江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 周 鵬

周建民

1.引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)設(shè)備的壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。電接點(diǎn)壓力表則常用于測(cè)量和控制各種管道和容器中的液體、氣體或蒸汽的壓力及真空。電接點(diǎn)壓力表是一種現(xiàn)場(chǎng)指示、控制儀表，屬自動(dòng)化儀表范疇，其一般精度等級(jí)為1.0-4.0級(jí)。

2.無(wú)觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表概述

2.1 電接點(diǎn)壓力表的工作原理及存在問(wèn)題

電接點(diǎn)壓力表是由彈簧管壓力表加裝電氣接點(diǎn)開(kāi)關(guān)所組成，除可指示壓力的大小外，還用于發(fā)出壓力越限信號(hào)。其測(cè)壓原理是基于測(cè)量系統(tǒng)中的彈簧管在被測(cè)介質(zhì)的壓力作用下，迫使彈簧管末端產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形。固定在機(jī)芯齒輪上的指針將被測(cè)值在度盤(pán)上指示出來(lái)；與此同時(shí)，帶動(dòng)接點(diǎn)觸頭產(chǎn)生相應(yīng)閉合或斷開(kāi)的動(dòng)作以使控壓系統(tǒng)中的電路得以接通或斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)指示的目的。[1]

目前國(guó)內(nèi)電接點(diǎn)壓力表的準(zhǔn)確度、彈性元件的抗疲勞度等技術(shù)性能指標(biāo)均已達(dá)到較高的水準(zhǔn)，但由于在實(shí)際使用中，壓力表電接點(diǎn)觸點(diǎn)的負(fù)載大都為感性負(fù)載，在觸點(diǎn)通斷瞬間，均會(huì)產(chǎn)生電弧，使觸點(diǎn)灼蝕甚至燒結(jié)在一起，以至于失效、損壞。[2]

2.2 無(wú)觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表

為解決普通電接點(diǎn)壓力表存在的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)取消了電接點(diǎn)壓力表中的機(jī)械觸點(diǎn)（銀觸點(diǎn)或磁助式電觸點(diǎn)）。分別在上限設(shè)定指針和下限設(shè)定指針的適當(dāng)位置上各安裝一只霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)，在原動(dòng)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)臂適當(dāng)位置上安裝一只體積較小的高磁能積永磁鐵，兩者組成一組無(wú)觸點(diǎn)控制開(kāi)關(guān)。調(diào)節(jié)上限指針指示的壓力值即可設(shè)定控制上限，調(diào)節(jié)下限指針指示的壓力值即可設(shè)定控制下限，兩指針?biāo)甘镜膲毫Σ罴礊榭刂茀^(qū)間。

在電路設(shè)計(jì)上，為了保證霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)觸發(fā)后不因永磁鐵位置的變化而使電路狀態(tài)發(fā)生變化，采用CMOS與非門(mén)集成電路組成具有記憶功能的Rs觸發(fā)器[3]。由于CMOS集成電路的輸出電流有限、帶負(fù)載能力弱，因此需要在其輸出端連接一只高增益達(dá)林頓管，給后續(xù)電路提供足夠的工作電流。

2.3 霍爾磁敏集成電路

霍爾集成電路是一種集成化的磁敏傳感器。它是把霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出器四部分做在同一硅片上的磁電轉(zhuǎn)換集成器件。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出為電信號(hào)。其輸出的電信號(hào)隨著檢測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增減而變化。[4]作為開(kāi)關(guān)霍爾傳感器來(lái)應(yīng)用的霍爾集成電路，其變化是數(shù)字的，即輸出電信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈開(kāi)關(guān)狀態(tài)關(guān)系。[5]霍爾集成電路的輸出可以直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMOS等集成電路和各種類(lèi)型大、中、小晶體管。

