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小小分析儀的前世來生 |小儀表與大制造

  知識自動化  2019-12-28 00:00:00   邱濤
小小濕度儀,制造大機關。

本文由知識自動化(zhishipai)授權轉載

風乍起,露點亮

點是濕度的一個分類。歐美中蘇為了點亮科技樹不惜大把大把的燒鈔票和培養人才的計劃,以及二戰不惜血本發明的各種材料學黑科技的巨大進步催動下,我們就看到1960年開始,像上帝說了要有光一樣,各種科技樹瞬間就亮了起來。其中有一個小小的分項就是在露分析儀的研究上,而且可以說是通吃。

從捋羊毛開始

再漂亮的飛機發動機,從紙面變成實物,制造都離不開鑄造、焊接這些工序,其中拿發動機葉片的焊接來說,如果氬弧焊使用的氬氣的濕度(露點溫度-70°C以上就不太能用了,否則會出現發黑的情況,葉片變脆耐溫變差,容易出事故)。為了衡量濕度,工業上提出了露點溫度的概念。

發動機上用的高大上的玩意和羊毛有一毛錢關系嗎?還真有,如果不是羊毛,可能就沒有現在世界上工業領域用量最大的氧化鋁電容法露傳感器了。直至上個世紀中期,羊毛加工業仍然是英國的一項傳統行業。捋羊毛這么多年,想從羊毛里榨出更多油水的英國資本家,發現了空氣中的濕度對羊毛的細度、初始模量、斷裂伸長率、彈性回復率和壓縮回彈性能等指標會有影響,從而影響了收益。那么,這些指標和濕度到底是個什么樣的關系?一個剛從英國皇家空軍退伍的前無線電工程師萊納德·肖恩(LEONARD·SHAW),接到羊毛商的委托后,與其他著迷于光學魔術和電磁感應的同行的不同,他的目光落到了最基本的電容上。簡單的說,每種材料引起電容改變的介電常數不同,他所需要的就是找出一個最合適的材料來反應水含量的變化,最終選定的是二戰時期有人發明出雛形的氧化鋁傳感器,作為濕敏元件,氧化鋁的反應非常迅速,跟其他材質比,非常強。

肖恩先生是個類似于發明電燈的愛迪生那樣的,集理論和動手能力于一身的通才。在反復試驗后他弄出了一款能夠穩定測量-60度以上濕度,重量輕,反應還賊快的的分析儀,于是大名鼎鼎的肖氏分析儀在1960年閃亮登場啦。受材料限制,肖氏氧化鋁傳感器的也有些缺陷,比如測-60°以下很吃力,但拋開這些缺點,肖恩先生發明的這款儀表無疑是劃時代的作品,里面一些如干燥腔這樣實用設計一直應用到了現在。

變成數顯,其他還是60年原汁原味的肖氏露點儀。

英國新一代

盡管由于太成功,導致肖氏的分析儀后續開發被縛住了手腳。吃老本吃了幾十年,即使在六十年代,和傳統濕度儀同行PK,仍然無敵。然而,有人開始繞過了氧化鋁。全新的對手出現了。

在英國濕度分析行業,一直在英國卡文迪許實驗室玩濕度的安德魯·密析爾就是標準的科班出身,登場了。早在1974年他就在劍橋大學的卡文迪什實驗室(出了29個諾貝爾獎得主的地方)從事研發工作。在遍地都是掃地僧的地方,密析爾能混出名堂當時有他的獨門秘籍。繞開氧化鋁薄膜電容傳感器,他通過燒制等工藝,弄出了厚薄膜法的陶瓷電容法露點分析儀。

陶瓷電容法傳感器能夠測量到+20-100度的露點了,足夠大多數工廠使用,而且由于是陶瓷材質,相對來說耐高溫性能更好。缺點是比起氧化鋁來反應,速度要慢很多。

還好,很多工廠對速度要求不高,而且密析爾在算法上有獨到之處,加上良好的低露點測量性能,陶瓷電容法露點分析儀照樣創出了一番天地。最后被跨國巨頭PST收購,和掌握高濕度測量的Rotronic等公司,成為分析行業的一大陣營。實際上,英國儀表行業還是很強的,Spectris思百吉這些龍頭企業也很厲害。但奈何國家制造業走弱,連最后的鋼廠都賣給了印度人,導致儀表份額在不斷縮水。

