LEEG單晶硅壓力變送器是上海立格儀表有限公司單晶硅壓阻技術(shù)原理流程工業(yè)壓力變送器的簡稱，用于安全儀表系統(tǒng)（SIS）的單晶硅壓力變送器被稱為安全相關(guān)單晶硅壓力變送器。長期以來，安全相關(guān)壓力變送器在國內(nèi)發(fā)展緩慢，國內(nèi)石化化工場(chǎng)合安全儀表系統(tǒng)幾乎沒有安裝和使用國產(chǎn)壓力變送器。近年來，隨著國產(chǎn)各個(gè)廠商單晶硅壓阻技術(shù)壓力變送器的取得突破，達(dá)到了石化化工行業(yè)的用戶的基本要求，國產(chǎn)單晶硅壓力變送器逐漸進(jìn)入石化化工等流程工業(yè)市場(chǎng)?，F(xiàn)在，安全相關(guān)單晶硅壓力變送器的設(shè)計(jì)制造成為國產(chǎn)廠商新的突破方向。

國家化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見

     國家安全監(jiān)管總局發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》，其內(nèi)容包括充分認(rèn)識(shí)加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理工作的重要性：化工安全儀表系統(tǒng)（SIS）包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)和有毒有害、可燃?xì)怏w及火災(zāi)檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)等。安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)（例如分散控制系統(tǒng)等），生產(chǎn)正常時(shí)處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦生產(chǎn)裝置或設(shè)施出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時(shí)，能夠瞬間準(zhǔn)確動(dòng)作，使生產(chǎn)過程安全停止運(yùn)行或自動(dòng)導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)，必須有很高的可靠性（即功能安全）和規(guī)范的維護(hù)管理，如果安全儀表系統(tǒng)失效，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，近年來發(fā)達(dá)國家發(fā)生的重大化工（危險(xiǎn)化學(xué)品）事故大都與安全儀表失效或設(shè)置不當(dāng)有關(guān)。根據(jù)安全儀表功能失效產(chǎn)生的后果及風(fēng)險(xiǎn)，將安全儀表功能劃分為不同的安全完整性等級(jí)（SIL1-4，最高為4級(jí)）。不同等級(jí)安全儀表回路在設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試和操作維護(hù)方面技術(shù)要求不同；還有從源頭加快規(guī)范新建項(xiàng)目安全儀表系統(tǒng)管理工作：從2016 年 1 月 1 日起 ，大型和外商獨(dú)資合資等具備條件的化工企業(yè)新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施，要按照本指導(dǎo)意見的要求設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)。從2018 年 1 月 1 日起 ，所有新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。其他新建化工裝置、危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施安全儀表系統(tǒng)，從2020 年 1 月 1 日起 ，應(yīng)執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。壓力變送器是安全儀表系統(tǒng)的其中一員，也是重要成員，用于安全儀表系統(tǒng)的安全相關(guān)壓力變送器國產(chǎn)化對(duì)掌握核心技術(shù)、降低成本普及中小企業(yè)安裝使用安全儀表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全面化工安全意義重大。

安全源于設(shè)計(jì)

       國內(nèi)安全儀表系統(tǒng)專家曾經(jīng)這樣說，“安全相關(guān)系統(tǒng)的失效控制思路是帶有內(nèi)化傾向的，將所有可能導(dǎo)致失效的問題，全部作為自身的我那天來予以解決。這就像修行，不見人過，只見己非?！卑选鞍踩谝弧弊鳛楹诵膬r(jià)值觀，用“安全源于設(shè)計(jì)”的理念去指導(dǎo)工作的上海立格深刻理解并堅(jiān)持“不見人過，只見己非”，這也正是LEEG單晶硅壓力變送器的品牌使命。

設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路

      安全相關(guān)LEEG單晶硅壓力變送器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思路，一句話概括就是無論什么情況下，都要保證壓力測(cè)量功能的正常工作。單晶硅壓力變送器由傳感器模塊、變送模塊、耐瞬變端子模塊等硬件、操作軟件和過程連接、電氣保護(hù)殼等機(jī)械零部件組成，也可以看做是硬件和軟件組成。如要達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí)的安全相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn),就在于在安全相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)過程中使其硬件安全完整性等級(jí)和軟件安全完整性等級(jí)達(dá)到目標(biāo)安全完整性等級(jí),即在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中采取一些措施和手段降低隨機(jī)硬件失效中不可診斷的危險(xiǎn)失效的份額,同時(shí)采取一些措施和手段避免和控制產(chǎn)品在開發(fā)過程中引入的系統(tǒng)失效。

