傳感器及智能化儀器儀表在重點領域的應用概述

XIAOZHONGMING

【摘  要】在論述傳感器及智能化儀器儀表產業發展現狀的基礎上，對儀器儀表產品在電力行業、石油與化學工業、鋼鐵工業、有色金屬工業、環保與節能減排幾大重點領域的應用進行了概括說明。

       【關鍵詞】傳感器   智能化   儀器儀表   重點領域   應用


        引言


       “十二五”期間，我國將大力培育和發展戰略性新興產業，實施智能制造科技產業化工程、科學儀器設備科技產業化工程、智能制造裝備發展工程等；“工業化與信息化”深度融合，工業企業轉型升級，節能減排，以及民生領域得到充分關注等為傳感器和儀器儀表產業的發展提供了廣闊的市場。


       測量與傳感是實現工業自動化的首要環節，工業儀器儀表能夠檢測感知設備的各個點位狀態變化，并對檢測信號進行處理、傳輸、存儲、轉化。工業自動化生產過程以及各種智能化裝備都要應用儀器儀表產品來檢測和控制生產過程中設備運行的參數，使設備工作在正常狀態下，生產出高質量產品。因此儀器儀表產品是實現工業自動化設備高效生產的必不可少的重要手段。


       本文主要對傳感器產業的發展現狀；儀器儀表產品在電力行業、石油與化學工業、鋼鐵工業、有色金屬工業、環保與節能減排幾大重點領域的應用進行概述。


       1  傳感器產業現狀


       我國傳感技術的研究始于上世紀50年代初，70年代生產出了一批新型敏感元件和傳感器。從七五～十一五以來，國內傳感器行業得到了長足發展，形成了具有一定規模的產業布局。據不完全統計，全國現有1600余家企事業單位從事傳感器的研究、生產和應用開發，主要由以傳感器國家重點實驗室、傳感器國家工程研究中心和生產型公司三個方面組成。

       據中國電子元件行業協會對會員單位的統計，2006年～2010年敏感元件及傳感器行業的銷售收入年均增長21.4%。行業主要指標見表1。

       目前我國傳感器的產業布局基本形成，產品門類基本齊全。經過科技攻關，敏感元件和傳感器技術有了長足進步，產品的設計、制造、應用水平普遍提高，在關鍵工藝、可靠性、產品開發等方面均有不同程度的突破和創新。中低檔產品基本滿足市場需求，但總體上，我國傳感器產品技術水平、工藝、新產品開發、應用研究與國外相比，仍存在一定差距。


       2  傳感器及智能化儀器儀表的應用


       傳感器是國內外公認的具有廣闊發展前途的高技術產業，它的應用已經滲透到諸如工業生產、環境保護、節能減排、航空航天、海洋探測、汽車、艦船、醫學診斷、生物工程、現代軍事、文物保護、災害預測預防等人類活動的所有重要領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。


       這里，主要以電力行業、石油與化學工業、鋼鐵工業、有色金屬工業、環保與節能減排幾個重點領域為代表，詳細概述傳感器智能化儀器儀表的應用。


       2.1  電力行業


       2.1.1  火力發電


       電力工業一直是儀器儀表產品的主要應用領域，特別是火電建設項目，一直是業內關注的重點。由于電廠需要測量的介質種類很多，有污水、補給水、凝結水、工業用水、循環水、煤、煤粉、灰、渣、油、氫、氧、煙氣、空氣、蒸氣等等，故需要許多控制系統和各類測量儀表。火電廠需要的主要現場儀表包括：


? 壓力變送器：目前火電廠采用的變送器一般為智能型變送器；


? 流量測量儀表：電廠的工藝介質種類很多，空氣流量測量儀表可選擇插入式流量計，汽、水等流量測量儀表可選擇節流噴咀等測量元件，除此以外，尚需要其它種類的流量計；


? 測溫元件：火電廠的測溫元件多采用熱電偶與熱電阻；


? 分析儀表：電廠的分析儀表種類較多，如硅酸根分析儀表、PH計、氫氣分析儀、煙氣含氧量等等；


? 開關量儀表：火電廠的開關量儀表有壓力開關、液位開關、流量開關、粉位開關等等。


       2.1.2  水電工業


       水電廠的現場儀表用來監視主要機電設備及輔助、公用系統的溫度、轉速、壓力、液流、液位、位移等非電量參數，實現越限報警或參與機組的順序控制，這一類自動化元件主要包括：振動監測元件、轉速監測元件、流量監測元件、壓力監測元件、液位監測元件、溫度監測元件、剪斷銷監測元件、位置監測元件等。一般每臺機組對每一參量都需要有十幾個到幾十個測量點。


       除此之外，水電廠還需要大壩監測儀器儀表，包括：壓（應）力監測儀器、變形監測儀器、滲流監測儀器、混凝土應力應變及溫度監測儀器、動態監測儀器、測量儀表等。


       2.1.3  核電工業


       核電廠對儀器儀表及控制系統有其獨特的要求，根據儀器儀表及控制系統所處位置、功能用途、安全重要性等共分為4個安全級別。進入核電站應用的儀器儀表及控制系統要通過核電站運行安全方面的驗證。


