蒙特1151系列。该系列产品在20世纪80年代引进中国以后,经过中国仪表制造商多年的研究和探索,将其准确度等级从0.5级提高到了0.1级。但是罗斯蒙特随后推出了3051C/S系列产品,实现了结构隔离、悬浮、电路可靠性提升等改进,使准确度等级达到了0.05级。这种技术壁垒一直不能被中国本土企业所突破[2]。

②谐振式压力变送器。

谐振式压力变送器的原理是:扩散硅薄膜在一定压差作用下产生形变,引起内部的谐振梁频率变化;流体压差传递到内部的单晶硅谐振梁上;谐振梁在压力的作用下产生与之对应的频率信号;频率信号通过电路处理就得到并输出压力信号。日本横河是谐振式压力变送器的代表企业。其主要产品型号有EJA和EJX系列。该系列变送器的主要优势体现在温度和静压补偿环节。其准确度能达到0.065级。这种单晶硅谐振式芯片的批量制造技术一直被国外企业所垄断[2]。

③单晶硅式压力变送器。

单晶硅式压力变送器的主体结构是一个惠斯通电桥。外界压差通过介质传递到内部电桥。由于材料的压阻效应,电桥产生一个随压力变化的阻值。通过电路检测电桥的输出即可得到压力信号。单晶硅式压力变送器的主要代表企业有霍尼韦尔、西门子、ABB等。单晶硅式压力变送器具有输出灵敏性高、信号量大、回差极小和电路设计较为简洁可靠等特点。然而由于特殊的工艺要求,直到2010年之前,单晶硅式压力变送器的技术还一直由美国、德国、瑞士等国家所掌握。随着国内厂商与瑞士ROCKSENSOR公司的技术合作、引进和再研发,国内逐步掌握了0.05级准确度的高精度压力变送器的制造技术[2]。

2 压力变送器研究和应用现状

随着自动化水平的不断提高,以及计算机技术、材料技术和微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的快速进步,工业自动化领域广泛应用的智能仪器在近年来也得到快速发展。有关压力变送器的研究主要集中在以下几个方面。

①压力变送器通信方式。

②高温极端环境中的压力传感器。

③具有自诊断功能的压力变送器。

④压力变送器温度补偿方法。

⑤压力变送器其他方面的研究进展。

本节从以上五个研究方向,分别叙述和分析近五年来相关的文献研究。

2.1 压力变送器通信方式

过去的压力变送器仅支持工业过程控制领域常用的4～20 mA模拟标准信号。随着信息化、数字化技术的不断发展,越来越多支持数字信号传输的现场总线协议的智能压力变送器得以研发、制造。文献[7]、文献[8]基于可寻址远程传感器高速通道(highway addressable remote transducer,HART)的开放通信协议,设计了一款两线制的压力变送器。该压力变送器只需两根导线,不仅可以传输数字和模拟信号,还可以给设备供电。与其他仅支持数字信号的协议相比,该压力变送器的显著特点是在传输数字信号的同时保留了4～20 mA模拟电流信号,因而在数字化仪表逐步替代传统模拟仪表的过渡时期发挥了重要作用。但是HART协议是半数字通信方式,仅支持单向传输,且信道为一对一。随着技术的发展,HART协议逐渐不能满足现场仪表与控制系统间的信息交换需求[9]。

在数字化、智能化的工业4.0时代,工业生产领域的数字化具有重要意义。文献[9]在传统压力变送器的基础上,基于控制器局域网(controller area network,CAN)总线的方式对变送器进行数字化改造,设计并实现了一种可嵌入安装在压力变送器内部的小体积、高精度、数字式的压力测量模块,从而显著提高了现场设备与控制系统信息交换的效率和可靠性。文献[10]设计了一款测量水网管线压力的变送器。该变送器输出电流信号经过远程终端单元(remote terminal unit,RTU)汇聚后,使用工业以太网传输到控制室以集中显示参数。该变送器准确度达到0.14%,并且全部采用国产化元器件,具有自主可控、使用简单、可靠性好等优点。

