李占東，周建國，孟慶馥

（1.通化市住建局保障性住房管理中心，吉林 通化 134001；2.通化市燃?xì)饪偣?，吉?通化 134001；3.通化市統(tǒng)戰(zhàn)部，吉林 通化 134001）

0 引言

圖1 智能供水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of intelligent water supply system

圖2 擴(kuò)散硅壓力傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of diffused silicon pressure sensor

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的加快，城市給排水行業(yè)不斷引入先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)管理。近年來，各地自來水部門大量進(jìn)行區(qū)域計(jì)量、數(shù)字管網(wǎng)、集中數(shù)字化監(jiān)控調(diào)度中心的建設(shè)，這些項(xiàng)目主要應(yīng)用移動4G 網(wǎng)絡(luò)將供水管網(wǎng)流量、壓力，區(qū)域加壓泵站水質(zhì)、水量、水壓及電氣參數(shù)，水源地和凈水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集并傳輸至集中監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)字化分析，進(jìn)行水源監(jiān)控，水廠生產(chǎn)管理，調(diào)控管網(wǎng)和泵站運(yùn)行等工作，極大提高城鎮(zhèn)供水智能化水平，同時也進(jìn)一步強(qiáng)化供水安全，改善供水環(huán)境。這些遠(yuǎn)傳監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)離不開現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備的使用[1]。擴(kuò)散硅壓力傳感器由于安裝方便、量程寬、精度高、物理量轉(zhuǎn)換電氣量相對方便等優(yōu)越的物理及電氣性能，被廣泛用于現(xiàn)場采集壓力和水位數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場使用的擴(kuò)散硅壓力傳感器和在實(shí)驗(yàn)室使用時，在測量精度、穩(wěn)定性和使用壽命上存在很大差異，現(xiàn)場時經(jīng)常出現(xiàn)測量數(shù)值失真、漂移、設(shè)備損壞現(xiàn)象。伴隨供水區(qū)域延伸及供水智能平臺建設(shè)不斷深入，擴(kuò)散硅壓力傳感器使用數(shù)量也不斷增大，但其使用中存在的缺陷對供水智能系統(tǒng)監(jiān)控、水廠生產(chǎn)、管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定影響很大，也給技術(shù)工作人員帶來很大困惑。為解決這一問題，現(xiàn)場使用中在壓力傳感器信號引出電纜和控制室信號電纜連接時，安裝一個氣壓平衡隔離裝置取得良好效果，基本能夠達(dá)到出廠標(biāo)定的測量精度和使用壽命。

1 擴(kuò)散硅壓力傳感器原理和存在問題

1.1 智能供水系統(tǒng)

智能供水系統(tǒng)主要工作模式：采集水廠、管網(wǎng)、區(qū)域加壓站及自來水用戶等數(shù)據(jù)終端的供水參數(shù)，通過4G 移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對各供水參數(shù)進(jìn)行存儲、計(jì)算、分析后，對水廠生產(chǎn)、管網(wǎng)配水、區(qū)域泵站運(yùn)行等進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)智能監(jiān)控。同時，數(shù)據(jù)分析結(jié)果也是相關(guān)部門進(jìn)行決策的依據(jù)，如圖1 所示。擴(kuò)散硅壓力傳感器是數(shù)據(jù)終端主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

1.2 擴(kuò)散硅壓力傳感器工作原理

擴(kuò)散硅壓力傳感器通常是在硅彈性膜片（彈性敏感元件）上用離子注入和激光修正方法形成4 個阻值相等的擴(kuò)散電阻，組成一個惠斯頓電橋。應(yīng)變片兩側(cè)存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，使得膜片4 個橋臂電阻阻值發(fā)生變化[2,3]。半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)具有各向異性的特點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)和適當(dāng)電路檢測電橋阻值變化，并通過信號處理電路轉(zhuǎn)換為4mA ～20mA 或1V ～5V 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出給二次儀表或設(shè)備，實(shí)現(xiàn)檢測被測介質(zhì)壓力的目的，如圖2 所示。