       核電站的自動控制和保護系統主要包括：堆心儀表系統（RIC）、測試儀表系統（KME）、電站輻射監測系統（KRT）、計算機數據采集系統（KDO）、緊急停堆系統（SPIN）、控制棒控制系統（RGL）、中子注量測量系統（RPN）等。


       2.2  石油和化學工業


       石油化工企業有塔、儲罐、熱交換器、冷凝器、反應器、裂解爐、加熱爐、開工鍋爐、馬達控制中心、變電所、壓縮機（離心、往復式）、蒸汽／燃氣透平機、控制閥和開關閥等，為保證各種生產裝置正常運行，需要的自動化集成系統包括：


（1）分散控制系統／現場總線控制系統；


（2）安全儀表系統；


（3）火災和氣體檢測系統；


（4）罐區數據采集系統；


（5）壓縮機控制系統；


（6）機械設備監視系統；


（7）在線分析儀表管理及數據采集系統；


（8）原料和產品計量系統；


（9）儲運自動化系統；


（10）操作數據管理系統；


（11） 操作培訓仿真等。


       需要測量采集的數據包括：


     （1）工藝流程數據：石油化工生產是連續生產過程，工藝流程數據包括在線測量分析組分數據（A）、流量（F）、物位（L）、壓力（P）、溫度（T）等變量參數，控制閥及開關閥動作狀態、原料、產品、能耗、環保等，直接實時準確反映生產運行狀況，為操作管理人員提供優化操作，先進控制及實時優化的基礎數據；


     （2）產品質量數據：石油化工產品質量數據包括油品、化工單體產品、聚合物產品、副產品等；


     （3）儲運數據：儲運數據包括原油、成品油罐存數據，液體化工原料、產品或副產品罐存數據，聚合物成品倉庫數據，碼頭船運裝卸數據，火車、汽車裝卸數據等；


     （4）公用工程數據：包括新鮮水、循環水及回水、污水、化學水、電力、蒸汽、燃料油、燃料氣、儀表空氣、工藝空氣、氮氣、火炬排放氣體等。公用工程數據集成用于成本核算、能耗計算和累積統計、環保數據統計等。


       2.3  鋼鐵工業


       鋼鐵廠的工藝流程復雜，冶煉加工工序繁多，各種熱工量檢測儀表、成份分析儀表、機械量檢測儀表等廣泛應用于煉鐵、煉鋼、軋鋼及其公附設施的檢測與控制系統中。


       溫度檢測儀表：溫度檢測儀表包括熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀和雙金屬溫度計等，主要應用于高爐爐身溫度檢測，轉爐煙氣溫度檢測，各種介質和冷卻水溫度檢測，爐窯溫度檢測，棒材、線材、板帶表面溫度檢測等。


       壓力檢測儀表：壓力檢測儀表包括絕對壓力、真空、表壓和差壓檢測儀表。主要應用于各種氣體介質和液體介質的壓力檢測，廣泛應用于煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、鍋爐、工業爐窖、制氧和水處理設施的壓力測量系統，是用量最大最廣泛的儀表。


       流量檢測儀表：流量檢測儀表的種類繁多，有電磁流量計、渦街流量計、V錐流量計、超聲波流量計以及各種節流裝置和差壓變送器組合的差壓法測量系統等。主要應用領域為煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、制氧、工業爐窯和水處理設施等的氣體介質和冷卻水的流量檢測。


       物位儀表：包括超聲波、雷達料位計、靜壓式液位計、電容式物位計、磁翻板式物位計以及各種料位開關，主要應用于原料場、煉鐵、煉鋼、精煉等系統的料倉料位檢測，以及汽包水位和水處理系統的水位檢測。


       成份分析儀表：主要應用于制氧廠的氣體成份分析，煉鐵系統有爐頂煙氣成份分析、焦炭含水量檢測、煉鋼廠煙氣成份分析、可燃有毒氣體監測等，主要分析的組份為CO、CO2、O2、 H2、 N2、 甲烷、 乙炔等。


       稱量儀表：應用較多的是料斗秤、皮帶秤、鋼包秤和吊車秤。料斗秤主要應用在煉鐵系統的配料系統和煉鋼、精煉系統的投料系統。皮帶秤主要應用在原料場的輸送系統和各分廠的上料系統。機械量儀表：包括：厚度儀、寬度儀、輥縫儀、板形儀等主要應用于冷軋和熱軋等系統。在冶金企業還有一些特殊儀表如：露點儀、熱值儀、水質分析類儀表（PH計、濁度計）等，用量相對較少。


       2.4  有色金屬工業


       有色金屬生產過程分為采礦、選礦、冶煉、加工四大部分，工藝要求完全不同；有色金屬種類繁多，工藝流程也各不相同，例如冶煉生產過程可分為火法、濕法兩大類，火法冶煉生產過程又有多種冶煉方法，而每一種冶煉方法又存在多種爐型，所以有色金屬生產工藝過程是千變萬化的；工藝流程既有連續性強的操作，也有很多間斷性的批量操作；工藝過程既有僅是固體物料形狀變化的物理過程，也有固體物料、氣體、液體、熔體組分發生變化的化學過程；工藝流程長，工序多，處理過程復雜，因此對過程檢測儀表要求具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特殊性能。