无线通信在过去的几年中受到了广泛的关注。工业无线通信技术具有低成本、高效率、高可靠、铺设便捷等优势,在工业现场得到了广泛的应用。特别是对于易燃易爆危险环境的信号传输,如油气、化工、罐区等场景,无线传输是一种经济、有效的通信手段。文献[11]设计了一种基于电容式传感器的无线压力测量系统。该系统首先通过电容式传感器和信号调理电路将施加的压力转换成相应的电压信号,然后利用频移键控(frequency shift keying,FSK)收发器实现信号的无线发送和接收。该系统满量程误差控制在1.6%以内,适用于危险性高的易燃易爆区域和一些线缆安装维护比较困难的区域。此外,FSK还具有很强的安全性、高效性和抗噪能力。文献[12]设计了一款基于MEMS技术的电容式压力变送器。该变送器通过人工神经网络算法补偿非线性误差。该变送器选用铌酸锂(LiNbO3)作为远距离光通信材料。由于光的特性,这种传输方法几乎是无损的,并且具有可靠性高、维护简单、危险性低的特点。

随着工业数字化的发展,对智能化传感器的要求越来越高。文献[13]提出了一种具有实时故障诊断功能的无线智能压力变送器。该变送器实时监测压力传感器的模拟输出并运行自诊断程序,从而通过无线传输方式将产生的压力数据和诊断信息传送至接收系统。文献[14]针对工业过程存在电磁干扰、空间复杂等特点,设计了一款满足工业现场的无线高精度压力变送器,实现了面向工业过程自动化的工业无线网络(wireless network for industrial automation-process atuomation,WIA-PA)标准和单晶硅压力测量技术的结合。该无线高精度压力变送器能有效提高工业现场压力测量的信息化、数字化管理水平,具有广阔的应用前景。

2.2 高温极端环境中的压力传感器

一些苛刻的工业环境对高温压力变送器有着广泛的需求,所以高温压力传感器的研究也是一个重要课题。当前,主流的高温压力传感器都是基于绝缘硅材料制成的。该材料具有耐高温、耐辐射、高性价比等优点,但也存在高温下稳定性差和自热等问题[15-16]。碳化硅(SiC)作为新型耐高温材料,具有导热系数高、耐酸碱腐蚀等优点。因此,文献[17]设计了一种基于4H-SiC制成的压阻式压力传感器。该压力传感器能在-50～+300 ℃范围内稳定输出测量结果,并且能在有酸性腐蚀和辐射的环境中稳定工作。随着石墨烯技术的不断发展,文献[18]采用MEMS技术,设计并制造了一种由石墨烯材料制成的高温压力传感器敏感元件。该敏感元件的传感器在高温下性能优异,灵敏度远高于以往的高温MEMS压力传感器。此外在一些极端环境,如高温液态金属环境,该传感器的测量温度范围可以从室温覆盖到接近600 ℃的高温。而传统产品在此环境下的压力测量能力则受到极大限制。文献[19]提出了基于布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器的压力测量系统。该系统克服了热膨胀问题的影响。试验结果证明,该系统在高温液态金属等极端环境中进行压力测量具有有效性。文献[20]以高温熔盐压力变送器为研究对象进行了故障模式和影响分析。其寻找仪表可靠性的薄弱环节和关键影响因素,对仪表的耐腐蚀性的评价有一定参考性。

2.3 具有自诊断功能的压力变送器

随着现代工业不断迈向数字化和自动化,对仪表的智能化需求日益增加。这意味着仪表需要具备自我诊断功能,能够评估数据质量,并对检测到的故障进行纠正。文献[21]为了满足安全仪表系统的设计选型和系统构成,设计研发了一种功能安全的压力变送器。该压力变送器的变送器部件采用二重化功能设计,可诊断出差压变送器的故障,具有一定的自诊断功能。文献[13]、文献[22]通过和变送器制造商合作,确定了变送器的一个重要故障模式——介质流体泄漏,并通过诊断程序对其进行了实时监测。文献[23]提出了符合功能安全的智能压力变送器,包括系统结构、部件的完整性测试和自诊断方案的设计。符合功能安全的智能压力变送器会实时检测当前的运行状态是否存在系统故障、是否存在模块功能失效,并实时将异常状态通过故障报警上报给安全控制系统。控制系统或者监控人员据此及时作出安全响应,以实现功能安全。

