擴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械加工工藝，制成了具有惠斯頓電橋和精密力學結構的硅敏感元件。被測壓力通過壓力接口作用在硅敏感元件上，實現了所加壓力與輸出信號的線性轉換，目前，擴散硅液位變送器測量系統**應用于電力、化工、水廠、污水處理、環境監測等領域。但系統工作可靠性有待于進一步提高,在實際應用中經常出現誤報、錯報、嚴重漂移等現象,甚至影響到整機不能正常工作,這給系統維護、檢修、校驗及使用帶來諸多不便。本文針對擴散硅液位變送器測量系統設計的特點,盡量把可靠性保障設計中的系統功能結構設計原則、元器件選用原則、元器件篩選設計,降額、容差、電磁兼容及環境防護等設計思想融入到系統的整個設計過程中去。從產品的可靠性設計思想入手,試圖以擴散硅液位變送器為例設計液位測量系統,為小型智能化儀表的可靠性設計提供一些新的思路和方法。系統設備的可靠性定量設計涉及系統可靠性指標的論證、模型的建立及計算、可靠性指標的預計和分配等。
 
本文介紹的是以系統的可靠性為目標對擴散硅液位變送器測量系統進行綜合設計和技術改進。通過對系統的軟、硬件功能的合理分配和對關鍵技術難點解決方案的選擇,以及兼容設計、降額設計、抗干擾設計等可靠性保障技術的應用提高了擴散硅液位變送器測量系統的測量精度和可靠性指標。這種方法成本低,儀器安裝方便。同時,本文也為其他小型智能化儀表的可靠性保障設計提供了一種思路和方法。
 
1系統功能及結構構成
1.1系統功能設計
系統的功能設計取決于用戶使用要求,作為擴散硅液位變送器測量系統,應具有測量、校準、顯示、量程設置、遷移、單位選擇、報警、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、量程設置、遷移、單位選擇、報警、低端通訊等功能;高端信息處理是一個基于液位數據的可開發平臺,用戶可根據實際需要重新定位和開發。
液位測量根據測量對象、測量環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,能滿足大多數應用場合。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展很快,特別是擴散硅壓力傳感器無論是從量程、線性、穩定性等方面有了很大的提高,體積小,價格也較低廉,輸出毫伏級電壓信號,使用靈活,是一個具有良好技術指標和可靠度的設計底層元件。
1.2系統結構設計
從功能設計考慮,系統功能結構應包括壓力測量模塊、信號轉換模塊、信號傳輸模塊,信息處理模塊,顯示報警模塊和控制模塊。從硬件模塊劃分,壓力測量模塊、信號轉換模塊設計在一起,構成壓力變送單元。信息處理模塊,顯示報警模塊、控制模塊和信號傳輸模塊構成二次儀表單元。高端信息處理采用微機作為開發平臺。系統功能結構框圖如圖1所示。

 
圖1系統功能結構框圖Fig。
1The structure of system functions
2硬件設計
2.1二次儀表的硬件設計
二次儀表的硬件設計主要包括電源設計,A/D轉換設計,單片機外圍電路設計,顯示、報警、繼電控制設計,遠端通訊設計等。電源設計主要考慮變壓器應有足夠的耐壓和功率的降額設計,變壓器屏蔽層應接地。二次儀表中的模擬部分和數字部分及控制繼電器應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的影響。整個電源在線路板的布局應遠離信號線路部分。 A/D轉換芯片的選取應注重于產品的穩定性和可靠性,產品在出廠前應經過嚴格的老化和篩選。A/D的外圍電路的設計應特別注意參考電壓的穩定性。單片機外圍電路設計以基本程式化,但其通訊端口的軟硬件設計與A/D轉換芯片的數據交換方式有關,液位測量對測量頻率要求不高,單片機與A/D轉換芯片之間的數據交換可采用串口查詢[3,4]方式,這樣程序結構清晰,便于編寫和調試。
 
2.2液位變送器的可靠性設計
液位變送器變作為系統前端一次儀表,直接影響測控系統的可靠度和精確度指標,所以在設計時必須確保其可靠性和穩定性。變送器的設計主要包括機械防護結構設計和電氣設計兩大部分。結構設計上主要要解決的問題有傳感器結構的選用、防腐蝕設計、防堵塞設計、密封設計、防凝露設計。電氣設計主要包括變送器電源保護設計、傳感器供電設計、信號提取、放大、轉換電路設計等。下面對影響可靠性的技術環節分析解決如下。
 