霍爾開(kāi)關(guān)集成電路可用于：無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、位置傳感、旋轉(zhuǎn)傳感、自動(dòng)檢測(cè)控制等?；魻栭_(kāi)關(guān)集成電路應(yīng)用特點(diǎn)為：無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、高可靠、無(wú)火花、無(wú)自激振蕩、工作頻率寬?？刮勰芰?qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，負(fù)載能力強(qiáng)。輸出數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小安裝方便等。[6]

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)介

對(duì)普通電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行改裝，改裝完成后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由引壓接頭1、彈簧管2、壓力測(cè)試指針3、擋塊4、止釘5、下限設(shè)定指針6、固定在6上的霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)7（Ic1）、裝固在9上的永磁鐵8、轉(zhuǎn)臂9、調(diào)節(jié)9轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的游絲10、裝固在12上的霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)11（Ic2）、上限設(shè)定指針12、機(jī)芯連桿機(jī)構(gòu)13所組成。

表1 電路的工作狀態(tài)

圖1 改裝完成后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 電路原理圖

圖3

圖4

工作初始階段，永磁鐵8和轉(zhuǎn)臂9在游絲10彈簧力的作用下緊靠著設(shè)定指針6上的止釘5。此時(shí)霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)7處于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。當(dāng)系統(tǒng)壓力上升，彈簧管2端部的位移通過(guò)機(jī)芯連桿機(jī)構(gòu)13帶動(dòng)，使指針3轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)指針3指到下限設(shè)定指針6所指的壓力值時(shí)，永磁鐵8和轉(zhuǎn)臂9在指針3上擋塊4的推動(dòng)下，隨壓力的上升一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)指針3隨壓力的進(jìn)一步上升，指到上限設(shè)定指針12所指的壓力值時(shí)，永磁鐵8觸發(fā)霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)11導(dǎo)通。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)關(guān)斷使負(fù)載失電，壓力源動(dòng)力停止工作。壓力下降時(shí)永磁鐵8轉(zhuǎn)臂9在游絲10彈簧力的作用下隨指針3一起移動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到下限設(shè)定值時(shí)，永磁鐵8觸發(fā)7再次導(dǎo)通，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通負(fù)載得電，壓力源動(dòng)力重新工作。如此反復(fù)，達(dá)到測(cè)量和控制的目的。根據(jù)工作需要設(shè)定指針6、12可在全量程范圍內(nèi)任意設(shè)定。

4.電路原理圖及簡(jiǎn)介

控制電路需實(shí)現(xiàn)的基本功能為：當(dāng)系統(tǒng)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，需要在達(dá)林頓管T的基極輸入高電平使其導(dǎo)通，從而負(fù)載得電開(kāi)始工作。在系統(tǒng)壓力達(dá)到上限設(shè)定值前，電路應(yīng)當(dāng)使負(fù)載保持工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于上限設(shè)定值時(shí)，在達(dá)林頓管T的基極輸入低電平使其截止，此時(shí)負(fù)載失電停止工作，系統(tǒng)壓力逐漸下降直至壓力降至下限設(shè)定值。當(dāng)系統(tǒng)壓力降至下限設(shè)定值時(shí)，應(yīng)當(dāng)使達(dá)林頓管T的基極再次獲得高電平并導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。以上便是電路的一個(gè)工作周期。

需求電路的工作邏輯正好對(duì)應(yīng)了Rs觸發(fā)器具有的邏輯功能。因此可以用Rs觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)本裝置的核心控制電路。電路的工作狀態(tài)可以用表1詳細(xì)描述，該表與Rs觸發(fā)器的真值表完全對(duì)應(yīng)。

本設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。它主要包含的元器件及功能：直流極性保護(hù)二極管D；用于濾波穩(wěn)壓的電容和穩(wěn)壓二極管C1、C2、DW；霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)Ic1、Ic2；與非門(mén)組成的Rs觸發(fā)器Ic3；達(dá)林頓管T；光電耦合器Ic4；雙向可控硅SCR及用于過(guò)壓保護(hù)的壓敏電阻VR。