拋開這倆英國露點分析這兩家,像希仕代(Systech)、阿爾法(ALPHA)等等也都在做氧化鋁傳感器,加上做硅傳感器的馬納里可(Manalytical)等廠家,英國的露點分析儀,也是走遍天下。

美國登場

美國人沒有拉下。由于阿波羅登月這些大項目,對氣體露點的監測指標要求更高,因此美國針對性研發的東西也就更高端一些。比起便宜實惠但是誤差較大的氧化鋁、陶瓷電容法,美國比較擅長的是昂貴但是精確度更高的技術。

1965年前后,一家EG&E(幾次合并后變身當前世界五百強珀金埃爾默Perkinelmer)旗下的小公司,美國的愛迪泰克公司發明了冷鏡式露點儀,比起靠間接轉換得到數據量的電容法,直接測量得出讀數的冷鏡法無疑更受歡迎。

冷鏡露點儀光,主要是合格的光源和測溫元件,非常難以制造。這個活兒,主要落在美國幾家廠商手中。而硬件供應商一旦解決,對于擁有豐富儀表開發經驗的美國儀表大公司來說,剩下的都不是事。愛迪泰克,美國儀表圈里幾個大鱷比如熱電(ThermoFisherScientific賽默飛世爾)、Ametic阿美泰克、GE、Cosaxentaur等等都相繼開發了冷鏡、電容法的相關產品,并且依托美國的整體工業體系實現了對其他國家的碾壓。

但是大公司有大公司的問題,下面講幾個例子。

Cosaxentaur舉例,這家以熱值儀為主打產品(客戶遍及美資各大天然氣和石油公司),在1996年的時候,一批出身NASA、格魯曼等頂尖科研體系的工程師帶動下,開發了自己的深特Xentaur牌的氧化鋁露點傳感器,比起肖氏等其他廠家來微孔更小,反應更快。

深特搭配了cosaxentau強大的營銷體系(遍布世界,你看到的美國天然氣船上都是它家的),和GE所屬的巴納(panametrics)在20世紀末成為美國市場最大的兩家露點分析儀表公司。

但是正如老對手巴納(panametrics,一家偉大的分析儀器公司)被GE收購后就淪為三線品牌,后來更轉入GE合并后的貝克休斯(BakerHughes)之下一樣,喪失了自主能力。在21世紀初,風光一時的cosaxentau也被PSI集團盯上并收購,成為這個儀器行業巨頭底下的子公司,而深特作為一個小眾品牌在整個集團體系內就非常不顯眼,導致了公司內部人才的流失。

這些從深特出來人才,屬于冷戰末期美國培育出來的科技精英的一份子成立了菲美特(Phymetrix)公司,在原有傳感器基礎上推陳出新,造出了目前工業領域實用化階段能夠做到的最高精度的氧化鋁傳感器。

他們的秘訣就是兩個字,更小。

在微孔小到只有水分子直徑的三倍后,虹吸效應是非常明顯的,有點水就能讓傳感器有反應,傳感器能測到-110°C,基本滿足了大部分工業氣體的測量范圍。加上極快的反應速(三分鐘數據曲線開始平滑)和相對低廉的成本,算是如今工業測露點的領域里面比較理想的傳感器了。

傳感器優化后,分析儀本身的重量也就下來了,像菲美特便攜表的重量只有肖氏的三分之一左右(2.85公斤),比較適合逐漸老齡化且有大量女性職工的中國工業。而且還針對中國市場推出了中文界面,算是市場上最新最好的氧化鋁電容法分析儀(前幾年定型中文版)。小型化,快速化成為新的發展趨勢。

小就是力量

靠近北極的芬蘭,除了木材、海豹之外,還孕育了大批高科技企業,例如熟悉的諾基亞。儀器儀表也有高手,芬蘭的維薩拉大約1800人,比起動輒幾萬人的五百強來就是個小企業,但產品卻賣到140多個國家了。與專精冷鏡露點的瑞士MBW一樣,雖然體量很小,但在分析儀器廠家里,都是力壓歐美日大公司的硬核廠家。

芬蘭人對溫度這些攸關小命的指標可是異常關注。早在上世紀30年代,隨著蘇芬關系的緊張,怎么保證天氣數據的質量,為航空和行軍提供足夠準確的數據就成了大問題。1931年維薩拉Väisälä教授研究出了無線電探空儀的基本概念,并生產出第一臺芬蘭制造的探空儀。隨著二戰的結束,維薩拉從無線電探空儀做起,很快就點滿了大氣溫度、濕度測量的科技點,發明創造了很多獨門武器,在高濕領域吊打無數巨頭,像在濕度分析方面,他們在1973就開發出了世界上第一個高分子聚脂薄膜Humicap,從此成為高濕度傳感器的龍頭企業。