2.4 压力变送器温度补偿方法

压力变送器的高精度标准化输出一直是变送器研究的热点方向。对于批量生产的压力变送器,需要对其内部结构参数进行标定以实现标准线性化输出,从而满足工业现场的测量精度要求和通信标准[24]。无论是基于哪种原理制作的压力传感器,外界环境都会对材料的特性产生影响,导致其出现较大误差。因此,变送器在出厂前都需要进行温度补偿校准。目前,国内外学者对压力变送器温度补偿的方法进行了广泛探索和研究。研究主要分为硬件补偿和软件补偿两个方向[25]。

硬件补偿主要通过改进测量电路与设计工艺或者优化芯片设计等方法进行矫正[26]。文献[27]采用无源电阻网络温度补偿模型对压力传感器的低温区域进行温度补偿,得到的补偿精度为2%。文献[4]研究了一种基于可编程增益放大器PGA308的电流输出型压力变送器标定方法。该方法使用平均斜率法拟合变送器的输入输出曲线,精度可达0.006 3%。硬件补偿方法通常是针对某种传感器进行特定的硬件设计或优化。由于硬件补偿调试较复杂、通用性较差,工程应用中更倾向于使用软件补偿的方法[28]。

软件补偿具备易实现、适用范围广、维护简单等优点,主要分为插值法、多项式拟合、支持向量机(support vector machine,SVM)和神经网络法等。变送器各类软件温度补偿算法的性能比较表1所示。

表1 变送器各类软件温度补偿算法的性能比较

(1)插值法。插值法的步骤为:首先,根据标定点,在工作温度范围内等间隔划分若干个温度区间;然后,分别在每个温度下记录压力传感器的输出曲线,通过拟合直线变换函数确定曲线的系数;最后,将不同温度下的输出曲线参数通过参数矩阵存储起来。实际工作时,插值法先根据实际温度选择对应温度区间下的参数,再计算最终的压力值[29]。文献[30]提出了一种基于变换函数系数的线性插值法,以对压力传感器进行温度补偿。文献[31]研究了以扩散硅作为压力变送器的测压变送器,并采用线性插值的温度修正方法。该方法可实现压力测量准确度优于0.05%、电流输出准确率优于0.02%。该方法操作简单、计算速度快,无需在上位机编写专用的软件,可直接在设备内完成,目前已广泛应用于压力变送器生产。但是补偿精度与选择温度点的个数相关,且需消耗存储资源以保存参数矩阵。

(2)多项式拟合。多项式拟合的流程为:首先,在工作温度范围内,等间隔选取温度点,并分别在每个温度下采样各压力值下的输出值,以采样的数据作为多项式拟合的样本数据;然后,根据曲面拟合方法求出测量值、温度与输出压力之间的函数关系,以最小二乘法计算回归方程的系数。当多项式函数确定以后,只需将测量到的数据代入多项式函数中,即可求出被测压力。文献[32]设计了最小二乘法和抛物线插值融合的补偿方法,显著地改善了传感器的测量精度。文献[33]针对硅压阻式压力传感器存在的温度漂移等非线性问题,提出了一种基于最小二乘法的曲面拟合高精度温补算法,使得补偿过后的输出误差小于0.01%。文献[34]、文献[35]采用最小二乘法曲面拟合原理对压阻式压力传感器进行数字补偿。该方法实现简单、灵活性好,但由于温补使用的样本量小,少量的噪声就会对最终的拟合结果造成过大的影响。此外,为了实现高精度补偿,需计算多项式的高次项系数。这会消耗大量的计算资源。