故障安全原則

     故障安全原則，當(dāng)內(nèi)部或外部原因使安全相關(guān)系統(tǒng)失效時(shí)，被保護(hù)的對(duì)象應(yīng)按預(yù)定的順序達(dá)到安全狀態(tài)，這就是故障安全原則。在采取控制失效的方法之前，我們認(rèn)為首先應(yīng)該考慮的是壓力變送器的故障安全原則，相當(dāng)于把壓力變送器在工作時(shí)候可能出現(xiàn)的最壞的情況處理措施安排妥當(dāng)，讓保護(hù)的對(duì)象應(yīng)按預(yù)定的順序達(dá)到安全狀態(tài)，避免導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)最壞情況，然后不斷地測(cè)試及改進(jìn)控制失效的方法，鞏固壓力變送器的安全相關(guān)性能。安全相關(guān)壓力變送器的發(fā)生故障時(shí)候信號(hào)輸出3.6mA＜I≤3.8mA或21.5mA≥I＞20.5mA，而安全狀態(tài)就是斷電狀態(tài)。

控制失效方法

      壓力變送器的失效可以分為壓力變送器自身的、過程連接和電氣連接的以及管網(wǎng)罐體周圍環(huán)境的，失效的情況來自現(xiàn)場(chǎng)的工況不同壓力變送器使用反饋，控制失效的方法來自十幾年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，還有借鑒標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)的解決方法。對(duì)于壓力變送器自身來說，表壓力類型的安全相關(guān)壓力變送器的傳感器模塊采用高承壓的電氣連接及側(cè)面參考端壓力進(jìn)入口，即使壓力變送器膜片被擊穿也可以避免過程介質(zhì)進(jìn)入電氣保護(hù)殼引發(fā)其他事故，而膜片狀態(tài)監(jiān)測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)破損并報(bào)警，讓工作人員及時(shí)處理故障；壓力敏感元件是單晶硅材質(zhì)的彈性體，其對(duì)壓力高度敏感的特點(diǎn)意味著不耐高過載壓力沖擊，敏感元件的損壞將導(dǎo)致壓力變送器無法正常工作，特別增加一道中心膜片用于防護(hù)壓力沖擊，并對(duì)敏感元件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；在測(cè)量差壓時(shí)選用多變量傳感器，集成了差壓、靜壓（表壓力和絕壓）和溫度敏感元件，單一差壓敏感元件原理上無法測(cè)量到靜壓的變化，選用多變量傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控；變送模塊還增加了對(duì)各個(gè)元器件子模塊的周期性、連續(xù)性監(jiān)控，包括ROM、RAM、ERPROM的數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的看門狗監(jiān)控軟件，周期性監(jiān)控傳感器集成溫度值、變送模塊集成溫度值、LCD顯示模塊的狀態(tài)、溫度壓力補(bǔ)償?shù)那闆r以及測(cè)量值的變化情況等。對(duì)壓力變送器的工作時(shí)間進(jìn)行累積，用以檢驗(yàn)變送模塊和傳感器的可靠性，并作為制度校準(zhǔn)周期的參考。

安裝使用及周圍環(huán)境影響

      對(duì)于壓力變送器的過程連接和電氣連接而言，電源線和信號(hào)線監(jiān)控，包括電子線的接線、端子以及供電電源的狀態(tài)，這樣既可以監(jiān)控壓力變送器供給設(shè)備的狀態(tài)，也避免大規(guī)模故障狀態(tài)的發(fā)生。壓力變送器進(jìn)行壓力測(cè)量，一般都會(huì)使用引壓管，既可以降溫又達(dá)到壓力緩沖的作用，常規(guī)壓力變送器就可以直接測(cè)量管道的高溫，如遇到粉塵、顆粒、雜質(zhì)的堵塞，有時(shí)候通有時(shí)候堵會(huì)導(dǎo)致壓力無法傳遞或造成壓力沖擊損壞壓力變送器。還有就是壓力變送器用于流程工業(yè)的工廠管網(wǎng)、罐區(qū)、各類反應(yīng)裝置等，在易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境中應(yīng)用，一些壓力變送器會(huì)在電氣保護(hù)箱中安裝，更多的壓力變送器直接暴露在周圍環(huán)境中，面對(duì)著自然刮風(fēng)下雨的天氣，隔爆型電氣保護(hù)殼在進(jìn)行電氣防護(hù)管安裝及打開保護(hù)蓋，如果重新密封不嚴(yán)可能導(dǎo)致進(jìn)水或隔爆防護(hù)達(dá)不到要求；管網(wǎng)的壓力脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓力沖擊，不僅會(huì)造成壓力變送器傳感器部分損壞，嚴(yán)重的時(shí)候還有導(dǎo)致管道被擊穿造成泄漏事故，安全相關(guān)壓力變送器內(nèi)置的壓力極限值記錄器，既可以記錄瞬間壓力的峰值又可以記錄發(fā)生的頻繁程度，可以用于監(jiān)控管道介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。

