傳感器及智能化儀器儀表在重點領(lǐng)域的應(yīng)用概述

XIAOZHONGMING

【摘  要】在論述傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對儀器儀表產(chǎn)品在電力行業(yè)、石油與化學(xué)工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、環(huán)保與節(jié)能減排幾大重點領(lǐng)域的應(yīng)用進行了概括說明。

       【關(guān)鍵詞】傳感器   智能化   儀器儀表   重點領(lǐng)域   應(yīng)用


        引言


       “十二五”期間，我國將大力培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，實施智能制造科技產(chǎn)業(yè)化工程、科學(xué)儀器設(shè)備科技產(chǎn)業(yè)化工程、智能制造裝備發(fā)展工程等；“工業(yè)化與信息化”深度融合，工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能減排，以及民生領(lǐng)域得到充分關(guān)注等為傳感器和儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場。


       測量與傳感是實現(xiàn)工業(yè)自動化的首要環(huán)節(jié)，工業(yè)儀器儀表能夠檢測感知設(shè)備的各個點位狀態(tài)變化，并對檢測信號進行處理、傳輸、存儲、轉(zhuǎn)化。工業(yè)自動化生產(chǎn)過程以及各種智能化裝備都要應(yīng)用儀器儀表產(chǎn)品來檢測和控制生產(chǎn)過程中設(shè)備運行的參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)下，生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品。因此儀器儀表產(chǎn)品是實現(xiàn)工業(yè)自動化設(shè)備高效生產(chǎn)的必不可少的重要手段。


       本文主要對傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；儀器儀表產(chǎn)品在電力行業(yè)、石油與化學(xué)工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、環(huán)保與節(jié)能減排幾大重點領(lǐng)域的應(yīng)用進行概述。


       1  傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀


       我國傳感技術(shù)的研究始于上世紀(jì)50年代初，70年代生產(chǎn)出了一批新型敏感元件和傳感器。從七五～十一五以來，國內(nèi)傳感器行業(yè)得到了長足發(fā)展，形成了具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)布局。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國現(xiàn)有1600余家企事業(yè)單位從事傳感器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)，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(chǎn)型公司三個方面組成。

       據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會對會員單位的統(tǒng)計，2006年～2010年敏感元件及傳感器行業(yè)的銷售收入年均增長21.4%。行業(yè)主要指標(biāo)見表1。

       目前我國傳感器的產(chǎn)業(yè)布局基本形成，產(chǎn)品門類基本齊全。經(jīng)過科技攻關(guān)，敏感元件和傳感器技術(shù)有了長足進步，產(chǎn)品的設(shè)計、制造、應(yīng)用水平普遍提高，在關(guān)鍵工藝、可靠性、產(chǎn)品開發(fā)等方面均有不同程度的突破和創(chuàng)新。中低檔產(chǎn)品基本滿足市場需求，但總體上，我國傳感器產(chǎn)品技術(shù)水平、工藝、新產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)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(yīng)用


       傳感器是國內(nèi)外公認(rèn)的具有廣闊發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、節(jié)能減排、航空航天、海洋探測、汽車、艦船、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、現(xiàn)代軍事、文物保護、災(zāi)害預(yù)測預(yù)防等人類活動的所有重要領(lǐng)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(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)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(yè)、石油與化學(xué)工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、環(huán)保與節(jié)能減排幾個重點領(lǐng)域為代表，詳細(xì)概述傳感器智能化儀器儀表的應(yīng)用。


       2.1  電力行業(yè)


       2.1.1  火力發(fā)電


       電力工業(yè)一直是儀器儀表產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域，特別是火電建設(shè)項目，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。由于電廠需要測量的介質(zhì)種類很多，有污水、補給水、凝結(jié)水、工業(yè)用水、循環(huán)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(tǒng)和各類測量儀表。火電廠需要的主要現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(guān)量儀表：火電廠的開關(guān)量儀表有壓力開關(guān)、液位開關(guān)、流量開關(guān)、粉位開關(guān)等等。


       2.1.2  水電工業(yè)


