一種無觸點電接點壓力表的實現(xiàn)

江蘇大學電氣信息工程學院 周 鵬

周建民

1.引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常需要對設備的壓力參數(shù)進行測量。電接點壓力表則常用于測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。電接點壓力表是一種現(xiàn)場指示、控制儀表，屬自動化儀表范疇，其一般精度等級為1.0-4.0級。

2.無觸點電接點壓力表概述

2.1 電接點壓力表的工作原理及存在問題

電接點壓力表是由彈簧管壓力表加裝電氣接點開關(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。其測壓原理是基于測量系統(tǒng)中的彈簧管在被測介質(zhì)的壓力作用下，迫使彈簧管末端產(chǎn)生相應的彈性變形。固定在機芯齒輪上的指針將被測值在度盤上指示出來；與此同時，帶動接點觸頭產(chǎn)生相應閉合或斷開的動作以使控壓系統(tǒng)中的電路得以接通或斷開，從而實現(xiàn)自動控制報警和現(xiàn)場指示的目的。[1]

目前國內(nèi)電接點壓力表的準確度、彈性元件的抗疲勞度等技術(shù)性能指標均已達到較高的水準，但由于在實際使用中，壓力表電接點觸點的負載大都為感性負載，在觸點通斷瞬間，均會產(chǎn)生電弧，使觸點灼蝕甚至燒結(jié)在一起，以至于失效、損壞。[2]

2.2 無觸點電接點壓力表

為解決普通電接點壓力表存在的問題，本設計取消了電接點壓力表中的機械觸點（銀觸點或磁助式電觸點）。分別在上限設定指針和下限設定指針的適當位置上各安裝一只霍爾磁敏集成開關(guān)，在原動觸點轉(zhuǎn)臂適當位置上安裝一只體積較小的高磁能積永磁鐵，兩者組成一組無觸點控制開關(guān)。調(diào)節(jié)上限指針指示的壓力值即可設定控制上限，調(diào)節(jié)下限指針指示的壓力值即可設定控制下限，兩指針所指示的壓力差即為控制區(qū)間。

在電路設計上，為了保證霍爾磁敏集成開關(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、帶負載能力弱，因此需要在其輸出端連接一只高增益達林頓管，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。輸入為磁感應強度，輸出為電信號。其輸出的電信號隨著檢測到的磁感應強度的增減而變化。[4]作為開關(guān)霍爾傳感器來應用的霍爾集成電路，其變化是數(shù)字的，即輸出電信號與磁感應強度呈開關(guān)狀態(tài)關(guān)系。[5]霍爾集成電路的輸出可以直接驅(qū)動TTL、CMOS等集成電路和各種類型大、中、小晶體管。

霍爾開關(guān)集成電路可用于：無觸點開關(guān)、位置傳感、旋轉(zhuǎn)傳感、自動檢測控制等。霍爾開關(guān)集成電路應用特點為：無觸點、長壽命、高可靠、無火花、無自激振蕩、工作頻率寬。抗污能力強，抗干擾能力強，負載能力強。輸出數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡單、堅固、體積小安裝方便等。[6]

3.機械結(jié)構(gòu)及原理簡介

對普通電接點壓力表進行改裝，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、壓力測試指針3、擋塊4、止釘5、下限設定指針6、固定在6上的霍爾磁敏集成開關(guān)7（Ic1）、裝固在9上的永磁鐵8、轉(zhuǎn)臂9、調(diào)節(jié)9轉(zhuǎn)動力矩的游絲10、裝固在12上的霍爾磁敏集成開關(guān)11（Ic2）、上限設定指針12、機芯連桿機構(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定指針6上的止釘5。此時霍爾磁敏集成開關(guān)7處于觸發(fā)導通狀態(tài)，無觸點開關(guān)導通，負載得電工作。當系統(tǒng)壓力上升，彈簧管2端部的位移通過機芯連桿機構(gòu)13帶動，使指針3轉(zhuǎn)動。當指針3指到下限設定指針6所指的壓力值時，永磁鐵8和轉(zhuǎn)臂9在指針3上擋塊4的推動下，隨壓力的上升一起轉(zhuǎn)動。當指針3隨壓力的進一步上升，指到上限設定指針12所指的壓力值時，永磁鐵8觸發(fā)霍爾磁敏集成開關(guān)11導通。無觸點開關(guān)關(guān)斷使負載失電，壓力源動力停止工作。壓力下降時永磁鐵8轉(zhuǎn)臂9在游絲10彈簧力的作用下隨指針3一起移動。當系統(tǒng)壓力下降到下限設定值時，永磁鐵8觸發(fā)7再次導通，無觸點開關(guān)導通負載得電，壓力源動力重新工作。如此反復，達到測量和控制的目的。根據(jù)工作需要設定指針6、12可在全量程范圍內(nèi)任意設定。

