传感器及智能化仪器仪表在重点领域的应用概述

XIAOZHONGMING

【摘  要】在论述传感器及智能化仪器仪表产业发展现状的基础上，对仪器仪表产品在电力行业、石油与化学工业、钢铁工业、有色金属工业、环保与节能减排几大重点领域的应用进行了概括说明。

       【关键词】传感器   智能化   仪器仪表   重点领域   应用


        引言


       “十二五”期间，我国将大力培育和发展战略性新兴产业，实施智能制造科技产业化工程、科学仪器设备科技产业化工程、智能制造装备发展工程等；“工业化与信息化”深度融合，工业企业转型升级，节能减排，以及民生领域得到充分关注等为传感器和仪器仪表产业的发展提供了广阔的市场。


       测量与传感是实现工业自动化的首要环节，工业仪器仪表能够检测感知设备的各个点位状态变化，并对检测信号进行处理、传输、存储、转化。工业自动化生产过程以及各种智能化装备都要应用仪器仪表产品来检测和控制生产过程中设备运行的参数，使设备工作在正常状态下，生产出高质量产品。因此仪器仪表产品是实现工业自动化设备高效生产的必不可少的重要手段。


       本文主要对传感器产业的发展现状；仪器仪表产品在电力行业、石油与化学工业、钢铁工业、有色金属工业、环保与节能减排几大重点领域的应用进行概述。


       1  传感器产业现状


       我国传感技术的研究始于上世纪50年代初，70年代生产出了一批新型敏感元件和传感器。从七五～十一五以来，国内传感器行业得到了长足发展，形成了具有一定规模的产业布局。据不完全统计，全国现有1600余家企事业单位从事传感器的研究、生产和应用开发，主要由以传感器国家重点实验室、传感器国家工程研究中心和生产型公司三个方面组成。

       据中国电子元件行业协会对会员单位的统计，2006年～2010年敏感元件及传感器行业的销售收入年均增长21.4%。行业主要指标见表1。

       目前我国传感器的产业布局基本形成，产品门类基本齐全。经过科技攻关，敏感元件和传感器技术有了长足进步，产品的设计、制造、应用水平普遍提高，在关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破和创新。中低档产品基本满足市场需求，但总体上，我国传感器产品技术水平、工艺、新产品开发、应用研究与国外相比，仍存在一定差距。


       2  传感器及智能化仪器仪表的应用


       传感器是国内外公认的具有广阔发展前途的高技术产业，它的应用已经渗透到诸如工业生产、环境保护、节能减排、航空航天、海洋探测、汽车、舰船、医学诊断、生物工程、现代军事、文物保护、灾害预测预防等人类活动的所有重要领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。


       这里，主要以电力行业、石油与化学工业、钢铁工业、有色金属工业、环保与节能减排几个重点领域为代表，详细概述传感器智能化仪器仪表的应用。


       2.1  电力行业


       2.1.1  火力发电


       电力工业一直是仪器仪表产品的主要应用领域，特别是火电建设项目，一直是业内关注的重点。由于电厂需要测量的介质种类很多，有污水、补给水、凝结水、工业用水、循环水、煤、煤粉、灰、渣、油、氢、氧、烟气、空气、蒸气等等，故需要许多控制系统和各类测量仪表。火电厂需要的主要现场仪表包括：


• 压力变送器：目前火电厂采用的变送器一般为智能型变送器；


• 流量测量仪表：电厂的工艺介质种类很多，空气流量测量仪表可选择插入式流量计，汽、水等流量测量仪表可选择节流喷咀等测量元件，除此以外，尚需要其它种类的流量计；


• 测温元件：火电厂的测温元件多采用热电偶与热电阻；


• 分析仪表：电厂的分析仪表种类较多，如硅酸根分析仪表、PH计、氢气分析仪、烟气含氧量等等；


• 开关量仪表：火电厂的开关量仪表有压力开关、液位开关、流量开关、粉位开关等等。


       2.1.2  水电工业


       水电厂的现场仪表用来监视主要机电设备及辅助、公用系统的温度、转速、压力、液流、液位、位移等非电量参数，实现越限报警或参与机组的顺序控制，这一类自动化元件主要包括：振动监测元件、转速监测元件、流量监测元件、压力监测元件、液位监测元件、温度监测元件、剪断销监测元件、位置监测元件等。一般每台机组对每一参量都需要有十几个到几十个测量点。


       除此之外，水电厂还需要大坝监测仪器仪表，包括：压（应）力监测仪器、变形监测仪器、渗流监测仪器、混凝土应力应变及温度监测仪器、动态监测仪器、测量仪表等。


       2.1.3  核电工业


       核电厂对仪器仪表及控制系统有其独特的要求，根据仪器仪表及控制系统所处位置、功能用途、安全重要性等共分为4个安全级别。进入核电站应用的仪器仪表及控制系统要通过核电站运行安全方面的验证。