圖2電路中，通過(guò)光電耦合器Ic4將交流控制電源與直流工作電源隔離，增加了電路的抗干擾性能和安全性。為進(jìn)一步提高儀表的可靠性，在SCR兩端增加了R7、C3緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和VR壓敏電阻，以防SCR因浪涌電壓過(guò)高而發(fā)生擊穿。

5.實(shí)驗(yàn)裝置的制作

選用一只￠150，規(guī)格為16MPa的電接點(diǎn)壓力表。具體實(shí)驗(yàn)裝置的制作步驟如下：(1)將其下限設(shè)定指針和上限設(shè)定指針拆下并去掉銀觸點(diǎn)或磁助觸點(diǎn)，重新制作2個(gè)銅質(zhì)上、下限設(shè)定指針如圖3、圖4。(2)在其針上設(shè)置安裝霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)Ic1、Ic2用的裝夾卡，將Ic1安裝在下限設(shè)定指針6上，Ic2裝固在上限設(shè)定指針12上。(3)在下限設(shè)定指針6的適當(dāng)位置上鉚接好止釘5。(4)去掉原表上的兩動(dòng)觸點(diǎn)及轉(zhuǎn)臂，重新制作一個(gè)可裝固永磁鐵8的銅質(zhì)轉(zhuǎn)臂9見(jiàn)圖3、圖4。(5)將游絲10一端固定，另一端與轉(zhuǎn)臂9相連，并調(diào)整好力矩。(6)將改裝好的設(shè)定指針6、12及轉(zhuǎn)臂9一起裝回原支架，再將支架部件重新安裝到電接點(diǎn)壓力表中。至此，設(shè)計(jì)的無(wú)觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表的機(jī)械部分制作完成。

印刷電路板的尺寸選擇小于48×30mm為宜，將焊接好元器件的PCB板安裝至表內(nèi)空隙處即可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作。主要電器元件的選擇：Ic1、Ic2可選用UGS—3120T或UGS—3020T型號(hào)的霍爾磁敏集成開(kāi)關(guān)；Ic3選擇CD4011兩輸入端四與非門(mén)；IC4使用型號(hào)為MOC3041的光耦。關(guān)于SCR雙向可控硅的選擇：當(dāng)控制對(duì)象電源電壓為220V時(shí)，選擇額定正向平均電流和耐壓值為6A/600V的雙向可控硅。當(dāng)控制對(duì)象電源電壓為380V時(shí)，選取參數(shù)為6A/1200V—1500V的雙向可控硅。其它元器件根據(jù)具體情況計(jì)算后進(jìn)行選擇。

6.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)測(cè)量和控制構(gòu)件之間沒(méi)有機(jī)械接觸，所以無(wú)機(jī)械磨損且解決了一般電接點(diǎn)壓力表在機(jī)械觸點(diǎn)處產(chǎn)生電火花的問(wèn)題。此外普通電接點(diǎn)壓力表在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，均不同程度地存在微小的機(jī)械來(lái)回位移和回彈，使被控對(duì)象產(chǎn)生頻繁的重復(fù)動(dòng)作，特別是在有振動(dòng)的場(chǎng)合更是如此。無(wú)觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表由于開(kāi)關(guān)一旦動(dòng)作不會(huì)因微小的機(jī)械位移、回彈而發(fā)生頻繁的重復(fù)動(dòng)作，這一優(yōu)點(diǎn)是普通電接點(diǎn)壓力表無(wú)法比擬的。由于無(wú)觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表具有上述優(yōu)勢(shì)，故其在工業(yè)生產(chǎn)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]蘇保華.電接點(diǎn)壓力表的檢修技術(shù)[J].傳感及檢測(cè)儀表,2010.

[2]傅錦華,張光成.電接點(diǎn)觸點(diǎn)電子保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009.

[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]聞福三,趙京明,王玲玲.霍爾效應(yīng)和霍爾傳感器的教學(xué)方法研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2012,4:118-119.

[5]趙負(fù)圖.新型傳感器集成電路應(yīng)用手冊(cè)(上)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[6]王美麗.霍爾傳感器的應(yīng)用探討[J].山西電子技術(shù),2010,4:84-86.