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品牌变送器历史发展的深入研究

专题报道中国仪表网2012年01月06日 08:48人气:4372

1.历史回顾

压力、差压变送器是自动化仪表中最重要的一类,应用范围很广,除了可用于压力、差压测量之外,还可用于流量、液位、比重等其它参数的测量。它的销售量非常大,据介绍,仅横河川仪公司2004年的销售量就达到10万台,而美国罗斯蒙特(Rosemount,艾默生过程管理的子公司)公司1151型和3051型年产量达到43万台,35年来的总产量超过800万台。而日本横河(Yokogawa)公司自1991年推出EJA压力、差压变送器以来,总产量超过150万台。

上世纪六十年代至七十年代末期,我们通常使用的是国产力平衡式电动II型、III型变送器,精确度很低,性能也不稳定,故障率较高。八十年代初期,西安仪表厂与美国罗斯蒙特公司合作,在西仪生产1151系列变送器,从而开创了国外高性能变送器快速进入中国市场的先例;随后日本富士(Fuji)公司FC系列变送器、日本日立(HITACHI)公司EDR/EPR系列变送器也在我国上海自动化仪表一厂、兰炼仪表厂、大连仪表厂引进生产。

而随着国外仪器仪表公司变送器产品的大量涌入,我们逐步接受了包括美国霍尼威尔(Honeywell)公司、美国罗斯蒙特公司、日本横河公司、德国E H(Endress Hauser)公司、美国福克斯波罗(Foxboro)公司、日本富士(Fuji)公司、日本日立公司、美国摩尔(Moore)公司、美国斯玛(Smar)公司等生产的产品。

九十年代初期,四川仪表总厂与横河公司合资成立重庆川仪横河公司(后改成重庆横河川仪公司),生产EJA系列变送器,同时通过川仪总厂及横河公司在华的销售网络大力推销,年销售额快速增长,其风头甚至盖过罗斯蒙特公司的变送器类产品。ABB公司1999年推出MV2000T智能变送器后,也采用了与罗斯蒙特公司、横河公司几乎相同的方式,在中国寻求合作伙伴——上海威尔泰公司,合资建立生产线,并已经取得了年销售数万台的业绩。近年来,由于跨国公司在中国变送器的销售量大幅增长,除了日本富士公司与浙大中控仪表公司合作生产CXT变送器之外,德国西门子公司、德国E H公司、ABB公司均已在中国建立自己的变送器生产线。由此可见,在中国变送器市场上的竞争将越来越激烈。

我们接触了这么多的变送器,细想一下,应该可以大致按十年一代的周期将其分为模拟式、智能式、数字智能式三代产品。

2. 第一代产品——模拟式变送器

我们早期使用的是国产力平衡式电动II型、III型变送器,精确度只能达到0.5%、1.0%,八十年代初期,西安仪表厂引进美国罗斯蒙特公司代表国外七十年代初期水平的1151系列变送器,除了DR型微差压变送器的精确度是0.5%以外,其余的大都是0.25%,这是中国人大量接触的第一代国外变送器。其特点是采用4~20mA信号传输的模拟仪表,就地显示表头为指针式,量程比在6:1左右,精确度为0.25~0.5%,稳定性6个月。前面提到的日本富士公司FC系列变送器、日本日立公司EDR/EPR系列变送器也属同一时代的产品。
罗斯蒙特公司1151系列变送器
图1 罗斯蒙特公司1151系列变送器
 
3.第二代产品——智能式变送器

1983年,美国霍尼威尔公司首先推出智能式变送器——ST3000,1989年又推出第一台全数字双向协议的智能式变送器,其特点是:传感元件采用微机械电子加工技术,安装有测温补偿元件及大规模集成电路组成的电路板;提高了变送器的检测精度和量程比;带本公司的DE通讯协议,同时传输模拟信号和数字信号;变送器就地显示表由模拟指针式改进为数字式;可用手操器或在控制系统远程组态,实现远方设定或远方修改变送器组态数据。

稍后,罗斯蒙特公司1151系列变送器经过了几次改进,量程比分别达到15:1、40:1、50:1,精确度分别达到0.1%、0.075%,稳定性由6个月提高到2年,且部分产品带HART协议,已实现模拟仪表向智能化的过渡。目前,作为罗斯蒙特公司变送器类的中低端产品,1151系列变送器至今仍然畅销,且销售量占变送器总量的20%。

九十年代初,随着日本横河公司EJA变送器进入中国(见图3),o.1% (EJA-xxx)、0.075%(1998年问世的EJA-xxxA)精确度的变送器产品也引起了我们的关注,它的卖点除了高精确度、大量程比、高稳定性外,还有差压变送器单向过压可达到14MPa,可不加三阀组而直接安装使用。