4.電路原理圖及簡介

控制電路需實現(xiàn)的基本功能為：當系統(tǒng)壓力低于下限設定值時，需要在達林頓管T的基極輸入高電平使其導通，從而負載得電開始工作。在系統(tǒng)壓力達到上限設定值前，電路應當使負載保持工作狀態(tài)。當系統(tǒng)壓力高于上限設定值時，在達林頓管T的基極輸入低電平使其截止，此時負載失電停止工作，系統(tǒng)壓力逐漸下降直至壓力降至下限設定值。當系統(tǒng)壓力降至下限設定值時，應當使達林頓管T的基極再次獲得高電平并導通，負載得電工作。以上便是電路的一個工作周期。

需求電路的工作邏輯正好對應了Rs觸發(fā)器具有的邏輯功能。因此可以用Rs觸發(fā)器來實現(xiàn)本裝置的核心控制電路。電路的工作狀態(tài)可以用表1詳細描述，該表與Rs觸發(fā)器的真值表完全對應。

本設計的電路原理圖如圖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；霍爾磁敏集成開關(guān)Ic1、Ic2；與非門組成的Rs觸發(fā)器Ic3；達林頓管T；光電耦合器Ic4；雙向可控硅SCR及用于過壓保護的壓敏電阻VR。

圖2電路中，通過光電耦合器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。為進一步提高儀表的可靠性，在SCR兩端增加了R7、C3緩沖保護網(wǎng)絡和VR壓敏電阻，以防SCR因浪涌電壓過高而發(fā)生擊穿。

5.實驗裝置的制作

選用一只￠150，規(guī)格為16MPa的電接點壓力表。具體實驗裝置的制作步驟如下：(1)將其下限設定指針和上限設定指針拆下并去掉銀觸點或磁助觸點，重新制作2個銅質(zhì)上、下限設定指針如圖3、圖4。(2)在其針上設置安裝霍爾磁敏集成開關(guān)Ic1、Ic2用的裝夾卡，將Ic1安裝在下限設定指針6上，Ic2裝固在上限設定指針12上。(3)在下限設定指針6的適當位置上鉚接好止釘5。(4)去掉原表上的兩動觸點及轉(zhuǎn)臂，重新制作一個可裝固永磁鐵8的銅質(zhì)轉(zhuǎn)臂9見圖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壓力表中。至此，設計的無觸點電接點壓力表的機械部分制作完成。

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實驗裝置的制作。主要電器元件的選擇：Ic1、Ic2可選用UGS—3120T或UGS—3020T型號的霍爾磁敏集成開關(guān)；Ic3選擇CD4011兩輸入端四與非門；IC4使用型號為MOC3041的光耦。關(guān)于SCR雙向可控硅的選擇：當控制對象電源電壓為220V時，選擇額定正向平均電流和耐壓值為6A/600V的雙向可控硅。當控制對象電源電壓為380V時，選取參數(shù)為6A/1200V—1500V的雙向可控硅。其它元器件根據(jù)具體情況計算后進行選擇。

6.結(jié)束語

本設計測量和控制構(gòu)件之間沒有機械接觸，所以無機械磨損且解決了一般電接點壓力表在機械觸點處產(chǎn)生電火花的問題。此外普通電接點壓力表在開關(guān)動作時，均不同程度地存在微小的機械來回位移和回彈，使被控對象產(chǎn)生頻繁的重復動作，特別是在有振動的場合更是如此。無觸點電接點壓力表由于開關(guān)一旦動作不會因微小的機械位移、回彈而發(fā)生頻繁的重復動作，這一優(yōu)點是普通電接點壓力表無法比擬的。由于無觸點電接點壓力表具有上述優(yōu)勢，故其在工業(yè)生產(chǎn)中具有較高的實用價值。

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

[2]傅錦華,張光成.電接點觸點電子保護裝置的設計[J].科技創(chuàng)新導報,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.霍爾效應和霍爾傳感器的教學方法研究[J].電氣電子教學學報,2012,4:118-119.

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

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