擴(kuò)散硅壓力傳感器主要參數(shù)：

測量范圍：-100KPa ～60MPa。

精度等級：0.1 級、0.2 級、0.5 級。

環(huán)境溫度：-40℃～70℃。

介質(zhì)溫度：-40℃～125℃（溫度補(bǔ)償-20℃～80℃）

長期穩(wěn)定性：0.1%F．S/年。

工作電壓：12.5VDC ～36VDC -AC220V。

輸出信號：4mA ～20mA（二線制），0/1-5VDC（三線制）。

量程遷移：標(biāo)準(zhǔn)量程10:1 的遷移。

1.3 擴(kuò)散硅壓力傳感器實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的問題

實(shí)際應(yīng)用過程中，無論檢測管網(wǎng)壓力、水池水位都是測量被測介質(zhì)的相對壓力（表壓），即被測介質(zhì)的絕對壓力減去現(xiàn)場大氣壓。為實(shí)現(xiàn)測量相對壓力（表壓），一般情況下采取在擴(kuò)散硅壓力傳感器敏感元件硅片的反面設(shè)置一根中空細(xì)管（通氣管）與現(xiàn)場大氣連通，使正反面大氣壓強(qiáng)相互抵消，達(dá)到測量相對壓力即表壓的目的。傳感器現(xiàn)場使用時，多數(shù)安裝于地下窨井、水池、車間及露天等潮濕、存在有害氣體的惡劣環(huán)境。潮濕空氣或有害氣體會順著通氣管到達(dá)擴(kuò)散硅壓力傳感器內(nèi)部，干擾測量精度和破壞傳感器內(nèi)部元件，造成測量數(shù)值失真、漂移和器件損壞，嚴(yán)重影響測量可靠性，給工業(yè)控制和正常生產(chǎn)帶來困難。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，在潮濕環(huán)境使用3 ～6 個月，露天使用經(jīng)過1 個雨季，傳感器均出現(xiàn)不同程度測量失真、數(shù)值漂移和損壞現(xiàn)象。

2 解決擴(kuò)散硅壓力傳感器使用問題的對策

2.1 產(chǎn)生問題的原因

傳感器引出線與二次儀表或遠(yuǎn)傳設(shè)備信號電纜連接時須保證通氣導(dǎo)管與現(xiàn)場大氣連通，環(huán)境潮濕時潮濕空氣會導(dǎo)入傳感器內(nèi)部干擾測量，長期侵蝕導(dǎo)致傳感器損壞。曾采取幾種措施解決上述問題：例如，一種方法是將二次儀表放置干燥的室內(nèi)，加長傳感器引出電纜（內(nèi)含通氣導(dǎo)管）鋪設(shè)至室內(nèi)與儀表連接，以解決通氣導(dǎo)管暴露于現(xiàn)場潮濕環(huán)境；另一種是現(xiàn)場安裝兩只測量絕壓傳感器，一只測量介質(zhì)壓強(qiáng)，一只測量現(xiàn)場大氣壓強(qiáng)，將數(shù)值傳輸至計(jì)算機(jī)或PLC 后進(jìn)行運(yùn)算，得到需要的相對壓強(qiáng)。上述兩種方法都存在一定缺陷，第一種方法當(dāng)二次儀表室距離測量井較遠(yuǎn)時，增加施工難度，較長通氣導(dǎo)管也會阻礙氣壓傳導(dǎo)降低測量靈敏度；第二種方法增加造價，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用難度。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了擴(kuò)散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置，現(xiàn)場應(yīng)用時取得了良好效果。

