传感器技术国际化--传感技术的微型化和无线化发展趋势

作者:Willi Schnaus 文章来源:德国JUMO温度传感器产品部 发布时间:2013-03-07


图1  JUMO温、湿度传感器销往全世界。

对于跨国制造商,全球性供货不仅是单方的研发和生产, 还意味着不断的跟踪用户需求反馈,以便提供更专项更能满足特殊要求的产品。当今巨型化工与医药集团的产品销售日趋国际化。其采购却不断集中到集团中心的具体部门,采购的集中与优化必然激化其供货商的竞争。各家供货商按同种标准争夺上述集团的供货权,最终只有少数实力雄厚的资深企业取得其供货商资格。这种效应在测量与控制行业也产生了深远的影响。

在当今工业领域,各个国家与地区都有不同的规范标准,每种技术与产品都必须遵从相应的规范标准,这是全球性供货的重要前提。不同的国家和地区对各工业技术领域制定详细的规范标准,只有在实地才能更清楚地得以了解,并在之后的研发与生产中进一步贯彻执行。近年来德国制造商已经不满足于传统的本土生产本土销售的策略,而是逐步转向全球市场的出口销售策略。德国产品在制造过程中更多的考虑到各地区的标准和规范,因而具有更多的优越性。而其他以本国市场为主的制造商(如在美国),其产品在适应国际标准方面的表现欠佳。

不同国家执行规范标准的方式不同,如在欧洲,必不可少的ATEX防爆安全标准,在亚洲或北美就不十分重要。种类繁多的技术规范和标准,再加上各个国家和地区不同的法律法规,使全球范围内很难达到一个统一标准。就区域而言,这样一方面促进了本土生产,同时也保护本土市场的开发。

种类繁多的规范标准

超过10000种的温度传感器类型适合不同的设备、适用于不同的行业、遵从不同的技术规范标准。

对用户而言:

不同国家执行规范的方式不同。种类繁多的技术规范在全球范围内很难达到统一标准。

前期小规模的德国本土市场孕育了当今德国的国际市场。德国产品在制造过程中更多地考虑到各地区的规范与标准。

全球性的产品越来越趋向于“设计复杂化”,而另一方面也使产品设计更完善,功能更齐全,并适应全球各个市场的要求,真正做到“一体多功能”。


图2  JUMO压力变送器,可提供品种齐全的许可证书及检验证书。

对于厂商而言:

全球性的供货意味着不断地跟踪用户需求的反馈。

不同国家和地区都有不同的规范标准,每种产品和技术都必须遵从相应的规范标准,这是全球性供货的重要前提。

不同的国家和地区相对各工业技术领域制定详细的规范标准,只有在实地才可以更清楚地了解这些规范,并在之后的研发与生产中进一步贯彻执行。

在化工医药行业中,由于众多标准的存在,全球性产品的“设计复杂化”趋势,虽能满足各个国家和地区的特殊要求,但这大大提高了产品的成本。另一附加结果是,在产品说明中使用更多种的语言和文字,使文本管理过于复杂。

由于在产品中运用多项完善的技术,所以必然会提高产品的成本;但另一方面也使产品设计更完善、功能更齐全,并适应全球各个市场的要求,真正做到“一体多功能”,比如测量温度的铂电阻传感器,化学分析测量中的玻璃电极以及具备标准信号输出的测量变送器。

温度测量技术

长期以来发展稳定的铂金加工工艺与国际标准化的热电阻温度特性曲线理论,无疑成为未来温度测量技术发展的基础。与此同时,各国关于过程连接、保护套管及原材料方面的实际经验,也起到相当重要的作用。这些知识与经验也为全球范围内探索优化应用方案作出了贡献。

铂金传感器的生产很大一部分属于热电阻的组装与批量生产,继而热电阻又再次呈现出不同的用户特性。在过程技术的仪器与设备中,有超过10000种可选类型,其中特殊情况为应用于煤气或粉尘等易燃易爆环境中的过程仪表。因此在这类仪表的设计中,必须考虑各种不同的防爆标准,例如在欧洲实行的ATEX标准。


