關(guān)于擴(kuò)散硅壓力變送器測(cè)量系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
擴(kuò)散硅壓力變送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(cè)壓力通過(guò)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(hào)的線性轉(zhuǎn)換，目前，擴(kuò)散硅液位變送器測(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。本文針對(duì)擴(kuò)散硅液位變送器測(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。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(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。
本文介紹的是以系統(tǒng)的可靠性為目標(biāo)對(duì)擴(kuò)散硅液位變送器測(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(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;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)散硅壓力傳感器無(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。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
2.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(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)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(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。
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)99%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,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
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