       有色金屬工廠大量使用的儀表有溫度、壓力、流量、物位、稱重、成份分析等。


       對溫度儀表的特殊要求包括： 高溫煙氣溫度檢測， 溫度測量范圍1200～1500℃； 高溫高速煙氣溫度檢測， 溫度測量范圍1200～1500℃， 煙氣流速高達數十米／秒： 高溫高速高磨損氣體溫度檢測， 溫度測量范圍1000～1500℃， 為流速高達數十米／秒氣固兩相流的磨損及沖刷； 金屬熔體（如銅、 鋁、 鋅、 錫）溫度的檢測，包括各種金屬熔融物 （如冰銅） 、 熔渣溫度的檢測等。對壓力儀表的特殊要求包括：高含塵量氣體壓力檢測；高精度爐膛壓力檢測；礦漿壓力檢測；腐蝕性介質壓力檢測。


       對流量儀表的特殊要求包括：大管徑氣體流量檢測；大管徑高溫氣體流量檢測；大管徑高含塵量煙氣流量檢測；熔融金屬流量檢測；酸堿介質流量檢測；液固兩相流（如礦漿）流量檢測；液固兩相流（如礦漿）中干礦量流量檢測；氣固兩相流（如風送煤粉、煙塵、焙砂）中固體流量檢測。


       對物位儀表的特殊要求：冶金爐內高溫大塊固體物料物位檢測；高溫熔融金屬或爐渣物位檢測；高溫熔融金屬或爐渣界面檢測；耐火磚腐蝕沖刷程度檢測；干燥細粉狀物料（如煤粉、煙塵、焙砂）物位檢測；濃密機固液界面檢測。


       對稱重儀表的特殊要求：干燥細粉狀物料（如煤粉、煙塵、焙砂）的稱重計量；高精度皮帶輸送機物料計量；易進行檢定的皮帶秤物料計量裝置；高溫環境或熔融金屬等物料計量；窄軌、準軌礦車動態軌道衡計量；中小型礦井出口稅控皮帶秤計量。


       對成份分析儀表的特殊要求：煙氣成分全分析裝置；微量SO2分析裝置；93酸分析裝置；帶自動電極清洗設備的pH測量裝置；OPR氧化還原電位計；固體物料水分連續檢測裝置；熔融金屬或爐渣成分分析裝置；固體物料在線成分和組分全分析裝置；濕法冶金過程溶液成分分析裝置；礦漿中固體物料成分分析裝置；礦漿中固體物料粒度分析裝置。


       2.5  環保和節能減排


       廣義而言，節能減排是指節約物質資源和能量資源，減少廢棄物和環境有害物（包括三廢和噪聲等）排放。環保主要包括環境監測、環境污染治理和控制污染物排放。無論是合理利用資源還是保護環境，最首要的問題就是測量問題。測量是資源管理和污染治理的依據，離開了測量，節約能源和環境治理都沒有依據，因此，傳感器與儀器儀表是節能減排和環境保護的重要基礎和手段。


       能源計量：需要應用水表、電能表、燃氣表、熱量表對用戶使用的水、電、氣、熱進行計量。只有通過完善準確的計量器具配置，才能評價節能成效。自動化能效：通過對傳統耗能行業的能源測量和生產制造過程的優化控制實現節能降耗。需要溫度、流量、壓力、物位、在線分析等現場測量儀表，DCS、PLC等控制裝置和系統，顯示儀表及各種控制閥、執行機構等。


       環境監測：由于環境狀態的復雜，污染物種類的繁多，含量變化范圍甚大，所以只有采用儀器分析法，并進行實時動態測量與監控，才能取得有代表性的數據，及時、全面、準確地掌握環境質量狀況。環境監測儀器按監測對象可分為環境水質與污水監測專用儀器與系統；空氣質量與污染源廢氣監測儀器與系統；土壤與固體廢物污染監測儀器等。


       控制污染物排放：除在污染排放企業安裝環境監測儀器外，在重點排污企業安裝無線傳感設備，不僅可以實時監測企業排污數據，而且可以遠程關閉排污口，防止突發性環境污染事故的發生。


       環境污染治理：通過建設污水處理廠、垃圾處理設施、城市集中供熱工程等實施環境污染治理都離不開各類傳感器與儀器儀表產品的應用。


       3  結論與展望


       我國傳感器及智能化儀器儀表產業經歷了仿制和引進消化階段，現已步入自主設計、探索創新階段。但傳感器及智能化儀器儀表在重大技術裝備中所占價值量仍不足5%，技術攻關及產業化難度大，較重大技術裝備主機與國外先進水平差距更大，因此，應在相關政策的指引下，努力提高產品質量、精度、可靠性能性能，擴大國產傳感器及智能化儀器儀表在更多領域的應用，并帶動相關產業的持續發展。