除上述变送器外,与此相当的产品有罗斯蒙特公司的3051C变送器、德国E H公司的Cerabar S变送器、美国福克斯波罗公司的I/A变送器 、日本富士公司的FCX变送器、美国摩尔公司的XTC变送器、美国斯玛公司的LD301、LD302变送器、德国西门子公司的SITRANS P DSIII、德国ABB公司的MV2000T变送器。第二代变送器量程比可达到100:1(霍尼威尔公司有的产品甚至达到400:1、555:1),精确度为o.1%~0.05% ,稳定性1~5年。第二代变送器稍早期的产品中带HART协议或本公司内部协议(如霍尼威尔公司的DE协议、横河公司的BRAIN协议、福克斯波罗公司的FoxCon协议、ABB公司的Bailey FSK协议等等),后期的产品已经带有符合现场总线国际标准的FF或PROFIBUS-PA协议。
横河公司的EJA差压、压力、法兰式差压、隔膜式压力变送器
图3 横河公司的EJA差压、压力、法兰式差压、隔膜式压力变送器
 
4.第三代产品——数字智能式变送器

进入二十一世纪,第三代变送器又逐步走入我们的视野,其代表性的产品是美国罗斯蒙特公司的3051S变送器、日本横河公司的EJX变送器、美国霍尼威尔公司的ST3000/100变送器和德国ABB公司的2600T265系列变送器。第三代变送器的突出优点是:

1) 先进检测技术的采用

据罗斯蒙特公司介绍,3051S变送器在电容式测量原理的基础上,采用超级模块(SuperModule)设计及先进的土星(Satum)双传感器检测技术(见图4),扩大了自诊断能力,使变送器零漂降低30%,过压性能提高10倍;改进了传感膜头制造工艺,提高了膜头精度和静压性能;改进充油工艺过程,优化了产品性能;采用新的专用集成电路ASIC技术,使变送器线性更好,精确度更高;超级模块与单一电路板置于全焊接真空密封的不锈钢壳体内,因而消除了湿气、粉尘及其它现场恶劣环境对变送器测量的影响。
罗斯蒙特公司的3051S变送器的“超级模块”原理图
图4 罗斯蒙特公司的3051S变送器的“超级模块”原理图
 
ABB公司2600T变送器是综合了ABB公司2000T和600T优点开发的新型变送器,他采用了多传感器的结构,传感器的类型有电感式、压电式、电容式,可根据量程和应用来选择最合适的传感器。

精确度提高

它们声称的精确度均优于 0.05%,如ABB公司的2600T265系列变送器为 0.04%,霍尼威尔公司的ST3000 100变送器为0.0375%,罗斯蒙特公司的3051S变送器、横河公司的EJX变送器为0.025%。当然,这是指结构较为简单的压力、差压变送器的常规量程(通常不包括远传压力、差压变送器、绝对压力变送器及压力、差压变送器的微压、超高压量程)。

部分产品的量程比扩大、量程分档更细

部分产品的量程比扩大了,例如横河公司的EJA差压变送器L、M、H量程分别为0.5~10 kPa、1~100 kPa、5~500 kPa,量程比分别为20:1、100:1、100:1,而EJX变送器L、M、H量程分别为0.1~10 kPa、0.5~100 kPa、2.5~500 kPa,量程比分别为100:1、200:1、200:1。

还有一个细节是第三代变送器的量程分档更细了,横河公司EJA430A压力变送器量程仅有两档:0.03~3 MPa、0.14~14 MPa,而EJX430A压力变送器量程增加到三档:0.0025~0.5MPa、0.0175~3.5 MPa、0.08~16MPa,不仅量程比由EJA的100:1提高到200:1,延伸了测量范围,而且可使用户选型时将使用量程定到更接近在最大量程的地方,从而提高变送器的使用精确度。

稳定性和可靠性

稳定性达到5年以上,如ABB公司的2600T变送器、霍尼威尔公司的ST3000/100变送器为5年,横河公司的EJX变送器、罗斯蒙特公司的3051S变送器为10年。霍尼威尔公司的ST3000/100变送器的MTBF(平均无故障时间)达到470年,而横河公司的EJX变送器的MTBF由EJA变送器的457年提高到1200年(几乎是天文数字!),安全失效系数(safe failure fraction)由EJA变送器的88.7%提高到93.2%。

