擴散硅壓力傳感器現場使用存在問題和解決對策

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.通化市燃氣總公司，吉林 通化 134001；3.通化市統戰部，吉林 通化 134001）

0 引言

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

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

隨著科學技術的發展和城鎮化水平的加快，城市給排水行業不斷引入先進技術手段進行科學管理。近年來，各地自來水部門大量進行區域計量、數字管網、集中數字化監控調度中心的建設，這些項目主要應用移動4G 網絡將供水管網流量、壓力，區域加壓泵站水質、水量、水壓及電氣參數，水源地和凈水廠生產數據實時采集并傳輸至集中監控平臺進行數字化分析，進行水源監控，水廠生產管理，調控管網和泵站運行等工作，極大提高城鎮供水智能化水平，同時也進一步強化供水安全，改善供水環境。這些遠傳監控系統建設離不開現場數據采集設備的使用[1]。擴散硅壓力傳感器由于安裝方便、量程寬、精度高、物理量轉換電氣量相對方便等優越的物理及電氣性能，被廣泛用于現場采集壓力和水位數據。實際應用發現，現場使用的擴散硅壓力傳感器和在實驗室使用時，在測量精度、穩定性和使用壽命上存在很大差異，現場時經常出現測量數值失真、漂移、設備損壞現象。伴隨供水區域延伸及供水智能平臺建設不斷深入，擴散硅壓力傳感器使用數量也不斷增大，但其使用中存在的缺陷對供水智能系統監控、水廠生產、管網運行穩定影響很大，也給技術工作人員帶來很大困惑。為解決這一問題，現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，基本能夠達到出廠標定的測量精度和使用壽命。

1 擴散硅壓力傳感器原理和存在問題

1.1 智能供水系統

智能供水系統主要工作模式：采集水廠、管網、區域加壓站及自來水用戶等數據終端的供水參數，通過4G 移動通信網絡實時傳輸至數據中心，數據中心對各供水參數進行存儲、計算、分析后，對水廠生產、管網配水、區域泵站運行等進行自動控制，實現閉環智能監控。同時，數據分析結果也是相關部門進行決策的依據，如圖1 所示。擴散硅壓力傳感器是數據終端主要的數據采集設備。

1.2 擴散硅壓力傳感器工作原理

擴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 個阻值相等的擴散電阻，組成一個惠斯頓電橋。應變片兩側存在壓力差時，膜片發生變形，使得膜片4 個橋臂電阻阻值發生變化[2,3]。半導體壓阻效應具有各向異性的特點，通過合理設計和適當電路檢測電橋阻值變化，并通過信號處理電路轉換為4mA ～20mA 或1V ～5V 標準信號輸出給二次儀表或設備，實現檢測被測介質壓力的目的，如圖2 所示。

擴散硅壓力傳感器主要參數：

測量范圍：-100KPa ～60MPa。

精度等級：0.1 級、0.2 級、0.5 級。

環境溫度：-40℃～70℃。

介質溫度：-40℃～125℃（溫度補償-20℃～80℃）

長期穩定性：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：標準量程10:1 的遷移。

1.3 擴散硅壓力傳感器實際應用中產生的問題

實際應用過程中，無論檢測管網壓力、水池水位都是測量被測介質的相對壓力（表壓），即被測介質的絕對壓力減去現場大氣壓。為實現測量相對壓力（表壓），一般情況下采取在擴散硅壓力傳感器敏感元件硅片的反面設置一根中空細管（通氣管）與現場大氣連通，使正反面大氣壓強相互抵消，達到測量相對壓力即表壓的目的。傳感器現場使用時，多數安裝于地下窨井、水池、車間及露天等潮濕、存在有害氣體的惡劣環境。潮濕空氣或有害氣體會順著通氣管到達擴散硅壓力傳感器內部，干擾測量精度和破壞傳感器內部元件，造成測量數值失真、漂移和器件損壞，嚴重影響測量可靠性，給工業控制和正常生產帶來困難。根據實際應用統計，在潮濕環境使用3 ～6 個月，露天使用經過1 個雨季，傳感器均出現不同程度測量失真、數值漂移和損壞現象。

2 解決擴散硅壓力傳感器使用問題的對策

2.1 產生問題的原因

傳感器引出線與二次儀表或遠傳設備信號電纜連接時須保證通氣導管與現場大氣連通，環境潮濕時潮濕空氣會導入傳感器內部干擾測量，長期侵蝕導致傳感器損壞。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，加長傳感器引出電纜（內含通氣導管）鋪設至室內與儀表連接，以解決通氣導管暴露于現場潮濕環境；另一種是現場安裝兩只測量絕壓傳感器，一只測量介質壓強，一只測量現場大氣壓強，將數值傳輸至計算機或PLC 后進行運算，得到需要的相對壓強。上述兩種方法都存在一定缺陷，第一種方法當二次儀表室距離測量井較遠時，增加施工難度，較長通氣導管也會阻礙氣壓傳導降低測量靈敏度；第二種方法增加造價，提高系統設計和使用難度。為解決上述問題，設計了擴散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置，現場應用時取得了良好效果。

2.2 大氣壓平衡隔離裝置原理

擴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傳設備輸入信號電纜之間，解決現場空氣隔離問題。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（具體尺寸可根據現場使用情況調整）作為主體，將其分為兩個獨立艙室，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；一個艙室設置一只氣囊，并在艙室一側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進行信號線連接，再將傳感器信號電纜內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。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平衡氣囊相連，實現環境大氣壓通過平衡氣囊隔離后傳導至氣囊內部，經與氣囊連接通氣管作用于擴散硅壓力傳感器敏感元件硅片上，達到大氣壓平衡目的。當蓋上隔離裝置上蓋，可完全避免現場潮濕、有害氣體通過通氣管及信號電纜線芯縫隙進入傳感器內部，達到氣壓平衡和密封隔離作用，如圖3 所示。

圖3 擴散硅壓力傳感器大氣壓平衡隔離裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of atmospheric pressure balance isolation device for diffused silicon pressure sensor

氣囊體積計算[3]：根據理想氣態方程PV=nRT，其中：P 壓強，V 體積，n 摩爾數，R 常量，T 絕對溫度，空氣壓強與氣壓成反比關系，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%。根據上面條件，選擇的氣囊處于松弛狀態時，氣囊與通氣管內空氣體積膨脹10%或縮小10%時，只要氣囊本身不對內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直徑3cm，通氣管內徑0.1cm，長度1000cm。計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，通過計算該松弛狀態氣囊在繼續膨脹或縮小2.198 cm3時，選擇的氣囊不對內部施加額外壓力就能達到要求。

3 結論

擴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場使用時氣壓傳導和空氣隔離問題，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氣壓隔離空氣場合。目前實際使用中，在潮濕環境安裝隔離裝置的擴散硅壓力傳感器最長使用時間已達9 年，且傳感器各項測量指標基本能夠達到出廠標定值。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行安裝（例如強臺風天氣）。