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單晶硅壓力變送器。長期以來，安全相關壓力變送器在國內發(fā)展緩慢，國內石化化工場合安全儀表系統(tǒng)幾乎沒有安裝和使用國產壓力變送器。近年來，隨著國產各個廠商單晶硅壓阻技術壓力變送器的取得突破，達到了石化化工行業(yè)的用戶的基本要求，國產單晶硅壓力變送器逐漸進入石化化工等流程工業(yè)市場。現(xiàn)在，安全相關單晶硅壓力變送器的設計制造成為國產廠商新的突破方向。

國家化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見

     國家安全監(jiān)管總局發(fā)布《關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》，其內容包括充分認識加強化工安全儀表系統(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、可燃氣體及火災檢測保護系統(tǒng)等。安全儀表系統(tǒng)獨立于過程控制系統(tǒng)（例如分散控制系統(tǒng)等），生產正常時處于休眠或靜止狀態(tài)，一旦生產裝置或設施出現(xiàn)可能導致安全事故的情況時，能夠瞬間準確動作，使生產過程安全停止運行或自動導入預定的安全狀態(tài)，必須有很高的可靠性（即功能安全）和規(guī)范的維護管理，如果安全儀表系統(tǒng)失效，往往會導致嚴重的安全事故，近年來發(fā)達國家發(fā)生的重大化工（危險化學品）事故大都與安全儀表失效或設置不當有關。根據安全儀表功能失效產生的后果及風險，將安全儀表功能劃分為不同的安全完整性等級（SIL1-4，最高為4級）。不同等級安全儀表回路在設計、制造、安裝調試和操作維護方面技術要求不同；還有從源頭加快規(guī)范新建項目安全儀表系統(tǒng)管理工作：從2016 年 1 月 1 日起 ，大型和外商獨資合資等具備條件的化工企業(yè)新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施，要按照本指導意見的要求設計符合相關標準規(guī)定的安全儀表系統(tǒng)。從2018 年 1 月 1 日起 ，所有新建涉及“兩重點一重大”的化工裝置和危險化學品儲存設施要設計符合要求的安全儀表系統(tǒng)。其他新建化工裝置、危險化學品儲存設施安全儀表系統(tǒng)，從2020 年 1 月 1 日起 ，應執(zhí)行功能安全相關標準要求，設計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)的安全相關壓力變送器國產化對掌握核心技術、降低成本普及中小企業(yè)安裝使用安全儀表系統(tǒng)，實現(xiàn)全面化工安全意義重大。

安全源于設計

       國內安全儀表系統(tǒng)專家曾經這樣說，“安全相關系統(tǒng)的失效控制思路是帶有內化傾向的，將所有可能導致失效的問題，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值觀，用“安全源于設計”的理念去指導工作的上海立格深刻理解并堅持“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。

設計指導思路

      安全相關LEEG單晶硅壓力變送器的設計指導思路，一句話概括就是無論什么情況下，都要保證壓力測量功能的正常工作。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、電氣保護殼等機械零部件組成，也可以看做是硬件和軟件組成。如要達到目標安全完整性等級的安全相關產品的實現(xiàn),就在于在安全相關產品的開發(fā)過程中使其硬件安全完整性等級和軟件安全完整性等級達到目標安全完整性等級,即在設計開發(fā)過程中采取一些措施和手段降低隨機硬件失效中不可診斷的危險失效的份額,同時采取一些措施和手段避免和控制產品在開發(fā)過程中引入的系統(tǒng)失效。

故障安全原則

     故障安全原則，當內部或外部原因使安全相關系統(tǒng)失效時，被保護的對象應按預定的順序達到安全狀態(tài)，這就是故障安全原則。在采取控制失效的方法之前，我們認為首先應該考慮的是壓力變送器的故障安全原則，相當于把壓力變送器在工作時候可能出現(xiàn)的最壞的情況處理措施安排妥當，讓保護的對象應按預定的順序達到安全狀態(tài)，避免導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)最壞情況，然后不斷地測試及改進控制失效的方法，鞏固壓力變送器的安全相關性能。安全相關壓力變送器的發(fā)生故障時候信號輸出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罐體周圍環(huán)境的，失效的情況來自現(xiàn)場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)場經驗總結，還有借鑒標準和相關行業(yè)的解決方法。對于壓力變送器自身來說，表壓力類型的安全相關壓力變送器的傳感器模塊采用高承壓的電氣連接及側面參考端壓力進入口，即使壓力變送器膜片被擊穿也可以避免過程介質進入電氣保護殼引發(fā)其他事故，而膜片狀態(tài)監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)破損并報警，讓工作人員及時處理故障；壓力敏感元件是單晶硅材質的彈性體，其對壓力高度敏感的特點意味著不耐高過載壓力沖擊，敏感元件的損壞將導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壓力沖擊，并對敏感元件進行狀態(tài)監(jiān)控；在測量差壓時選用多變量傳感器，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量到靜壓的變化，選用多變量傳感器實現(xiàn)了對靜壓的實時監(jiān)控；變送模塊還增加了對各個元器件子模塊的周期性、連續(xù)性監(jiān)控，包括ROM、RAM、ERPROM的數據，并通過內置的看門狗監(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)、溫度壓力補償的情況以及測量值的變化情況等。對壓力變送器的工作時間進行累積，用以檢驗變送模塊和傳感器的可靠性，并作為制度校準周期的參考。

