擴(kuò)散硅壓力傳感器是以單晶硅為基體，采用的離子注入工藝和微機(jī)械加工工藝，制成了具有惠斯頓電橋和精密力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅敏感元件。被測壓力通過壓力接口作用在硅敏感元件上，實(shí)現(xiàn)了所加壓力與輸出信號的線性轉(zhuǎn)換，目前，擴(kuò)散硅液位變送器測量系統(tǒng)**應(yīng)用于電力、化工、水廠、污水處理、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。但系統(tǒng)工作可靠性有待于進(jìn)一步提高,在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)、嚴(yán)重漂移等現(xiàn)象,甚至影響到整機(jī)不能正常工作,這給系統(tǒng)維護(hù)、檢修、校驗(yàn)及使用帶來諸多不便。本文針對擴(kuò)散硅液位變送器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),盡量把可靠性保障設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、元器件選用原則、元器件篩選設(shè)計(jì),降額、容差、電磁兼容及環(huán)境防護(hù)等設(shè)計(jì)思想融入到系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中去。從產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)思想入手,試圖以擴(kuò)散硅液位變送器為例設(shè)計(jì)液位測量系統(tǒng),為小型智能化儀表的可靠性設(shè)計(jì)提供一些新的思路和方法。系統(tǒng)設(shè)備的可靠性定量設(shè)計(jì)涉及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的論證、模型的建立及計(jì)算、可靠性指標(biāo)的預(yù)計(jì)和分配等。
 
本文介紹的是以系統(tǒng)的可靠性為目標(biāo)對擴(kuò)散硅液位變送器測量系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)。通過對系統(tǒng)的軟、硬件功能的合理分配和對關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)解決方案的選擇,以及兼容設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等可靠性保障技術(shù)的應(yīng)用提高了擴(kuò)散硅液位變送器測量系統(tǒng)的測量精度和可靠性指標(biāo)。這種方法成本低,儀器安裝方便。同時(shí),本文也為其他小型智能化儀表的可靠性保障設(shè)計(jì)提供了一種思路和方法。
 
1系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)構(gòu)成
1.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)取決于用戶使用要求,作為擴(kuò)散硅液位變送器測量系統(tǒng),應(yīng)具有測量、校準(zhǔn)、顯示、量程設(shè)置、遷移、單位選擇、報(bào)警、通訊、信息處理、控制等基本功能。在功能劃分上,將信息處理分為低端信息處理和高端信息處理兩部分,其中低端信息處理包括顯示、校準(zhǔn)、量程設(shè)置、遷移、單位選擇、報(bào)警、低端通訊等功能;高端信息處理是一個(gè)基于液位數(shù)據(jù)的可開發(fā)平臺,用戶可根據(jù)實(shí)際需要重新定位和開發(fā)。
液位測量根據(jù)測量對象、測量環(huán)境和精度要求等方面的不同有不同的測量原理和方法,在可接觸測量中,對于液體密度一致的液位測量采用壓力測量模擬的方法簡單、可靠,且測量精度較高,能滿足大多數(shù)應(yīng)用場合。壓力測量方法從原理上可靠性高,并且壓力傳感器近些年來發(fā)展很快,特別是擴(kuò)散硅壓力傳感器無論是從量程、線性、穩(wěn)定性等方面有了很大的提高,體積小,價(jià)格也較低廉,輸出毫伏級電壓信號,使用靈活,是一個(gè)具有良好技術(shù)指標(biāo)和可靠度的設(shè)計(jì)底層元件。
1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
從功能設(shè)計(jì)考慮,系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包括壓力測量模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號傳輸模塊,信息處理模塊,顯示報(bào)警模塊和控制模塊。從硬件模塊劃分,壓力測量模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)在一起,構(gòu)成壓力變送單元。信息處理模塊,顯示報(bào)警模塊、控制模塊和信號傳輸模塊構(gòu)成二次儀表單元。高端信息處理采用微機(jī)作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 
圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig。
1The structure of system functions
2硬件設(shè)計(jì)
2.1二次儀表的硬件設(shè)計(jì)
二次儀表的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源設(shè)計(jì),A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì),單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì),顯示、報(bào)警、繼電控制設(shè)計(jì),遠(yuǎn)端通訊設(shè)計(jì)等。電源設(shè)計(jì)主要考慮變壓器應(yīng)有足夠的耐壓和功率的降額設(shè)計(jì),變壓器屏蔽層應(yīng)接地。二次儀表中的模擬部分和數(shù)字部分及控制繼電器應(yīng)由不同的變壓器副邊線圈供電,以防止大脈沖電流和電源波動(dòng)的影響。整個(gè)電源在線路板的布局應(yīng)遠(yuǎn)離信號線路部分。 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選取應(yīng)注重于產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性,產(chǎn)品在出廠前應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的老化和篩選。A/D的外圍電路的設(shè)計(jì)應(yīng)特別注意參考電壓的穩(wěn)定性。單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)以基本程式化,但其通訊端口的軟硬件設(shè)計(jì)與A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)交換方式有關(guān),液位測量對測量頻率要求不高,單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換芯片之間的數(shù)據(jù)交換可采用串口查詢[3,4]方式,這樣程序結(jié)構(gòu)清晰,便于編寫和調(diào)試。
 