盡管在零下60度以下沒法用,但在測量-60度以上的露點溫度,又快又準,而且比較皮實,各行各業都有應用。于是,一經推出就橫掃了露點分析行業。即使現在拆開國產露點分析儀器的外殼,經常就會發現一個維薩拉的高分子薄膜傳感器(市場占有率非常高)。

整體廠商

目前市場上占有率最高的露點傳感器,但是都有抗腐蝕性不強、測量精度不夠的問題,測不了PPB級別的水分(半導體行業十億分之幾的水分含量就會導致硅片出現瑕疵)等問題。而要解決這些問題,就得使用國家隊才用得起的分析儀,例如石英震蕩露點傳感器,靈敏但非常昂貴。作為光腔衰蕩電路,能夠測到PPB級別的露點,世界上只有幾家能做。像博泰克光纖濕度溫度分析儀,要帶預處理系統,整套上百萬。

除此之外,在實驗室還能見到更靈敏但是不適合工業現場使用的方法,諸如卡爾費休庫倫法、重量法、碳化鈣法等。

整個儀器儀表市場,基本上是被美國、德國、日本和瑞士四國所把持。

儀器儀表市場

在今天國內市場上,能見到的國外露點分析儀,大概是以下這幾家:

冷鏡式露點儀:愛迪泰克、MBW、密析爾

氧化鋁電容法:肖氏、深特、菲美特、巴納

陶瓷電容法:密析爾

硅電容法:馬納里可

光腔衰蕩:泰格(TIGER)、米寇(MECCO

高分子薄膜:維薩拉

光纖:博泰克

氧化二磷:DUMAT、CMC

卡爾費休-庫倫法:梅特勒托利多

國內初期好苗頭

上世紀五十年代的“156項重點工礦業基本建設項目是現代中國工業體系的骨架,為了配套這些大項目,國內建立了北分、南分、川儀、成都廠等國企分析儀器廠,并完成了一些簡單的露點分析儀器的研制。而隨著上世紀70年代,合成氨和大量石化、天然氣項目的建成,濕度、露點分析儀器的重要性就逼著國內儀表人尋求國外的資源。因為露點如果控制不好,一條生產線的產品就會報廢。

早在1974年。由第一機械工業部技術情報所出版,北京分析儀器研究所等單位牽頭的《分析儀表》一文中,對歐美日蘇等國的分析行業及頂尖分析儀器公司做了分析,并提到了濕度儀及露點儀。

當時國企能夠自產熱磁氧、熱導分析儀等儀表(現在還靠這些產品吃飯),但一些高精尖的儀表如不分光紅外分析儀和激光分析儀等,就只能走進口全套技術的路線(日本在1970年代也是這么做的,日本吸收后二次開發很強,像橫河和島津就是青出于藍了。),并隨之建立了北分-麥哈克等合資企業。

相比其他分析儀器,濕度和露點上的分析儀,國內和其他國家在1970/1980年代差別還不是很大。

中國生產的電解法水分測定儀

1982年,由兵器工業部和中國計量科學研究院研發的數字型冷鏡露點儀SH-81就定型了。指標還挺不錯:

同年,中國科學院上海冶金研究所研究的WS-Ⅰ型也完成了從氧化鋁電容法傳感器到儀表電路的一整套設計,并做了各項測試,向市場推出。從測定結果看非常理想。

然而就在這個時候,意外局面出現了。隨著國外品牌的引進,芬蘭維薩拉進入中國市場后迅速鋪開,占領了中國氣象局和軍隊的自動氣象觀測系統。中國品牌一敗涂地,這也是80年代儀表市場進口品牌攻城略地的一個縮影。正如后來國產分析儀表都面臨的問題一樣,國內的露點分析儀器廠家面對的不僅僅是國外分析儀表廠家的競爭,而是一個工業體系的全方位碾壓。

上世紀80年代到90年代,大量的外資氣體廠如AP、林德,石化如殼牌、美孚等進入國內,它們的工廠往往都是在國外選型,帶來的儀表全部是進口品牌,根本沒有國產儀表的空間。而在天然氣領域,1986年北京天然氣管道就用肖氏了,從那時起國內能源行業進口儀表就占比巨大。