安裝使用及周圍環(huán)境影響

      對于壓力變送器的過程連接和電氣連接而言，電源線和信號線監(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。壓力變送器進行壓力測量，一般都會使用引壓管，既可以降溫又達到壓力緩沖的作用，常規(guī)壓力變送器就可以直接測量管道的高溫，如遇到粉塵、顆粒、雜質的堵塞，有時候通有時候堵會導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、罐區(qū)、各類反應裝置等，在易燃易爆的危險環(huán)境中應用，一些壓力變送器會在電氣保護箱中安裝，更多的壓力變送器直接暴露在周圍環(huán)境中，面對著自然刮風下雨的天氣，隔爆型電氣保護殼在進行電氣防護管安裝及打開保護蓋，如果重新密封不嚴可能導致進水或隔爆防護達不到要求；管網的壓力脈動會導致壓力沖擊，不僅會造成壓力變送器傳感器部分損壞，嚴重的時候還有導致管道被擊穿造成泄漏事故，安全相關壓力變送器內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)控管道介質的流動狀態(tài)。

安全功能

      安全相關壓力變送器核心是確保壓力測量安全功能的實現(xiàn)，也就是對過程壓力一絲一毫變化的精準測量，并且是近乎實時的精準測量輸出，讓用戶透過壓力測量可以洞察生產裝置的運行真情情況。比如用于鍋爐爐膛微差壓監(jiān)測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。安全相關壓力變送器其實有著極高的壓力測量精度要求，又有快速響應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，其壓力測量核心是單晶硅壓力敏感元件，所使用單晶硅材質具有高靈敏度、極小滯后和蠕變極小、良好的機械穩(wěn)定性，單晶硅敏感元件位于傳感器模塊金屬本體頂部，遠離介質接觸面，實現(xiàn)機械隔離和熱隔離，玻璃燒結一體的傳感器引線實現(xiàn)了與金屬基體的高強度電氣絕緣，提高了電子線路的靈活性能與耐瞬變電壓保護的能力，這些獨創(chuàng)的單晶硅壓力傳感器模塊封裝技術確保了單晶硅壓力變送器可從容應對復雜的化學場合和機械負荷，同時具備強大的抗電磁干擾能力，足以應對苛刻的工業(yè)環(huán)境應用，壓力測量精度達到了0.05%的高精度，響應時間小于100mS，并具有5年以上的長期穩(wěn)定性。

安全相關壓力變送器選型

      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，比如過程介質的問題：介質的形狀、溫度、極限壓力范圍等，還有強酸強堿、含雜質、有粉塵顆粒以及容易凝固結晶等等，還有一些特殊的介質，比如氧氣、氫氣等，氧氣需要考慮禁油及填充液的適合類型，高溫高壓下氫氣會發(fā)生氫透情況，需要采用鍍金測量膜片，還有一些特殊介質的處理措施就不一一列舉。另外一個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措施等，總的來說，安全相關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現(xiàn)。

總結

      安全相關壓力變送器的設計指導思想就是無論什么情況下，都要保證壓力測量功能的正常工作。然而，首先應該考慮的是壓力變送器的故障安全原則，相當于把壓力變送器在工作時候可能出現(xiàn)的最壞的情況處理措施安排妥當，讓保護的對象應按預定的順序達到安全狀態(tài)，避免導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)最壞情況，通過不斷地測試及改進控制失效的方法，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)管總局關于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》 摘自國家應急管理部官網；

（2）《功能安全技術與應用知識講座》 馮曉升；

（3）《功能安全產品實現(xiàn)技術系列講座》 謝亞蓮。