2.2液位變送器的可靠性設(shè)計(jì)
液位變送器變作為系統(tǒng)前端一次儀表,直接影響測控系統(tǒng)的可靠度和精確度指標(biāo),所以在設(shè)計(jì)時(shí)必須確保其可靠性和穩(wěn)定性。變送器的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)兩大部分。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要要解決的問題有傳感器結(jié)構(gòu)的選用、防腐蝕設(shè)計(jì)、防堵塞設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、防凝露設(shè)計(jì)。電氣設(shè)計(jì)主要包括變送器電源保護(hù)設(shè)計(jì)、傳感器供電設(shè)計(jì)、信號提取、放大、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等。下面對影響可靠性的技術(shù)環(huán)節(jié)分析解決如下。
 
2.2。1變送器機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳感器結(jié)構(gòu)的選用投入式液位變送器的傳感器的一端感受被測液體壓力,另一端為電源和信號引線。傳感器結(jié)構(gòu)以圓柱形,并在一端為密封的錐管螺紋為宜,容易密封。所選用的傳感器一定要有充分的過壓保護(hù)。密封設(shè)計(jì)液位變送器的電氣室和感受端應(yīng)完全隔離,電路部件好在調(diào)試好后灌封,采用錐管螺紋密封連接時(shí)好在螺紋連接處涂抹環(huán)氧樹脂等密封填充料。選擇密封填充料時(shí)應(yīng)考慮與被測液體的相容性。防腐蝕設(shè)計(jì)投入式液位變送器的使用環(huán)境決定了殼體和引線必須與被測介質(zhì)兼容,普通被測液體可選用1Crl8Ni9Ti,要注意的是變送器殼體和引線與被測介質(zhì)的兼容性設(shè)計(jì)要考慮溫度的影響,有些金屬與液體的兼容性隨溫度的改變而改變。防堵塞設(shè)計(jì)投入式液位變送器的傳感器探頭長期浸入在被測介質(zhì)中,雜質(zhì)很容易堵塞傳壓孔,造成測量失真。在設(shè)計(jì)時(shí)傳感器探頭應(yīng)被端蓋保護(hù)起來,液體通過引壓孔引入,引壓孔的位置和角度都要合適。防護(hù)端蓋結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

 
圖2傳感器防護(hù)端蓋結(jié)構(gòu)圖
Fig。2Structure of senser cover
防凝露設(shè)計(jì)通過壓力測量液位的方法一般要引入附近參考大氣壓力,實(shí)際中通過空芯電纜引入。在長期應(yīng)用中,大氣中的水分會冷凝結(jié)露,造成參考端大氣壓力失真。防凝露設(shè)計(jì)在液位變送器的設(shè)計(jì)中一直是一個(gè)難題,許多設(shè)計(jì)人員采取放置干燥劑的方法,使用、維護(hù)均不方便。如果要徹底解決,技術(shù)上有一定難度。從設(shè)計(jì)、成本等方面均衡考慮,適當(dāng)增加外形尺寸,單獨(dú)設(shè)計(jì)積液室,定期清理,雖增加一些維護(hù),但從技術(shù)指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、成本方面考慮,是一種比較完善的解決方案。積液室結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
 