       水電廠的現(xiàn)場儀表用來監(jiān)視主要機電設(shè)備及輔助、公用系統(tǒng)的溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、液流、液位、位移等非電量參數(shù)，實現(xiàn)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(jiān)測元件、轉(zhuǎn)速監(jiān)測元件、流量監(jiān)測元件、壓力監(jiān)測元件、液位監(jiān)測元件、溫度監(jiān)測元件、剪斷銷監(jiān)測元件、位置監(jiān)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(jiān)測儀器儀表，包括：壓（應(yīng)）力監(jiān)測儀器、變形監(jiān)測儀器、滲流監(jiān)測儀器、混凝土應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測儀器、動態(tài)監(jiān)測儀器、測量儀表等。


       2.1.3  核電工業(yè)


       核電廠對儀器儀表及控制系統(tǒng)有其獨特的要求，根據(jù)儀器儀表及控制系統(tǒng)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(yīng)用的儀器儀表及控制系統(tǒng)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(tǒng)主要包括：堆心儀表系統(tǒng)（RIC）、測試儀表系統(tǒng)（KME）、電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)（KRT）、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（KDO）、緊急停堆系統(tǒng)（SPIN）、控制棒控制系統(tǒng)（RGL）、中子注量測量系統(tǒng)（RPN）等。


       2.2  石油和化學(xué)工業(yè)


       石油化工企業(yè)有塔、儲罐、熱交換器、冷凝器、反應(yīng)器、裂解爐、加熱爐、開工鍋爐、馬達(dá)控制中心、變電所、壓縮機（離心、往復(fù)式）、蒸汽／燃?xì)馔钙綑C、控制閥和開關(guān)閥等，為保證各種生產(chǎn)裝置正常運行，需要的自動化集成系統(tǒng)包括：


（1）分散控制系統(tǒng)／現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；


（2）安全儀表系統(tǒng)；


（3）火災(zāi)和氣體檢測系統(tǒng)；


（4）罐區(qū)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；


（5）壓縮機控制系統(tǒng)；


（6）機械設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)；


（7）在線分析儀表管理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；


（8）原料和產(chǎn)品計量系統(tǒng)；


（9）儲運自動化系統(tǒng)；


（10）操作數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；


（11） 操作培訓(xùn)仿真等。


       需要測量采集的數(shù)據(jù)包括：


     （1）工藝流程數(shù)據(jù)：石油化工生產(chǎn)是連續(xù)生產(chǎn)過程，工藝流程數(shù)據(jù)包括在線測量分析組分?jǐn)?shù)據(jù)（A）、流量（F）、物位（L）、壓力（P）、溫度（T）等變量參數(shù)，控制閥及開關(guān)閥動作狀態(tài)、原料、產(chǎn)品、能耗、環(huán)保等，直接實時準(zhǔn)確反映生產(chǎn)運行狀況，為操作管理人員提供優(yōu)化操作，先進控制及實時優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；


     （2）產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)：石油化工產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)包括油品、化工單體產(chǎn)品、聚合物產(chǎn)品、副產(chǎn)品等；


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


     （4）公用工程數(shù)據(jù)：包括新鮮水、循環(huán)水及回水、污水、化學(xué)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(shù)據(jù)集成用于成本核算、能耗計算和累積統(tǒng)計、環(huán)保數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。


       2.3  鋼鐵工業(yè)


       鋼鐵廠的工藝流程復(fù)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(yīng)用于煉鐵、煉鋼、軋鋼及其公附設(shè)施的檢測與控制系統(tǒng)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(yīng)用于高爐爐身溫度檢測，轉(zhuǎn)爐煙氣溫度檢測，各種介質(zhì)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(yīng)用于各種氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)的壓力檢測，廣泛應(yīng)用于煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、鍋爐、工業(yè)爐窖、制氧和水處理設(shè)施的壓力測量系統(tǒng)，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(jié)流裝置和差壓變送器組合的差壓法測量系統(tǒng)等。主要應(yīng)用領(lǐng)域為煉鐵、煉鋼、精煉、連鑄、制氧、工業(yè)爐窯和水處理設(shè)施等的氣體介質(zhì)和冷卻水的流量檢測。


       物位儀表：包括超聲波、雷達(dá)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(guān)，主要應(yīng)用于原料場、煉鐵、煉鋼、精煉等系統(tǒng)的料倉料位檢測，以及汽包水位和水處理系統(tǒng)的水位檢測。


