浅谈环境温度对智能变送器的影响

窦 坤

（陕西省天然气股份有限公司，陕西西安710000）

1 引言

智能化变送器属于温度变送器，结合了传感器技术与附加电子部件，可以有效远程设定、修改组态数据信息，满足了顺应现场的要求。随着工业及现代科学技术的快速发展，越来越多的地方开始使用智能变送器，且其类型也逐渐增多。智能变送器在运行期间对技术具备一定要求，且环境温度也会影响其运行效果。在化工生产过程中，环境温度的变化将会直接影响化工生产工艺的稳定性与安全性。本文便据此分析了环境温度对智能变送器的影响，并指出了具体的应用过程，以期为此后智能变送器的应用提供更多的借鉴依据。

2 智能变送器概述

2.1 概述

智能变送器属于温度变送器，主要结合传感器技术与附加的电子部件，以实现远方设定与远方修改组态数据信息。具体而言，智能变送器是基于微处理器的现场智能仪表，其中智能指的是变送器与传感器由微处理器驱动，具备自动诊断与自动通信的能力。美国最早发明了智能变送器，其除了具备较高的稳定性与精确度在，还带有本公司协议，后期产品带有符合现场总线国际标准的FF协议，可以改为数字式的显示表。利用系统控制远程组态，实现远方设定或修改变送器的组态数据。

2.2 智能变送器特点

作为变送器的核心组件，微处理器可以有效计算、存储以及处理测量数据，并通过反馈回路调节传感器，确保数据的采集有效性。微处理器具备硬件与软件功能，可以有效完成传统变送器无法完成的任务。由此看出，智能变送器一定程度上降低了传感器的制造难度，但提升了其使用性能。除此之外，智能变送器还具备以下特点。一是具备自动补偿能力，可以利用软件自动补偿传感器的非线性、时漂以及温度等因素，通电后完成传感器的自检，确保传感器各部分处于正常的运行模式。同时，可以保证数据处理的准确性，根据自动程序处理数据，比如去除异常数值以及统计处理等。二是具备双向通信功能，微处理器可以有效接收并处理数据信息，并将其反馈至传感器，以有效调节控制测量过程，记忆储存数据信息，包括传感器的特征数据、补偿特性以及组态信息等方面。三是具备数字量接口输出功能，可以将输出的数字信号连接计算机或现场总线。

2.3 智能变送器现场应用优势

智能变送器有效采用了传感技术、微电子数字处理技术等高新技术，代表着新一代变送器的崛起，具备可靠性高、测量范围宽、量程比大以及精度高等特征，具备数字通信功能。利用现场通信控制器及通信协议的DCS系统可以变更、设定智能变送器的各种参数信息，有效实现在线监测数据、远程调试以及人机对话等功能。类似于智能仪表，智能变送器也可以进行自我诊断，属于代表将来现场仪表的发展方向[1]。

3 环境温度对智能变送器的影响

本次研究主要讨论分析环境温度对智能变送器中硅电容与硅谐振式传感器元件的具体影响。

3.1 硅电容传感器

作为智能变送器中的敏感元件，硅电容传感器体积较小，由硅材料制成。其电容的三个极在晶体硅薄片下进过离子刻蚀等微机械工序加工而成，两边为固定电极，中间为可动电极，三个极片构成了差动电容，利用金属化通孔，高压力pH与低压力pL作用在测量膜片的两边。当pH与pL不等时，膜片便会产生一定比例的位移，以致一边电容量增加，另一边电容量减少。这种硅微电容传感器的体积较小，响应更快，功耗较低，便于集成。且硅材料具备优良的性能，膨胀系数较小，没有疲劳，仪表具备较好的温度性能，无需经常调整。同时，硅膜片的工作位移较小，且位移与压力具备良好的线性关系，且测量膜片采用沟状结构，与理想平行版电容具备类似的移动规律。智能变送器安装了测温传感器，可以有效修正环境温度变化带来的热影响，且检测部件下部安装了硅微电容传感器，有效减少了温度影响。且当被测介质温度发生改变时，与介质接触的膜盒接液部分的温度也会随之改变[2]。

