擴(kuò)散硅投入式液位變送器測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度和可靠性

擴(kuò)散硅投入式液位變送器測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、化工、水廠、污水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(lái)諸多不便。本文從產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)思想入手，試圖以擴(kuò)散硅投入式液位變送器為例設(shè)計(jì)液位測(cè)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。本文針對(duì)擴(kuò)散硅投入式液位變送器測(cè)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(guò)程中去。 本文以系統(tǒng)的可靠性為目標(biāo)對(duì)擴(kuò)散硅投入式液位變送器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件功能的合理分配和對(duì)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)散硅投入式液位變送器測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(hù)使用要求，作為擴(kuò)散硅投入式液位變送器測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)具有測(cè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要重新定位和開(kāi)發(fā)。
 

液位測(cè)量根據(jù)測(cè)量對(duì)象、測(cè)量環(huán)境和精度要求等方面的不同有不同的測(cè)量原理和方法，在可接觸測(cè)量中，對(duì)于液體密度一致的液位測(cè)量采用壓力測(cè)量模擬的方法簡(jiǎn)單、可靠，且測(cè)量精度較高，能滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。壓力測(cè)量方法從原理上可靠性高，并且壓力傳感器近些年來(lái)發(fā)展很快，特別是擴(kuò)散

壓力傳感器無(wú)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(jí)電壓信號(hào)，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(cè)量模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)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(cè)量模塊、信號(hào)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(hào)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。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。1Thestructureofsystemfunctions

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(hào)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(guò)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(cè)量對(duì)測(cè)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(xún)方式，這樣程序結(jié)構(gòu)清晰，便于編寫(xiě)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(cè)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(wèn)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(hào)提取、放大、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)等。下面對(duì)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)
擴(kuò)散硅投入式液位變送器傳感器結(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(cè)液體壓力，另一端為電源和信號(hào)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(guò)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，電路部件在調(diào)試好后灌封，采用錐管螺紋密封連接時(shí)在螺紋連接處涂抹環(huán)氧樹(shù)脂等密封填充料。選擇密封填充料時(shí)應(yīng)考慮與被測(cè)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(cè)介質(zhì)兼容，普通被測(cè)液體可選用1Crl8Ni9Ti，要注意的是變送器殼體和引線與被測(cè)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(zhǎng)期浸入在被測(cè)介質(zhì)中，雜質(zhì)很容易堵塞傳壓孔，造成測(cè)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(lái)，液體通過(guò)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。2Structureofsensercover
防凝露設(shè)計(jì)通過(guò)壓力測(cè)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(guò)空芯電纜引入。在長(zhǎng)期應(yīng)用中，大氣中的水分會(huì)冷凝結(jié)露，造成參考端大氣壓力失真。防凝露設(shè)計(jì)在投入式液位變送器的設(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(chǎng)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?xún)删€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(mǎn)足系統(tǒng)要求。

 
圖3積液室結(jié)構(gòu)圖
Fig。3Structureofcoagulatingwatercabin
 
變送器電源保護(hù)設(shè)計(jì)變送器一般要求直流12～36V均能正常工作，低壓工作范圍可放寬至9V，高端保護(hù)電壓可放寬至50V，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(wú)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。5mA[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(hào)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(hào)[5]，經(jīng)濾波后可采用儀表放大器提取差模信號(hào)，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(cè)量可根據(jù)用戶(hù)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(guò)調(diào)試和校準(zhǔn)來(lái)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(shuō)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(duì)老化后的元器件應(yīng)100%檢驗(yàn)。
 
抗干擾設(shè)計(jì)為了保證測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)和數(shù)字信號(hào)的地應(yīng)分開(kāi)布線，最后一點(diǎn)接地。要說(shuō)明的是電路中的地可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)實(shí)際情況，每隔三到六個(gè)月，應(yīng)對(duì)變送器清洗、檢查一次，打開(kāi)積液室，倒出積液?？招倦娎|的架設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離其他電源線和強(qiáng)的信號(hào)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(chǎng)或工房，如在現(xiàn)場(chǎng)一定要有防護(hù)設(shè)施，控制環(huán)境溫濕度，一年應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)校準(zhǔn)一次。

4結(jié)論
系統(tǒng)的可靠性來(lái)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(guò)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。