淺談環境溫度對智能變送器的影響

竇 坤

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安710000）

1 引言

智能化變送器屬于溫度變送器，結合了傳感器技術與附加電子部件，可以有效遠程設定、修改組態數據信息，滿足了順應現場的要求。隨著工業及現代科學技術的快速發展，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。智能變送器在運行期間對技術具備一定要求，且環境溫度也會影響其運行效果。在化工生產過程中，環境溫度的變化將會直接影響化工生產工藝的穩定性與安全性。本文便據此分析了環境溫度對智能變送器的影響，并指出了具體的應用過程，以期為此后智能變送器的應用提供更多的借鑒依據。

2 智能變送器概述

2.1 概述

智能變送器屬于溫度變送器，主要結合傳感器技術與附加的電子部件，以實現遠方設定與遠方修改組態數據信息。具體而言，智能變送器是基于微處理器的現場智能儀表，其中智能指的是變送器與傳感器由微處理器驅動，具備自動診斷與自動通信的能力。美國最早發明了智能變送器，其除了具備較高的穩定性與精確度在，還帶有本公司協議，后期產品帶有符合現場總線國際標準的FF協議，可以改為數字式的顯示表。利用系統控制遠程組態，實現遠方設定或修改變送器的組態數據。

2.2 智能變送器特點

作為變送器的核心組件，微處理器可以有效計算、存儲以及處理測量數據，并通過反饋回路調節傳感器，確保數據的采集有效性。微處理器具備硬件與軟件功能，可以有效完成傳統變送器無法完成的任務。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。一是具備自動補償能力，可以利用軟件自動補償傳感器的非線性、時漂以及溫度等因素，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行模式。同時，可以保證數據處理的準確性，根據自動程序處理數據，比如去除異常數值以及統計處理等。二是具備雙向通信功能，微處理器可以有效接收并處理數據信息，并將其反饋至傳感器，以有效調節控制測量過程，記憶儲存數據信息，包括傳感器的特征數據、補償特性以及組態信息等方面。三是具備數字量接口輸出功能，可以將輸出的數字信號連接計算機或現場總線。

2.3 智能變送器現場應用優勢

智能變送器有效采用了傳感技術、微電子數字處理技術等高新技術，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，具備數字通信功能。利用現場通信控制器及通信協議的DCS系統可以變更、設定智能變送器的各種參數信息，有效實現在線監測數據、遠程調試以及人機對話等功能。類似于智能儀表，智能變送器也可以進行自我診斷，屬于代表將來現場儀表的發展方向[1]。

3 環境溫度對智能變送器的影響

本次研究主要討論分析環境溫度對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。其電容的三個極在晶體硅薄片下進過離子刻蝕等微機械工序加工而成，兩邊為固定電極，中間為可動電極，三個極片構成了差動電容，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pH與pL不等時，膜片便會產生一定比例的位移，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，響應更快，功耗較低，便于集成。且硅材料具備優良的性能，膨脹系數較小，沒有疲勞，儀表具備較好的溫度性能，無需經常調整。同時，硅膜片的工作位移較小，且位移與壓力具備良好的線性關系，且測量膜片采用溝狀結構，與理想平行版電容具備類似的移動規律。智能變送器安裝了測溫傳感器，可以有效修正環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。且當被測介質溫度發生改變時，與介質接觸的膜盒接液部分的溫度也會隨之改變[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，具備較快的響應速度，屬于微型構件，可以與信號處理部分進行集成。硅諧振梁結構屬于硅諧振式傳感器的核心部分，采用了三維表面微機械加工技術，可以加工為兩個大小形狀相同的H型諧振梁，一個在硅片的邊緣，另一個則在硅片的中央。在壓力作用下，硅片會產生變和應力，伴隨膜片，兩個諧振梁也會產生相應的應力。但受位置因素的影響，其所受應力各不相同，一個受壓力，另外一個則受拉力，且其諧振固有頻率也會發生相應改變。此時，測量兩個諧振梁的頻率差則可以得到被測介質的壓差。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定性。橫河智能變送器便采用了硅諧振式傳感器，其具備對稱結構，且硅材料的彈性較好，沒有疲勞與滯后性。傳感器諧振梁振動頻率與差壓輸入信號存在以下關系，隨著差壓的逐漸增大，中心諧振片的振動頻率逐漸減小，且兩者的頻率差不變。即溫度變化不會影響儀表特性，且在靜壓影響下，邊側與中心處的頻率均會下降，因此靜壓變化也不會影響儀表性能。

4 智能變送器在實際生產中的應用

4.1 在廢熱鍋爐液位中的應用

廢熱鍋爐液位計主要測量天然氣制氫，此時應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、波動大以及低壓差的液體，對測量穩定性具備較高要求。將水隔離罐安裝至膜盒處，以防蒸汽高溫印象導壓硅油，減少波動。在冬季時，廢熱鍋爐液位存在較大的波動，此時應對導壓管進行伴熱保溫處理，以防環境溫度對硅微電容變送器的影響。條件允許時，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中的應用

氯化氫總管流量計以及差壓式均速管流量計以皮托管測速為基本運行原理，直管道足夠長時，管內流速分布為充分發展紊流，等速線為同心圓，測量直徑幾點流速即可反映整個截面的流速分布情況。硅微電容變送器并不穩定，波動較大，且零點漂移也大，并不適用于濕露氣嚴重且環境惡劣的動態，因此應更換為硅諧振式傳感器，為工藝控制提供保障，提升測量的穩定性。

4.3 在遠傳壓力上的應用

羅斯蒙特硅電容傳感器在于溫度較低且環境變化較大的場所中無法正常使用，會在天氣寒冷時報故障，更換硅諧振式傳感器變送器后，使用正常，沒有出現故障報警問題。這表明硅電容傳感器受低溫影響較大，冬季使用時應做好保溫工作。

5 智能變送器的改進建議

一是實現通信的標準化與統一化，為了有效避免溫度因素的影響，智能變送器應兼顧采用4-20mA模擬信號，確保協議終端可以互換數據信息，在避免溫度影響因素的基礎上降低產品的生產成本與使用成本。二是重視軟件開發，擺脫照搬已有軟件程序的現狀，實現軟件編程技術的創新，完成變送器的二次開發。三是實現全智能化，高效自動化處理數據信息，確保高自動控制。四是實現集成化，增加智能變送器的功能，不再僅僅實現單一功能。比如可以同時監測電流、電壓及功率，實現載荷、位移的一體化。且還應兼并開發智能技術，促使智能變送器面向集成化方向發展。五是實現多領域化，擴展智能變送器的應用范圍，除了可以應用至石油、醫藥以及化工等行業外，還可以應用至食品加工、家居環境實時控制以及樓宇自動化方向[3]。

6 結束語

智能變送器儀表在經過改造后，其自身運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，應因地制宜的做好儀表選型與安裝工作，并強化儀表維護管理工作，采用更多先進技術。通過這些改進后，智能變送器設備的運行可靠性會明顯增加，儀器維修工作量明顯減少，在提升生產穩定性的基礎上，降低了維修成本，為企業贏得了更多的經濟與社會效益。