       核电站的自动控制和保护系统主要包括：堆心仪表系统（RIC）、测试仪表系统（KME）、电站辐射监测系统（KRT）、计算机数据采集系统（KDO）、紧急停堆系统（SPIN）、控制棒控制系统（RGL）、中子注量测量系统（RPN）等。


       2.2  石油和化学工业


       石油化工企业有塔、储罐、热交换器、冷凝器、反应器、裂解炉、加热炉、开工锅炉、马达控制中心、变电所、压缩机（离心、往复式）、蒸汽／燃气透平机、控制阀和开关阀等，为保证各种生产装置正常运行，需要的自动化集成系统包括：


（1）分散控制系统／现场总线控制系统；


（2）安全仪表系统；


（3）火灾和气体检测系统；


（4）罐区数据采集系统；


（5）压缩机控制系统；


（6）机械设备监视系统；


（7）在线分析仪表管理及数据采集系统；


（8）原料和产品计量系统；


（9）储运自动化系统；


（10）操作数据管理系统；


（11） 操作培训仿真等。


       需要测量采集的数据包括：


     （1）工艺流程数据：石油化工生产是连续生产过程，工艺流程数据包括在线测量分析组分数据（A）、流量（F）、物位（L）、压力（P）、温度（T）等变量参数，控制阀及开关阀动作状态、原料、产品、能耗、环保等，直接实时准确反映生产运行状况，为操作管理人员提供优化操作，先进控制及实时优化的基础数据；


     （2）产品质量数据：石油化工产品质量数据包括油品、化工单体产品、聚合物产品、副产品等；


     （3）储运数据：储运数据包括原油、成品油罐存数据，液体化工原料、产品或副产品罐存数据，聚合物成品仓库数据，码头船运装卸数据，火车、汽车装卸数据等；


     （4）公用工程数据：包括新鲜水、循环水及回水、污水、化学水、电力、蒸汽、燃料油、燃料气、仪表空气、工艺空气、氮气、火炬排放气体等。公用工程数据集成用于成本核算、能耗计算和累积统计、环保数据统计等。


       2.3  钢铁工业


       钢铁厂的工艺流程复杂，冶炼加工工序繁多，各种热工量检测仪表、成份分析仪表、机械量检测仪表等广泛应用于炼铁、炼钢、轧钢及其公附设施的检测与控制系统中。


       温度检测仪表：温度检测仪表包括热电阻、热电偶、红外测温仪和双金属温度计等，主要应用于高炉炉身温度检测，转炉烟气温度检测，各种介质和冷却水温度检测，炉窑温度检测，棒材、线材、板带表面温度检测等。


       压力检测仪表：压力检测仪表包括绝对压力、真空、表压和差压检测仪表。主要应用于各种气体介质和液体介质的压力检测，广泛应用于炼铁、炼钢、精炼、连铸、锅炉、工业炉窖、制氧和水处理设施的压力测量系统，是用量最大最广泛的仪表。


       流量检测仪表：流量检测仪表的种类繁多，有电磁流量计、涡街流量计、V锥流量计、超声波流量计以及各种节流装置和差压变送器组合的差压法测量系统等。主要应用领域为炼铁、炼钢、精炼、连铸、制氧、工业炉窑和水处理设施等的气体介质和冷却水的流量检测。


       物位仪表：包括超声波、雷达料位计、静压式液位计、电容式物位计、磁翻板式物位计以及各种料位开关，主要应用于原料场、炼铁、炼钢、精炼等系统的料仓料位检测，以及汽包水位和水处理系统的水位检测。


       成份分析仪表：主要应用于制氧厂的气体成份分析，炼铁系统有炉顶烟气成份分析、焦炭含水量检测、炼钢厂烟气成份分析、可燃有毒气体监测等，主要分析的组份为CO、CO2、O2、 H2、 N2、 甲烷、 乙炔等。


       称量仪表：应用较多的是料斗秤、皮带秤、钢包秤和吊车秤。料斗秤主要应用在炼铁系统的配料系统和炼钢、精炼系统的投料系统。皮带秤主要应用在原料场的输送系统和各分厂的上料系统。机械量仪表：包括：厚度仪、宽度仪、辊缝仪、板形仪等主要应用于冷轧和热轧等系统。在冶金企业还有一些特殊仪表如：露点仪、热值仪、水质分析类仪表（PH计、浊度计）等，用量相对较少。