2.2.2變送器電氣設(shè)計(jì)
因?yàn)楝F(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,溫度變化大,強(qiáng)的電磁干擾甚至造成單片機(jī)死機(jī),給系統(tǒng)造成隱患,并且單片機(jī)功耗大,設(shè)計(jì)高可靠性兩線制變送器有一定技術(shù)難度。采用基于模擬電路的變送器,技術(shù)上成熟,易于采用普通的元器件設(shè)計(jì)高可靠性的電路,能滿足系統(tǒng)要求。變送器電源保護(hù)設(shè)計(jì)變送器一般要求直流12～ 36 V均能正常工作,低壓工作范圍可放寬至9 V,高端保護(hù)電壓可放寬至50 V,防止電源擾動(dòng)或強(qiáng)干擾。變送器采用兩線制,可以不在電源設(shè)計(jì)中加電橋以實(shí)現(xiàn)無極性接線,但應(yīng)設(shè)二極管以實(shí)現(xiàn)反向保護(hù),同時(shí)加電容濾波。電路及傳感器供電設(shè)計(jì)外接電源需經(jīng)保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路給整個(gè)電路供電,同時(shí),還要給后續(xù)電路提供參考電壓作為提供電源的穩(wěn)壓塊的指標(biāo)可以適當(dāng)放寬,但提供參考電壓的穩(wěn)壓塊穩(wěn)定性指標(biāo)必須保證。擴(kuò)散硅壓力傳感器一般采用恒流供電1～ 1。5 mA[5],電流的穩(wěn)定性直接影響變送器精度,故在選取恒流源時(shí)要注意電流的穩(wěn)定性指標(biāo)。信號提取、放大、轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)液體壓力經(jīng)擴(kuò)散硅壓力傳感器電橋轉(zhuǎn)換輸出的是一組在共模背景下的差模信號[5],經(jīng)濾波后可采用儀表放大器提取差模信號,為了提高電路穩(wěn)定性,可不在儀表放大器部分進(jìn)行放大,放大可采用運(yùn)放單獨(dú)完成,并同時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整,液位測量可根據(jù)用戶定做,在變送器環(huán)節(jié)可不做量程遷移,電路中不設(shè)電位器,防止漂移V/ I轉(zhuǎn)換采用電壓鉗位深度負(fù)反饋,所選三極管應(yīng)有足夠的功率降額設(shè)計(jì)。



3系統(tǒng)的可靠性保障
元器件選用系統(tǒng)所采用的元器件須有高的可靠性,所有影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的元器件可以不具有高的精度,但應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性,系統(tǒng)的精度可通過調(diào)試和校準(zhǔn)來保證,元器件根據(jù)其使用要求應(yīng)具有足夠降額設(shè)計(jì),并具有相當(dāng)?shù)哪蛻?yīng)力沖擊余度。元器件篩選設(shè)計(jì)篩選元器件是保證產(chǎn)品可靠性的重要手段元器件老化方案的選取應(yīng)遵循在不影響或微影響優(yōu)品的前提下盡量淘汰劣品。生產(chǎn)中可采取高溫老化、功率老化和溫度沖擊循環(huán)。具體老化溫度、功率和時(shí)間應(yīng)參考使用說明和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選方案的選擇應(yīng)均衡考慮,切忌為單獨(dú)提高劣品淘汰率,而大幅度損害優(yōu)品的性能指標(biāo),對老化后的元器件應(yīng)****檢驗(yàn)。抗干擾設(shè)計(jì)，為了保證測量的準(zhǔn)確性和可靠性,抗干擾設(shè)計(jì)尤為重要。從變送器環(huán)節(jié)考慮,電路中應(yīng)在各個(gè)信號節(jié)點(diǎn)設(shè)置濾波電容;二次儀表的變壓器屏蔽層應(yīng)接地;信號采集電路在PCB板上的布局應(yīng)遠(yuǎn)離電源、繼電器等干擾源;模擬信號和數(shù)字信號的地應(yīng)分開布線,后一點(diǎn)接地。

要說明的是電路中的地可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場情況選擇是否與變送器外殼相接。系統(tǒng)的安裝及維護(hù)液位測控系統(tǒng)穩(wěn)定、精確的工作不但與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)有關(guān),與系統(tǒng)的正確安裝也有著密切聯(lián)系。液位變送器應(yīng)根據(jù)需要安裝在合適的深度,具體位置應(yīng)避免溶液流動(dòng)的干擾,如果溶液中有雜質(zhì),應(yīng)裝有防護(hù)網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,每隔三到六個(gè)月,應(yīng)對變送器清洗、檢查一次,打開積液室,倒出積液。空芯電纜的架設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離其他電源線和強(qiáng)的信號線,空芯電纜應(yīng)固定,不應(yīng)承受外力。二次儀表可根據(jù)需要安裝在現(xiàn)場或工房,如在現(xiàn)場一定要有防護(hù)設(shè)施,控制環(huán)境溫濕度,一年應(yīng)對整個(gè)系統(tǒng)校準(zhǔn)一次。
 
4結(jié)論
系統(tǒng)的可靠性來源于系統(tǒng)設(shè)汁中結(jié)構(gòu)同有可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行中所有相關(guān)因素的正常工作。在設(shè)計(jì)中充分理解系統(tǒng)的工作原理,全面考慮到各種影響因素,從源頭控制,從過程中把握是提高系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)的有效方法和根本途徑。

上一條：國內(nèi)壓力變送器的產(chǎn)品現(xiàn)狀和未業(yè)發(fā)展前景
下一條：針對于磁翻板液位計(jì)失效情況的分析與解決策略