2.2 大氣壓平衡隔離裝置原理

擴(kuò)散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置（下稱隔離裝置），安裝于傳感器引出線與二次儀表或遠(yuǎn)傳設(shè)備輸入信號電纜之間，解決現(xiàn)場空氣隔離問題。隔離裝置是由一個長×寬×高，尺寸為80mm×80mm×50mm 的帶密封上蓋的長方體中空盒（具體尺寸可根據(jù)現(xiàn)場使用情況調(diào)整）作為主體，將其分為兩個獨(dú)立艙室，其中一個艙室安裝兩枚電纜密封接線頭和接線端子作為密封接線艙；一個艙室設(shè)置一只氣囊，并在艙室一側(cè)開一小孔做為氣壓平衡隔離艙，在小孔上安裝一枚空氣分子塞，初步過濾進(jìn)入平衡艙空氣。兩艙室間隔板安裝一枚小直徑密封接線頭作為通氣管引入裝置。具體工作原理：首先將傳感器引出信號電纜和控制室信號電纜，通過兩個電纜密封接頭引至隔離裝置接線密封艙內(nèi)進(jìn)行信號線連接，再將傳感器信號電纜內(nèi)的通氣管通過兩艙間隔板上密封接線頭引至氣壓平衡隔離艙，假設(shè)這時安裝隔離裝置密封上蓋，接線密封艙將處于完全密封狀態(tài)。之后，將引至氣壓平衡隔離艙的通氣管與一只處于松弛狀態(tài)平衡氣囊相連，實(shí)現(xiàn)環(huán)境大氣壓通過平衡氣囊隔離后傳導(dǎo)至氣囊內(nèi)部，經(jīng)與氣囊連接通氣管作用于擴(kuò)散硅壓力傳感器敏感元件硅片上，達(dá)到大氣壓平衡目的。當(dāng)蓋上隔離裝置上蓋，可完全避免現(xiàn)場潮濕、有害氣體通過通氣管及信號電纜線芯縫隙進(jìn)入傳感器內(nèi)部，達(dá)到氣壓平衡和密封隔離作用，如圖3 所示。

圖3 擴(kuò)散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of atmospheric pressure balance isolation device for diffused silicon pressure sensor

氣囊體積計(jì)算[3]：根據(jù)理想氣態(tài)方程PV=nRT，其中：P 壓強(qiáng)，V 體積，n 摩爾數(shù)，R 常量，T 絕對溫度，空氣壓強(qiáng)與氣壓成反比關(guān)系，即：P1/P2=V2/V1。查閱全國大氣壓分布情況，一年中某地最高大氣壓和最低大氣壓不會超過平均大氣壓的±10%。根據(jù)上面條件，選擇的氣囊處于松弛狀態(tài)時，氣囊與通氣管內(nèi)空氣體積膨脹10%或縮小10%時，只要?dú)饽冶旧聿粚?nèi)部增加額外壓力就能保證測量精度。例如，選擇球形氣囊松弛狀態(tài)直徑3cm，通氣管內(nèi)徑0.1cm，長度1000cm。計(jì)算通氣管空氣體積為：V1=0.052×π×1000=7.85cm3，氣囊體積為：V2=4/3πr3=4/3×π×1.53=14.13 cm3，V1＋V2=7.85+14.13=21.98cm3，通過計(jì)算該松弛狀態(tài)氣囊在繼續(xù)膨脹或縮小2.198 cm3時，選擇的氣囊不對內(nèi)部施加額外壓力就能達(dá)到要求。

3 結(jié)論

擴(kuò)散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置能有效解決傳感器在現(xiàn)場使用時氣壓傳導(dǎo)和空氣隔離問題，對傳感器測量精度影響小，安裝便捷，該裝置同時也可用于其他需要傳導(dǎo)氣壓隔離空氣場合。目前實(shí)際使用中，在潮濕環(huán)境安裝隔離裝置的擴(kuò)散硅壓力傳感器最長使用時間已達(dá)9 年，且傳感器各項(xiàng)測量指標(biāo)基本能夠達(dá)到出廠標(biāo)定值。需要注意的是，在安裝隔離裝置時須確保密封接線艙的密封性，同時不要在極端大氣壓天氣進(jìn)行安裝（例如強(qiáng)臺風(fēng)天氣）。