利潤豐厚的氣體和石化領域做不了,國產做做低端總可以嗎?露點傳感器看上去難度不高,原理都有,但做起來仍然很難。四個問題攔住去路:沒人才,配不起鞍,良品率過低,簡配過度。

首先國內儀表研發人員從根上就少,而且一個儀表研發人員起碼要在行業里待十年左右才能獨當一面,放到分析行業要求就更多了,流體、電路、機加、編程、工藝流程都要了解。最后,真正能夠繼續研制儀表的,也都是在21世紀中國的環保監測行業崛起后,轉向紅外分析和激光分析等賺錢的領域,才真正發展起來。而且,也只有屈指可數的院校、軍工相關研究所和單位還有露點傳感器的研發人才。

第二個問題是制造復雜,投資巨高。需要專業的設計師,還需要配套工廠設施,如無塵車間,廠區面積最小也要紫禁城大,動力廠、氣體分廠、零排放環保都需要配套。冷鏡露點儀要愛迪泰克的,濕度發生器要MBW的,配套的氣源要AP。這些昂貴的投資,阻擋了很多人的心思。

第三個是良品率問題。其實歐美也有,但一是巨大的銷售量(維薩拉的傳感器是以萬計的)抹平了制造成本,而國內企業最大的幾家濕度傳感器(露點更少)制造商能有上千個銷量,就很不錯了。二是國外企業的積累經驗多,品控比起國內好很多,售后成本也比國內好很多。

最后一個簡配問題,實際上是國產儀表技術上落后,導致只有靠降低商業費用和產品質量、人工待遇,來跟進口儀表進行競爭。這是通病,露點分析儀器行業更加突出。溫度和壓力補償傳感器,儀表主板的CPU、趨勢和歷史記錄顯示器、便攜表的干燥室、儀表線性修正等,往往從簡甚至砍掉。最后只配個露點傳感器加一個數顯表頭。價格和性能可想而知。

這四個問題直接導致了國產露點分析儀無法和進口同類產品競爭,尤其是像維薩拉、密析爾、GE等都在國內設立了露點傳感器校準中心,縮短售后流程后,就更是難以抵抗了。

中國品牌機會在哪里

當然,國產的露點分析儀事業也沒到滿盤皆輸的地步。

首先,雖然自我造血能力差,但市場龐大。如國內氣體行業,是世界氣體行業的百分之十幾,需要配很多很多露點分析儀。而像光腔衰蕩分析儀的領軍人物,國家千人計劃的特聘專家閻文斌博士,回國后成立了內蒙古光能科技儀器有限公司,一下子讓國內像光腔衰蕩分析儀從無到有,直接進入世界一流水平。

第二,國內分析儀表畢竟有不弱的底子,除了歐美日外,基本處于第二梯度?恐仨氂脟a儀表的軍工和航天等產業支持,這些年還是制造出了性能有差距,但比較可靠的儀表。主要是冷鏡分析儀,比如海軍航空工程學院的YH98和約克儀器的DPT-8000。隨著市場的擴大和自身技術的進步,原本只見于軍工科研單位的這些儀表,會進入一般工業市場。

第三,借著國內大力發展環保監測行業的東風,國內企業崛起。像聚光、雪迪龍、先河等公司崛起帶動了整個分析儀器行業的人才流動、技術革新和資金積累。在中國,研發投入幾乎都得靠企業自己,國家給整個分析儀表行業的資金非常之少。

第四,國外對手也有自己的問題。像熱電、GE等巨頭,分析儀表在他們集團公司內只是很小的部門,更別說露點傳感器了。加上他們習慣在產品成熟后砍研發靠專利權過日子,導致產品幾十年都不換代,很多上世紀七八十年代成熟的產品現在還在銷售,跟一直在進步的國產儀表比起來差距越來越。ú牧蠈W上的短板克服后會更。。市場占有率大的如肖氏、深特,因為沒有自己國內的售后維修體系,只能依靠代理商;而當代理商自己沒有實驗室的時候,售后就是個問題。而且外國品牌一直都在漲價,有的一年漲幅在35%左右,這也削弱了外國品牌的競爭力,這也算是國內品牌的一個機會。

小計

以露點分析儀為代表的中國儀器儀表,曾經起了一個不錯的開頭。中間雖然耽誤了不少路,但現在民營企業也在快速追上?恐嫶蟮闹袊袌,露點分析儀或許也有機會早日追趕上來。

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