3.2 硅谐振式传感器

硅谐振式传感器属于智能变送器的敏感元件，体积较小且功耗较低，具备较快的响应速度，属于微型构件，可以与信号处理部分进行集成。硅谐振梁结构属于硅谐振式传感器的核心部分，采用了三维表面微机械加工技术，可以加工为两个大小形状相同的H型谐振梁，一个在硅片的边缘，另一个则在硅片的中央。在压力作用下，硅片会产生变和应力，伴随膜片，两个谐振梁也会产生相应的应力。但受位置因素的影响，其所受应力各不相同，一个受压力，另外一个则受拉力，且其谐振固有频率也会发生相应改变。此时，测量两个谐振梁的频率差则可以得到被测介质的压差。硅梁、空腔以及硅膜片等均属于硅谐振式传感器的组成部分，被封在微型真空中，不受空气阻力的影响且不与灌液接触，其制成的智能变送器具备一定的稳定性。横河智能变送器便采用了硅谐振式传感器，其具备对称结构，且硅材料的弹性较好，没有疲劳与滞后性。传感器谐振梁振动频率与差压输入信号存在以下关系，随着差压的逐渐增大，中心谐振片的振动频率逐渐减小，且两者的频率差不变。即温度变化不会影响仪表特性，且在静压影响下，边侧与中心处的频率均会下降，因此静压变化也不会影响仪表性能。

4 智能变送器在实际生产中的应用

4.1 在废热锅炉液位中的应用

废热锅炉液位计主要测量天然气制氢，此时应采用罗斯蒙特智能变送器，以测量废热锅炉的液位，或者测量温度高、波动大以及低压差的液体，对测量稳定性具备较高要求。将水隔离罐安装至膜盒处，以防蒸汽高温印象导压硅油，减少波动。在冬季时，废热锅炉液位存在较大的波动，此时应对导压管进行伴热保温处理，以防环境温度对硅微电容变送器的影响。条件允许时，也可以更换使用硅谐振式变送器。

4.2 在差压式均速管流量计中的应用

氯化氢总管流量计以及差压式均速管流量计以皮托管测速为基本运行原理，直管道足够长时，管内流速分布为充分发展紊流，等速线为同心圆，测量直径几点流速即可反映整个截面的流速分布情况。硅微电容变送器并不稳定，波动较大，且零点漂移也大，并不适用于湿露气严重且环境恶劣的动态，因此应更换为硅谐振式传感器，为工艺控制提供保障，提升测量的稳定性。

4.3 在远传压力上的应用

罗斯蒙特硅电容传感器在于温度较低且环境变化较大的场所中无法正常使用，会在天气寒冷时报故障，更换硅谐振式传感器变送器后，使用正常，没有出现故障报警问题。这表明硅电容传感器受低温影响较大，冬季使用时应做好保温工作。

5 智能变送器的改进建议

一是实现通信的标准化与统一化，为了有效避免温度因素的影响，智能变送器应兼顾采用4-20mA模拟信号，确保协议终端可以互换数据信息，在避免温度影响因素的基础上降低产品的生产成本与使用成本。二是重视软件开发，摆脱照搬已有软件程序的现状，实现软件编程技术的创新，完成变送器的二次开发。三是实现全智能化，高效自动化处理数据信息，确保高自动控制。四是实现集成化，增加智能变送器的功能，不再仅仅实现单一功能。比如可以同时监测电流、电压及功率，实现载荷、位移的一体化。且还应兼并开发智能技术，促使智能变送器面向集成化方向发展。五是实现多领域化，扩展智能变送器的应用范围，除了可以应用至石油、医药以及化工等行业外，还可以应用至食品加工、家居环境实时控制以及楼宇自动化方向[3]。

6 结束语

智能变送器仪表在经过改造后，其自身运行安全性与可靠性得到了明显提升，可以有效满足车间工艺的生产需求。由此看出，为了有效保证智能变送器仪器的工作效率，应因地制宜的做好仪表选型与安装工作，并强化仪表维护管理工作，采用更多先进技术。通过这些改进后，智能变送器设备的运行可靠性会明显增加，仪器维修工作量明显减少，在提升生产稳定性的基础上，降低了维修成本，为企业赢得了更多的经济与社会效益。