图3  JUMO同时可用于温度及压力测量的智能传感器,配备CANopen总线接口。

作为德国本土生产的补充,同时根据各国的特殊要求,温度探头已实现在各国分公司更快、更靠近客户的生产,JUMO也是如此。在北美地区,热电偶代替热电阻占据着主导地位。

此外,各国的特殊要求还包括不同的导线、原材料、颜色标示、单位系统及螺纹等,即涉及所有机械与电气连接。

化学分析仪器

在化学分析领域,pH值、氧化还原电压和电导率值测定都属于最常见的分析测量,其次还有溶氧、余氯、二氧化氯、臭氧和氨测定。在污水处理、工业废水净化及化工食品工业的供水装置中,广泛应用了牢固耐用的玻璃电极作为pH传感器。此类电极带有环状有机聚合物的参比系统和非流动的电解质凝胶,从而保证在持续的强负荷环境下电极仍能到达满意的测量精度和长时间的使用寿命。

其它pH测量技术,如“无玻璃”测量,它建立在离子敏场效应晶体管(Isfet)的基础上,并不能完全替代传统的玻璃电极。只有安装了自动升降及自动清洗护套时,才可能使Isfet技术达到满意的使用寿命,但同时也带来巨大的附加成本。由此看来,当今玻璃电极仍是主要的测量工具。

针对浓度不高,负荷不大的介质,科技人员研制成功了一种复合电极,借助电极上的U型玻璃薄膜,可测量介质中酸碱度的微小变化。清洗简便的氧化还原电极,由黄金或白金触点组成,可以轻易测量介质的氧化还原电压。


图4  JUMO变送器提供各种不同供电电源及各种区域许可证。

为了持续监测食品行业、医药卫生行业和化工行业中纯净水或超纯水的水质,各个国家都引入了液态介质的电导率测量,测量方式可以是电极式或电磁式,电导率仪还配备与当地标准相配套的过程连接(如卡箍、锥台密封的标准、卫生接头、各种螺纹连接、法兰连接以及SMS连接等)。需要注意的是,对于医药卫生行业常用的Varivent过程连接,目前既无区域性的规范,也没有国际性的统一标准,供货商必须满足用户的所有要求。对于医药卫生行业,在设计上一般要遵守EHEDG和FDA标准。

对于电子压力测量技术,根据应用需求,有不同的传感器技术可供使用。其中包括根据压阻式、薄膜式和厚膜式技术制成的DMS应变片传感元件。测量范围为0.6mbar~600bar的压力变送器可应用在压缩机、水管网、污水管网或生活用品及医药产品的生产过程中。这里还提供全球性的检测证明,如ATEX、UL、EHEDG 及FDA。地区与行业的不同导致了过程连接的多样化以及电气连接的多样化。

压力测量技术

通过内部测量值预先处理及其他附加功能,使该智能传感器特别支持非中央控制系统的功能的实现(如在药片压制设备中的应用)。

为了解决高精监测与控制难题,完全不同的测量技术必须相互组合在一起。该技术属于国家级特别技术。测量变送器通过UL认证后,可在北美和加拿大市场应用,它提供的通用输出接口与网络部件使其同样能在各大洲应用。通过网络连接接口或先进的电缆系统接口,可使其连接到Profibus-DP中。

由一个或多个元件组成的中央系统被用于GMP过程数据的汇总、归档和分析。这一系统符合FDA 21 CFR Part 11的规定。在此情况下,明文显示作为多语言系统基础被储存与使用。

随着在全球范围内的应用,测量、控制和分析系统将不断适应新要求和新市场。智能传感器的开发和微型化将不断进步。高额定值的热电阻(如Pt5000和Pt10000)将会被广泛使用。

微型化和无线通信的趋势

目前,传感器技术全球性的趋势是传感器内部的数据联系将从模拟信号转换成数字总线系统。这样一来,由于每个领域和地区都使用不同的规定,全球的自动化供应商必须管理更多的总线系统。根据有关部门报道,德国在总线系统领域处于世界领先地位。无线传输技术将成为未来发展趋势,同样该技术在全球范围内也存在不同标准。无线传输频率在德国及欧洲已经规定,但在美洲和亚洲有所不同。

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