       2.4  有色金属工业


       有色金属生产过程分为采矿、选矿、冶炼、加工四大部分，工艺要求完全不同；有色金属种类繁多，工艺流程也各不相同，例如冶炼生产过程可分为火法、湿法两大类，火法冶炼生产过程又有多种冶炼方法，而每一种冶炼方法又存在多种炉型，所以有色金属生产工艺过程是千变万化的；工艺流程既有连续性强的操作，也有很多间断性的批量操作；工艺过程既有仅是固体物料形状变化的物理过程，也有固体物料、气体、液体、熔体组分发生变化的化学过程；工艺流程长，工序多，处理过程复杂，因此对过程检测仪表要求具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能。


       有色金属工厂大量使用的仪表有温度、压力、流量、物位、称重、成份分析等。


       对温度仪表的特殊要求包括： 高温烟气温度检测， 温度测量范围1200～1500℃； 高温高速烟气温度检测， 温度测量范围1200～1500℃， 烟气流速高达数十米／秒： 高温高速高磨损气体温度检测， 温度测量范围1000～1500℃， 为流速高达数十米／秒气固两相流的磨损及冲刷； 金属熔体（如铜、 铝、 锌、 锡）温度的检测，包括各种金属熔融物 （如冰铜） 、 熔渣温度的检测等。对压力仪表的特殊要求包括：高含尘量气体压力检测；高精度炉膛压力检测；矿浆压力检测；腐蚀性介质压力检测。


       对流量仪表的特殊要求包括：大管径气体流量检测；大管径高温气体流量检测；大管径高含尘量烟气流量检测；熔融金属流量检测；酸碱介质流量检测；液固两相流（如矿浆）流量检测；液固两相流（如矿浆）中干矿量流量检测；气固两相流（如风送煤粉、烟尘、焙砂）中固体流量检测。


       对物位仪表的特殊要求：冶金炉内高温大块固体物料物位检测；高温熔融金属或炉渣物位检测；高温熔融金属或炉渣界面检测；耐火砖腐蚀冲刷程度检测；干燥细粉状物料（如煤粉、烟尘、焙砂）物位检测；浓密机固液界面检测。


       对称重仪表的特殊要求：干燥细粉状物料（如煤粉、烟尘、焙砂）的称重计量；高精度皮带输送机物料计量；易进行检定的皮带秤物料计量装置；高温环境或熔融金属等物料计量；窄轨、准轨矿车动态轨道衡计量；中小型矿井出口税控皮带秤计量。


       对成份分析仪表的特殊要求：烟气成分全分析装置；微量SO2分析装置；93酸分析装置；带自动电极清洗设备的pH测量装置；OPR氧化还原电位计；固体物料水分连续检测装置；熔融金属或炉渣成分分析装置；固体物料在线成分和组分全分析装置；湿法冶金过程溶液成分分析装置；矿浆中固体物料成分分析装置；矿浆中固体物料粒度分析装置。


       2.5  环保和节能减排


       广义而言，节能减排是指节约物质资源和能量资源，减少废弃物和环境有害物（包括三废和噪声等）排放。环保主要包括环境监测、环境污染治理和控制污染物排放。无论是合理利用资源还是保护环境，最首要的问题就是测量问题。测量是资源管理和污染治理的依据，离开了测量，节约能源和环境治理都没有依据，因此，传感器与仪器仪表是节能减排和环境保护的重要基础和手段。


       能源计量：需要应用水表、电能表、燃气表、热量表对用户使用的水、电、气、热进行计量。只有通过完善准确的计量器具配置，才能评价节能成效。自动化能效：通过对传统耗能行业的能源测量和生产制造过程的优化控制实现节能降耗。需要温度、流量、压力、物位、在线分析等现场测量仪表，DCS、PLC等控制装置和系统，显示仪表及各种控制阀、执行机构等。


       环境监测：由于环境状态的复杂，污染物种类的繁多，含量变化范围甚大，所以只有采用仪器分析法，并进行实时动态测量与监控，才能取得有代表性的数据，及时、全面、准确地掌握环境质量状况。环境监测仪器按监测对象可分为环境水质与污水监测专用仪器与系统；空气质量与污染源废气监测仪器与系统；土壤与固体废物污染监测仪器等。


       控制污染物排放：除在污染排放企业安装环境监测仪器外，在重点排污企业安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，而且可以远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故的发生。


       环境污染治理：通过建设污水处理厂、垃圾处理设施、城市集中供热工程等实施环境污染治理都离不开各类传感器与仪器仪表产品的应用。


       3  结论与展望


       我国传感器及智能化仪器仪表产业经历了仿制和引进消化阶段，现已步入自主设计、探索创新阶段。但传感器及智能化仪器仪表在重大技术装备中所占价值量仍不足5%，技术攻关及产业化难度大，较重大技术装备主机与国外先进水平差距更大，因此，应在相关政策的指引下，努力提高产品质量、精度、可靠性能性能，扩大国产传感器及智能化仪器仪表在更多领域的应用，并带动相关产业的持续发展。