(3)SVM。SVM是一种建立在统计学理论基础上的有监督学习算法。SVM具有很强的鲁棒性,对小样本的非线性数据回归效果很好,能够贴合传感器受温度影响的特点,是解决变送器温度补偿的有效方法之一。但在实际使用中,SVM存在核函数和惩罚参数选择困难的问题。所以文献[36]使用差分进化算法在给定范围内对SVM的参数进行全局寻优。通过试验证明,此方法明显降低了变送器的测量误差,对于训练集中没有出现过的样本,模型仍然能够较好地进行温度补偿。

(4)神经网络。神经网络通过获取数据样本而非整个数据集的方式提供解决方案,具有强大的非线性映射能力和泛化能力,非常适用于压力变送器的温度补偿。

①在变送器温度补偿中,反向传播(back propagation,BP)神经网络得到了广泛应用[37]。但是BP神经网络存在难以收敛、易陷入局部最优解、稳定性差等问题[38]。针对这些难题,主要改进算法大致分为两类:启发式算法,如遗传算法[39]和粒子群算法;数值优化算法,如共轭梯度法和牛顿法。文献[40]提出了一种改进的遗传算法优化BP神经网络的初始权重和阈值。该算法引入Tent混沌映射函数、自适应遗传算子和染色体扰动,显著地提高了遗传算法的寻优能力。对于数值优化方法,文献[41]提出了一种改进的高斯牛顿法。该方法用于对BP神经网络进行训练。试验结果表明,该方法的灵敏度系数达到了9.31×10-7。文献[42]使用粒子群算法和Levenberg-Marquardt(LM)算法优化BP神经网络。该方法结合了三种算法的优点,有效抑制了温度对传感器的影响。

②除了BP神经网络,结构简单、收敛速度快的径向基(radial basis function,RBF)神经网络也广泛应用于传感器温度补偿中[43-45]。RBF神经网络利用自组织聚类网络,选取网络中心值,解决了以往算法随机选择中心引起的收敛不稳定和计算复杂的问题,提高了模型的泛化能力。为了避免根据经验选取的RBF参数导致的数据不匹配问题,文献[46]使用果蝇优化算法(fruitfly optimization algorithm,FOA)对RBF神经网络的超参数进行寻优,有效地削弱了温度对传感器性能的影响。

③此外,小波神经网络(wavelet neural network,WNN)在温度补偿上的应用也较为普遍。WNN避免了BP神经网络结构设计上的不确定性,具有学习能力更强、结构更简单、收敛速度更快的特点。利用WNN的特性,文献[47]提出了基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的WNN温度补偿方法。该方法将全温区的准确度提高至0.14%,使得温度漂移得到明显改善。

④深度置信网络(deep belief network,DBN)作为深度学习中的一种重要的网络结构,在连续堆叠的多层结构中进行分层表征和更深层次的理解与学习,在实际应用中取得了显著性进展。文献[28]将优化的DBN模型应用在压力传感器的温度补偿中。试验结果表明,该模型具有较好的稳定性。但是该模型使用区间定位搜索的方式搜索DBN的超参数,既耗费运算资源又容易陷入局部最小值。因此,文献[48]提出了基于自适应DBN的高精度压力变送器温度补偿方法。该方法引入白鲸优化(beluga whale optimization,BWO)算法对DBN的超参数进行寻优。该方法利用BWO算法在全局搜索和局部寻优之间强大的平衡能力,可有效提高网络模型预测的准确性与稳定性;同时,引入模拟退火Metropolis准则,可进一步提高算法寻找最优解的能力,从而大幅提升变送器的测量精度。

传统的温度补偿方法无论是硬件补偿还是软件补偿,都需要额外的部件测量压力变送器内部的温度。这需要一个独立的信号以计算压力变送器的温度补偿。基于半导体制成的压阻式传感器的固有特性是对温度比较敏感,所以文献[49]提出了一种仅使用单晶硅压阻式传感器同时完成压力和温度测量的方法。试验结果表明,该方法测量精度能达到0.03%满量程(full scale,FS)。该方法的优点是能够在不修改硬件的情况下将温度测量功能添加到现有的单晶硅压阻式变送器中。文献[50]也提出了一种不需要额外测温器件的压阻式传感器温度补偿方法。试验结果表明,当惠斯通电桥由恒流源供电时,输出电压可以反映环境温度的变化。此方法可显著降低温度对变送器测量精度的影响。