安全性

由于生产过程安全越来越受到人们重视,随着针对制造商的安全标准IEC61508的更新和针对过程工业(即最终用户)的安全标准61511的发布,越来越多的用户开始对执行严格的危害风险评估和应用经认证的安全仪表系统(SIS)感兴趣。第二代变送器早期产品通常除了防爆安全之外未提及安全认证,第三代变送器就重点提到安全性。ABB公司的2600T变送器、横河公司的EJX变送器、罗斯蒙特公司的3051S变送器是按IEC61508经TüV认证,它们是符合IEC-61511(过程工业安全标准)Safety Integrity Level(安全完善级别)SIL2(单输入量模式)、SIL3 (双输入量冗余模式)标准的产品,可满足一些特殊领域的需求,这些变送器的冗余及自诊断功能能保证在工艺条件超过临界值时的安全停机。如ABB公司的2600T带HART协议的安全型变送器,它利用本身具有冗余特性的感应式测量系统及自诊断功能执行以下步骤:将冗余的输入信号在微处理器中进行比较;输出信号反馈到微处理器进行检测;每隔30秒进行一次全面的内部诊断;在模拟输出信号发生故障的情况下,变送器将根据标准要求自动处于安全状态,还可将提示信息输出到表头显示或传送到控制系统报警。艾默生过程管理(罗斯蒙特公司的母公司)在MICONEX2004展会上推出了最新的PlantWeb® Smart SIS 智能安全仪表管理方案,这是工业领域中首次将包括3051S变送器在内的传感器数字智能和诊断技术运用到逻辑控制器中实施最终控制,也是首次采用整体安全回路的方式来进行控制。在根据IEC标准对具有严格安全要求的设备分别进行维护时,也能同时看到所有设备的概况。安全数据和报警信息可在艾默生的DeltaV™操作界面中显示,同时储存在它的历史记录中,并能够被传送到AMS™ Suite软件组合:智能设备管理方案(Intelligent Device Manager)软件中进行统一归档和管理。艾默生过程管理的总裁John Berra说:“PlantWeb Smart SIS智能安全仪表管理方案采用数字智能技术和自动验证测试技术,可实现对安全回路中的传感器等器件进行连续地、有针对性的诊断,以确保这些设备符合您的运行要求。安全系统的可靠性减少了危险的工厂巡视,同时也避免了高成本高风险的手动测试”。
ABB公司的2600T系列中的265D差压变送器
图6 ABB公司的2600T系列中的265D差压变送器
 
从另一方面说,变送器的响应时间由普通变送器的750mS以上减少到罗斯蒙特公司3051S变送器的100mS和横河公司的EJX变送器的95mS,这种动态快速响应能力特别适用于紧急停车等安全要求极严格的场合。

通讯协议更全

由于现场总线国际标准已经公布,更多的厂家生产带FF或PROFIBUS-PA协议的产品,更多的用户选用带FF或PROFIBUS-PA协议的产品。原来通讯协议较全的ABB公司,2600T变送器在4~20mA/HART、PROFIBUS-PA、FF的基础上又增加了MODBUS,罗斯蒙特公司的3051S变送器在4~20mA/HART、FF的基础上又增加了PROFIBUS-PA。据罗斯蒙特公司介绍:虽然目前该公司所生产的变送器带有HART功能的占95%,FF总线功能的只占4.9%,但预计未来五年内有FF总线功能的可以占到10~20%。

一代新产品的推出还有一个逐步成熟的过程,而目前第三代变送器的系列还不够完善,厂家也正在不断推出新的量程、新的系列。例如,罗斯蒙特公司的3051S变送器2002年产品的精确度为0.04%、温度影响为±(0.0009%量程上限 0.04%量程)、零点静压影响为±(0.035%量程上限/6.9MPa),而2004年的3051S变送器产品的精确度为0.025%、温度影响为±(0.0009%量程上限 0.025%量程)、零点静压影响为±(0.025%量程上限/6.9MPa)。横河公司的EJA变送器有120A微差压类产品,量程为0.1~1kPa,而EJX变送器目前无120A微差压类产品,只是在量程110A差压类产品中有0.1~10kPa量程,但由于在这一量程保证使用精确度的量程仅为2~10kPa,所以对EJX变送器来说,微差压0.1~1kPa、0.3~3kPa之类的量程仍然是不可缺少的。系列产品缺这些量程肯定是不完美的,作者相信厂家会很快补充这些量程的产品。

ABB公司的2600T的产品的量程系列既有原来MV2000T的,又有原来600T的,精确度等级也不同,区分起来有些困难,给用户的印象是不太清晰。

虽然目前变送器的精确度优于0.05%的厂家不多,但是近年来其余的各个厂家也在不断的推出新产品,许多新产品的局部性能已经达到上述要求。例如原来精确度只有0.1%的德国西门子公司、德国E H公司、美国斯玛公司等生产的变送器已推出0.075%精确度的产品, 德国E H公司还同时推出PLATINUM型0.05%精确度的产品;原来0.075%精确度的美国福克斯波罗(Foxboro)公司已推出0.05%精确度的产品,而且这些公司也在推出安全型变送器的产品。相信在不久的将来,变送器的生产水平还将有大幅度的提高。
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