李占东，周建国，孟庆馥

（1.通化市住建局保障性住房管理中心，吉林 通化 134001；2.通化市燃气总公司，吉林 通化 134001；3.通化市统战部，吉林 通化 134001）

0 引言

图1 智能供水系统流程图Fig.1 Flow chart of intelligent water supply system

图2 扩散硅压力传感器原理图Fig.2 Schematic diagram of diffused silicon pressure sensor

随着科学技术的发展和城镇化水平的加快，城市给排水行业不断引入先进技术手段进行科学管理。近年来，各地自来水部门大量进行区域计量、数字管网、集中数字化监控调度中心的建设，这些项目主要应用移动4G 网络将供水管网流量、压力，区域加压泵站水质、水量、水压及电气参数，水源地和净水厂生产数据实时采集并传输至集中监控平台进行数字化分析，进行水源监控，水厂生产管理，调控管网和泵站运行等工作，极大提高城镇供水智能化水平，同时也进一步强化供水安全，改善供水环境。这些远传监控系统建设离不开现场数据采集设备的使用[1]。扩散硅压力传感器由于安装方便、量程宽、精度高、物理量转换电气量相对方便等优越的物理及电气性能，被广泛用于现场采集压力和水位数据。实际应用发现，现场使用的扩散硅压力传感器和在实验室使用时，在测量精度、稳定性和使用寿命上存在很大差异，现场时经常出现测量数值失真、漂移、设备损坏现象。伴随供水区域延伸及供水智能平台建设不断深入，扩散硅压力传感器使用数量也不断增大，但其使用中存在的缺陷对供水智能系统监控、水厂生产、管网运行稳定影响很大，也给技术工作人员带来很大困惑。为解决这一问题，现场使用中在压力传感器信号引出电缆和控制室信号电缆连接时，安装一个气压平衡隔离装置取得良好效果，基本能够达到出厂标定的测量精度和使用寿命。

1 扩散硅压力传感器原理和存在问题

1.1 智能供水系统

智能供水系统主要工作模式：采集水厂、管网、区域加压站及自来水用户等数据终端的供水参数，通过4G 移动通信网络实时传输至数据中心，数据中心对各供水参数进行存储、计算、分析后，对水厂生产、管网配水、区域泵站运行等进行自动控制，实现闭环智能监控。同时，数据分析结果也是相关部门进行决策的依据，如图1 所示。扩散硅压力传感器是数据终端主要的数据采集设备。

1.2 扩散硅压力传感器工作原理

扩散硅压力传感器通常是在硅弹性膜片（弹性敏感元件）上用离子注入和激光修正方法形成4 个阻值相等的扩散电阻，组成一个惠斯顿电桥。应变片两侧存在压力差时，膜片发生变形，使得膜片4 个桥臂电阻阻值发生变化[2,3]。半导体压阻效应具有各向异性的特点，通过合理设计和适当电路检测电桥阻值变化，并通过信号处理电路转换为4mA ～20mA 或1V ～5V 标准信号输出给二次仪表或设备，实现检测被测介质压力的目的，如图2 所示。

扩散硅压力传感器主要参数：

测量范围：-100KPa ～60MPa。

精度等级：0.1 级、0.2 级、0.5 级。

环境温度：-40℃～70℃。

介质温度：-40℃～125℃（温度补偿-20℃～80℃）

长期稳定性：0.1%F．S/年。

工作电压：12.5VDC ～36VDC -AC220V。

输出信号：4mA ～20mA（二线制），0/1-5VDC（三线制）。

量程迁移：标准量程10:1 的迁移。

1.3 扩散硅压力传感器实际应用中产生的问题

实际应用过程中，无论检测管网压力、水池水位都是测量被测介质的相对压力（表压），即被测介质的绝对压力减去现场大气压。为实现测量相对压力（表压），一般情况下采取在扩散硅压力传感器敏感元件硅片的反面设置一根中空细管（通气管）与现场大气连通，使正反面大气压强相互抵消，达到测量相对压力即表压的目的。传感器现场使用时，多数安装于地下窨井、水池、车间及露天等潮湿、存在有害气体的恶劣环境。潮湿空气或有害气体会顺着通气管到达扩散硅压力传感器内部，干扰测量精度和破坏传感器内部元件，造成测量数值失真、漂移和器件损坏，严重影响测量可靠性，给工业控制和正常生产带来困难。根据实际应用统计，在潮湿环境使用3 ～6 个月，露天使用经过1 个雨季，传感器均出现不同程度测量失真、数值漂移和损坏现象。