2.5 压力变送器其他方面的研究进展

目前,压力变送器的常规检定只是在其低压端通大气,但实际使用中差压变送器的两端口往往存在一定的静压。在不同的静压下,差压变送器的测量性能可能受到显著影响。忽略静压影响可能造成检定结果的偏差和误判。因此,静压下的差压补偿十分重要[51-53]。文献[54]设计了一款工业差压控制设备检测装置,用于常压和静压下差压变送器的检定。文献[55]设计了一种差压变送器静压实时补偿装置,最大限度地补偿了静压带来的误差、提高了差压的测量准确度。现有的静压校准只考虑了大气压下的校准,而高静压校准并不普及,且现存的高静压矫正装置操作复杂[56],导致应用受到一定的限制。因此,文献[57]设计了一种高静压下的压差器件校准装置。该装置操作简单、使用方便,同时避免了由于差压器件两端压力过大而导致的器件损坏。

除了上述研究外,文献[58]研制了一款具有统一电子元件的电容式差压变送器。该电容式差压变送器由可编程片上系统(programmable system-on-chip,PSoC)技术开发而成。该电容式差压变送器拥有卓越的抗噪性能,能有效地减少组件的占用空间,使系统灵活性更好,并融合了模拟和数字信号处理的能力。文献[59]设计了一款使用梁式结构电阻应变片的低成本差压变送器。文献[60]设计了一种具有双锁结构的差压传感器元件,并通过建模分析了硅晶体传感元件能够承受的压力上限。该传感元件能保护测量膜在多次超过10倍的过载下不被破坏。为了打破西方对高精度压力变送器的垄断,文献[61]设计了一款拥有自主知识产权的RP1000系列高稳定性压力变送器。该压力变送器最高准确度达到0.05级。

3 发展趋势

压力变送器的发展从最初的简单功能型逐步演进为如今的智能型。从整体的趋势看,无线化、智能化、高精度将成为压力变送器的主要发展方向。

①无线化。随着无线通信技术的不断发展,无线传输的稳定性和速率都得到快速的提升。这使得无线化的优势越来越显著。在工业现场,通常存在布线困难、人员难以到达、电磁干扰强、空间复杂等特点,尤其是油气、化工行业。采用无线化的高精度压力变送器能够显著提高工业现场压力测量的信息化、数字化管理水平,大幅降低运维成本[14]。无线化压力变送器将在工业领域发挥重要作用,具有广阔的应用前景。

②智能化。传感器不断发展及电子技术不断革新。传感器通过和微处理器结合变得更加智能。变送器将具有更加丰富的功能,例如自诊断、丰富的接口协议等。这种智能化的趋势使得变送器在相关领域的应用中更加灵活、可靠。具有自诊断功能的智能变送器实时地将故障和报警信息上传给安全控制系统,使控制系统及时处理存在的故障和风险,提高了系统的可维护性和稳定性;丰富的接口协议能让变送器满足更多的应用场景,使得变送器更容易与其他设备和系统进行集成,推动了相关行业自动化和智能化的发展[61]。

③高精度。随着材料技术的不断进步,更多的先进材料可以被用于制造压力传感器的敏感元件,诸如碳化硅、石墨烯等。这些新材料在各种温度条件下都能保持卓越的性能,从而显著提升压力变送器的应用范围和可靠性。同时,随着MEMS技术的发展,压力变送器将实现更高精度的测量。

4 结论

压力变送器作为一种高精密的压力测量仪器,在工业领域得到了广泛应用。本文首先介绍了压力变送器的主体结构和常见分类;然后从通信方式、高温极端环境的测量、自诊断功能、温度补偿方法等方面分析了压力变送器的研究现状;最后对压力变送器未来可能的发展方向作了展望——无线化、智能化和高精度将会成为压力变送器未来的主要发展方向。紧跟国内外最新研究进展,持续推动压力变送器的研究和应用至关重要。我国应提高传感器核心部件的国产化能力,进而提升整体技术水平和国际竞争力。