安全功能

      安全相關(guān)壓力變送器核心是確保壓力測(cè)量安全功能的實(shí)現(xiàn)，也就是對(duì)過程壓力一絲一毫變化的精準(zhǔn)測(cè)量，并且是近乎實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)測(cè)量輸出，讓用戶透過壓力測(cè)量可以洞察生產(chǎn)裝置的運(yùn)行真情情況。比如用于鍋爐爐膛微差壓監(jiān)測(cè)的差壓變送器可以監(jiān)控火焰的狀態(tài)，還有通過壓力損失發(fā)現(xiàn)過程管道泄漏的情況等等。安全相關(guān)壓力變送器其實(shí)有著極高的壓力測(cè)量精度要求，又有快速響應(yīng)的要求和長期可靠性的要求，這也正是LEEG單晶硅壓力變送器的特點(diǎn)，其壓力測(cè)量核心是單晶硅壓力敏感元件，所使用單晶硅材質(zhì)具有高靈敏度、極小滯后和蠕變極小、良好的機(jī)械穩(wěn)定性，單晶硅敏感元件位于傳感器模塊金屬本體頂部，遠(yuǎn)離介質(zhì)接觸面，實(shí)現(xiàn)機(jī)械隔離和熱隔離，玻璃燒結(jié)一體的傳感器引線實(shí)現(xiàn)了與金屬基體的高強(qiáng)度電氣絕緣，提高了電子線路的靈活性能與耐瞬變電壓保護(hù)的能力，這些獨(dú)創(chuàng)的單晶硅壓力傳感器模塊封裝技術(shù)確保了單晶硅壓力變送器可從容應(yīng)對(duì)復(fù)雜的化學(xué)場(chǎng)合和機(jī)械負(fù)荷，同時(shí)具備強(qiáng)大的抗電磁干擾能力，足以應(yīng)對(duì)苛刻的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用，壓力測(cè)量精度達(dá)到了0.05%的高精度，響應(yīng)時(shí)間小于100mS，并具有5年以上的長期穩(wěn)定性。

安全相關(guān)壓力變送器選型

      還有，我們也需要把用于DCS系統(tǒng)的常規(guī)壓力變送器的選型問題加于考慮，比如過程介質(zhì)的問題：介質(zhì)的形狀、溫度、極限壓力范圍等，還有強(qiáng)酸強(qiáng)堿、含雜質(zhì)、有粉塵顆粒以及容易凝固結(jié)晶等等，還有一些特殊的介質(zhì)，比如氧氣、氫氣等，氧氣需要考慮禁油及填充液的適合類型，高溫高壓下氫氣會(huì)發(fā)生氫透情況，需要采用鍍金測(cè)量膜片，還有一些特殊介質(zhì)的處理措施就不一一列舉。另外一個(gè)問題就是工廠所在地區(qū)的氣候環(huán)境影響，比如南方地區(qū)的雷暴天氣，還有北方地區(qū)極端寒冷天氣的保護(hù)措施等，總的來說，安全相關(guān)壓力變送器不僅要考慮常規(guī)壓力變送器的選型問題，還要考慮安全功能的實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

      安全相關(guān)壓力變送器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想就是無論什么情況下，都要保證壓力測(cè)量功能的正常工作。然而，首先應(yīng)該考慮的是壓力變送器的故障安全原則，相當(dāng)于把壓力變送器在工作時(shí)候可能出現(xiàn)的最壞的情況處理措施安排妥當(dāng)，讓保護(hù)的對(duì)象應(yīng)按預(yù)定的順序達(dá)到安全狀態(tài)，避免導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)最壞情況，通過不斷地測(cè)試及改進(jìn)控制失效的方法，從而提升壓力變送器功能安全性能。

參考資料：

（1）《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》 摘自國家應(yīng)急管理部官網(wǎng)；

（2）《功能安全技術(shù)與應(yīng)用知識(shí)講座》 馮曉升；

（3）《功能安全產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技術(shù)系列講座》 謝亞蓮。