       成份分析儀表：主要應(yīng)用于制氧廠的氣體成份分析，煉鐵系統(tǒng)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(jiān)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(yīng)用較多的是料斗秤、皮帶秤、鋼包秤和吊車秤。料斗秤主要應(yīng)用在煉鐵系統(tǒng)的配料系統(tǒng)和煉鋼、精煉系統(tǒng)的投料系統(tǒng)。皮帶秤主要應(yīng)用在原料場的輸送系統(tǒng)和各分廠的上料系統(tǒng)。機械量儀表：包括：厚度儀、寬度儀、輥縫儀、板形儀等主要應(yīng)用于冷軋和熱軋等系統(tǒng)。在冶金企業(yè)還有一些特殊儀表如：露點儀、熱值儀、水質(zhì)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(yè)


       有色金屬生產(chǎn)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(chǎn)過程可分為火法、濕法兩大類，火法冶煉生產(chǎn)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(chǎn)工藝過程是千變?nèi)f化的；工藝流程既有連續(xù)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(fā)生變化的化學(xué)過程；工藝流程長，工序多，處理過程復(fù)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?zé)煔鉁囟葯z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(dá)數(shù)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(dá)數(shù)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(zhì)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(zhì)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(fēng)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(nèi)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(xì)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(xì)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(huán)境或熔融金屬等物料計量；窄軌、準(zhǔn)軌礦車動態(tài)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(shè)備的pH測量裝置；OPR氧化還原電位計；固體物料水分連續(xù)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(huán)保和節(jié)能減排


       廣義而言，節(jié)能減排是指節(jié)約物質(zhì)資源和能量資源，減少廢棄物和環(huán)境有害物（包括三廢和噪聲等）排放。環(huán)保主要包括環(huán)境監(jiān)測、環(huán)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(huán)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(jù)，離開了測量，節(jié)約能源和環(huán)境治理都沒有依據(jù)，因此，傳感器與儀器儀表是節(jié)能減排和環(huán)境保護的重要基礎(chǔ)和手段。


       能源計量：需要應(yīng)用水表、電能表、燃?xì)獗怼崃勘韺τ脩羰褂玫乃㈦姟狻徇M行計量。只有通過完善準(zhǔn)確的計量器具配置，才能評價節(jié)能成效。自動化能效：通過對傳統(tǒng)耗能行業(yè)的能源測量和生產(chǎn)制造過程的優(yōu)化控制實現(xiàn)節(jié)能降耗。需要溫度、流量、壓力、物位、在線分析等現(xiàn)場測量儀表，DCS、PLC等控制裝置和系統(tǒng)，顯示儀表及各種控制閥、執(zhí)行機構(gòu)等。


       環(huán)境監(jiān)測：由于環(huán)境狀態(tài)的復(fù)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(tài)測量與監(jiān)控，才能取得有代表性的數(shù)據(jù)，及時、全面、準(zhǔn)確地掌握環(huán)境質(zhì)量狀況。環(huán)境監(jiān)測儀器按監(jiān)測對象可分為環(huán)境水質(zhì)與污水監(jiān)測專用儀器與系統(tǒng)；空氣質(zhì)量與污染源廢氣監(jiān)測儀器與系統(tǒng)；土壤與固體廢物污染監(jiān)測儀器等。


       控制污染物排放：除在污染排放企業(yè)安裝環(huán)境監(jiān)測儀器外，在重點排污企業(yè)安裝無線傳感設(shè)備，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠(yuǎn)程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。


       環(huán)境污染治理：通過建設(shè)污水處理廠、垃圾處理設(shè)施、城市集中供熱工程等實施環(huán)境污染治理都離不開各類傳感器與儀器儀表產(chǎn)品的應(yīng)用。


       3  結(jié)論與展望


       我國傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了仿制和引進消化階段，現(xiàn)已步入自主設(shè)計、探索創(chuàng)新階段。但傳感器及智能化儀器儀表在重大技術(shù)裝備中所占價值量仍不足5%，技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化難度大，較重大技術(shù)裝備主機與國外先進水平差距更大，因此，應(yīng)在相關(guān)政策的指引下，努力提高產(chǎn)品質(zhì)量、精度、可靠性能性能，擴大國產(chǎn)傳感器及智能化儀器儀表在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。