2.2。1變送器機械防護結構設計
傳感器結構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。傳感器結構以圓柱形,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。密封設計液位變送器的電氣室和感受端應完全隔離,電路部件好在調試好后灌封,采用錐管螺紋密封連接時好在螺紋連接處涂抹環氧樹脂等密封填充料。選擇密封填充料時應考慮與被測液體的相容性。防腐蝕設計投入式液位變送器的使用環境決定了殼體和引線必須與被測介質兼容,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的兼容性設計要考慮溫度的影響,有些金屬與液體的兼容性隨溫度的改變而改變。防堵塞設計投入式液位變送器的傳感器探頭長期浸入在被測介質中,雜質很容易堵塞傳壓孔,造成測量失真。在設計時傳感器探頭應被端蓋保護起來,液體通過引壓孔引入,引壓孔的位置和角度都要合適。防護端蓋結構圖如圖2所示。

 
圖2傳感器防護端蓋結構圖
Fig。2Structure of senser cover
防凝露設計通過壓力測量液位的方法一般要引入附近參考大氣壓力,實際中通過空芯電纜引入。在長期應用中,大氣中的水分會冷凝結露,造成參考端大氣壓力失真。防凝露設計在液位變送器的設計中一直是一個難題,許多設計人員采取放置干燥劑的方法,使用、維護均不方便。如果要徹底解決,技術上有一定難度。從設計、成本等方面均衡考慮,適當增加外形尺寸,單獨設計積液室,定期清理,雖增加一些維護,但從技術指標、可靠性指標、成本方面考慮,是一種比較完善的解決方案。積液室結構圖如圖3所示。
 
2.2.2變送器電氣設計
因為現場環境復雜,溫度變化大,強的電磁干擾甚至造成單片機死機,給系統造成隱患,并且單片機功耗大,設計高可靠性兩線制變送器有一定技術難度。采用基于模擬電路的變送器,技術上成熟,易于采用普通的元器件設計高可靠性的電路,能滿足系統要求。變送器電源保護設計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,高端保護電壓可放寬至50 V,防止電源擾動或強干擾。變送器采用兩線制,可以不在電源設計中加電橋以實現無極性接線,但應設二極管以實現反向保護,同時加電容濾波。電路及傳感器供電設計外接電源需經保護電路和穩壓電路給整個電路供電,同時,還要給后續電路提供參考電壓作為提供電源的穩壓塊的指標可以適當放寬,但提供參考電壓的穩壓塊穩定性指標必須保證。擴散硅壓力傳感器一般采用恒流供電1～ 1。5 mA[5],電流的穩定性直接影響變送器精度,故在選取恒流源時要注意電流的穩定性指標。信號提取、放大、轉換電路的設計液體壓力經擴散硅壓力傳感器電橋轉換輸出的是一組在共模背景下的差模信號[5],經濾波后可采用儀表放大器提取差模信號,為了提高電路穩定性,可不在儀表放大器部分進行放大,放大可采用運放單獨完成,并同時進行零點調整,液位測量可根據用戶定做,在變送器環節可不做量程遷移,電路中不設電位器,防止漂移V/ I轉換采用電壓鉗位深度負反饋,所選三極管應有足夠的功率降額設計。



3系統的可靠性保障
元器件選用系統所采用的元器件須有高的可靠性,所有影響系統穩定性的元器件可以不具有高的精度,但應具有較高的穩定性,系統的精度可通過調試和校準來保證,元器件根據其使用要求應具有足夠降額設計,并具有相當的耐應力沖擊余度。元器件篩選設計篩選元器件是保證產品可靠性的重要手段元器件老化方案的選取應遵循在不影響或微影響優品的前提下盡量淘汰劣品。生產中可采取高溫老化、功率老化和溫度沖擊循環。具體老化溫度、功率和時間應參考使用說明和統計試驗數據篩選方案的選擇應均衡考慮,切忌為單獨提高劣品淘汰率,而大幅度損害優品的性能指標,對老化后的元器件應****檢驗。抗干擾設計，為了保證測量的準確性和可靠性,抗干擾設計尤為重要。從變送器環節考慮,電路中應在各個信號節點設置濾波電容;二次儀表的變壓器屏蔽層應接地;信號采集電路在PCB板上的布局應遠離電源、繼電器等干擾源;模擬信號和數字信號的地應分開布線,后一點接地。

要說明的是電路中的地可根據實際現場情況選擇是否與變送器外殼相接。系統的安裝及維護液位測控系統穩定、精確的工作不但與設計、生產有關,與系統的正確安裝也有著密切聯系。液位變送器應根據需要安裝在合適的深度,具體位置應避免溶液流動的干擾,如果溶液中有雜質,應裝有防護網。根據現場實際情況,每隔三到六個月,應對變送器清洗、檢查一次,打開積液室,倒出積液。空芯電纜的架設應遠離其他電源線和強的信號線,空芯電纜應固定,不應承受外力。二次儀表可根據需要安裝在現場或工房,如在現場一定要有防護設施,控制環境溫濕度,一年應對整個系統校準一次。
 
4結論
系統的可靠性來源于系統設汁中結構同有可靠性和系統運行中所有相關因素的正常工作。在設計中充分理解系統的工作原理,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的可靠性設計的有效方法和根本途徑。

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