2 解决扩散硅压力传感器使用问题的对策

2.1 产生问题的原因

传感器引出线与二次仪表或远传设备信号电缆连接时须保证通气导管与现场大气连通，环境潮湿时潮湿空气会导入传感器内部干扰测量，长期侵蚀导致传感器损坏。曾采取几种措施解决上述问题：例如，一种方法是将二次仪表放置干燥的室内，加长传感器引出电缆（内含通气导管）铺设至室内与仪表连接，以解决通气导管暴露于现场潮湿环境；另一种是现场安装两只测量绝压传感器，一只测量介质压强，一只测量现场大气压强，将数值传输至计算机或PLC 后进行运算，得到需要的相对压强。上述两种方法都存在一定缺陷，第一种方法当二次仪表室距离测量井较远时，增加施工难度，较长通气导管也会阻碍气压传导降低测量灵敏度；第二种方法增加造价，提高系统设计和使用难度。为解决上述问题，设计了扩散硅压力传感器大气压平衡隔离装置，现场应用时取得了良好效果。

2.2 大气压平衡隔离装置原理

扩散硅压力传感器大气压平衡隔离装置（下称隔离装置），安装于传感器引出线与二次仪表或远传设备输入信号电缆之间，解决现场空气隔离问题。隔离装置是由一个长×宽×高，尺寸为80mm×80mm×50mm 的带密封上盖的长方体中空盒（具体尺寸可根据现场使用情况调整）作为主体，将其分为两个独立舱室，其中一个舱室安装两枚电缆密封接线头和接线端子作为密封接线舱；一个舱室设置一只气囊，并在舱室一侧开一小孔做为气压平衡隔离舱，在小孔上安装一枚空气分子塞，初步过滤进入平衡舱空气。两舱室间隔板安装一枚小直径密封接线头作为通气管引入装置。具体工作原理：首先将传感器引出信号电缆和控制室信号电缆，通过两个电缆密封接头引至隔离装置接线密封舱内进行信号线连接，再将传感器信号电缆内的通气管通过两舱间隔板上密封接线头引至气压平衡隔离舱，假设这时安装隔离装置密封上盖，接线密封舱将处于完全密封状态。之后，将引至气压平衡隔离舱的通气管与一只处于松弛状态平衡气囊相连，实现环境大气压通过平衡气囊隔离后传导至气囊内部，经与气囊连接通气管作用于扩散硅压力传感器敏感元件硅片上，达到大气压平衡目的。当盖上隔离装置上盖，可完全避免现场潮湿、有害气体通过通气管及信号电缆线芯缝隙进入传感器内部，达到气压平衡和密封隔离作用，如图3 所示。

图3 扩散硅压力传感器大气压平衡隔离装置结构图Fig.3 Structure diagram of atmospheric pressure balance isolation device for diffused silicon pressure sensor

气囊体积计算[3]：根据理想气态方程PV=nRT，其中：P 压强，V 体积，n 摩尔数，R 常量，T 绝对温度，空气压强与气压成反比关系，即：P1/P2=V2/V1。查阅全国大气压分布情况，一年中某地最高大气压和最低大气压不会超过平均大气压的±10%。根据上面条件，选择的气囊处于松弛状态时，气囊与通气管内空气体积膨胀10%或缩小10%时，只要气囊本身不对内部增加额外压力就能保证测量精度。例如，选择球形气囊松弛状态直径3cm，通气管内径0.1cm，长度1000cm。计算通气管空气体积为：V1=0.052×π×1000=7.85cm3，气囊体积为：V2=4/3πr3=4/3×π×1.53=14.13 cm3，V1＋V2=7.85+14.13=21.98cm3，通过计算该松弛状态气囊在继续膨胀或缩小2.198 cm3时，选择的气囊不对内部施加额外压力就能达到要求。

3 结论

扩散硅压力传感器大气压平衡隔离装置能有效解决传感器在现场使用时气压传导和空气隔离问题，对传感器测量精度影响小，安装便捷，该装置同时也可用于其他需要传导气压隔离空气场合。目前实际使用中，在潮湿环境安装隔离装置的扩散硅压力传感器最长使用时间已达9 年，且传感器各项测量指标基本能够达到出厂标定值。需要注意的是，在安装隔离装置时须确保密封接线舱的密封性，同时不要在极端大气压天气进行安装（例如强台风天气）。