扩散硅投入式液位变送器测量系统测量精度和可靠性

扩散硅投入式液位变送器测量系统广泛应用于电力、化工、水厂、污水处理、环境监测等领域。但系统工作可靠性有待于进一步提高，在实际应用中经常出现误报、错报、严重漂移等现象，甚至影响到整机不能正常工作，这给系统维护、检修、校验及使用带来诸多不便。本文从产品的可靠性设计思想入手，试图以扩散硅投入式液位变送器为例设计液位测量系统，为小型智能化仪表的可靠性设计提供一些新的思路和方法。系统设备的可靠性定量设计涉及系统可靠性指标的论证、模型的建立及计算、可靠性指标的预计和分配等。本文针对扩散硅投入式液位变送器测量系统设计的特点，尽量把可靠性保障设计中的系统功能结构设计原则、元器件选用原则、元器件筛选设计，降额、容差、电磁兼容及环境防护等设计思想融入到系统的整个设计过程中去。 本文以系统的可靠性为目标对扩散硅投入式液位变送器测量系统进行综合设计和技术改进。通过对系统的软、硬件功能的合理分配和对关键技术难点解决方案的选择，以及兼容设计、降额设计、抗干扰设计等可靠性保障技术的应用提高了扩散硅投入式液位变送器测量系统的测量精度和可靠性指标。这种方法成本低，仪器安装方便。同时，本文也为其他小型智能化仪表的可靠性保障设计提供了一种思路和方法。
 
1系统功能及结构构成
1.1系统功能设计
系统的功能设计取决于用户使用要求，作为扩散硅投入式液位变送器测量系统，应具有测量、校准、显示、量程设置、迁移、单位选择、报警、通讯、信息处理、控制等基本功能。在功能划分上，将信息处理分为低端信息处理和高端信息处理两部分，其中低端信息处理包括显示、校准、量程设置、迁移、单位选择、报警、低端通讯等功能;高端信息处理是一个基于液位数据的可开发平台，用户可根据实际需要重新定位和开发。
 

液位测量根据测量对象、测量环境和精度要求等方面的不同有不同的测量原理和方法，在可接触测量中，对于液体密度一致的液位测量采用压力测量模拟的方法简单、可靠，且测量精度较高，能满足大多数应用场合。压力测量方法从原理上可靠性高，并且压力传感器近些年来发展很快，特别是扩散

压力传感器无论是从量程、线性、稳定性等方面有了很大的提高，体积小，价格也较低廉，输出毫伏级电压信号，使用灵活，是一个具有良好技术指标和可靠度的设计底层元件。

 
1.2系统结构设计
从功能设计考虑，系统功能结构应包括压力测量模块、信号转换模块、信号传输模块，信息处理模块，显示报警模块和控制模块。从硬件模块划分，压力测量模块、信号转换模块设计在一起，构成压力变送单元。信息处理模块，显示报警模块、控制模块和信号传输模块构成二次仪表单元。高端信息处理采用微机作为开发平台。系统功能结构框图如图1所示。


 
图1系统功能结构框图
Fig。1Thestructureofsystemfunctions

2硬件设计
 
2.1二次仪表的硬件设计
二次仪表的硬件设计主要包括电源设计，A/D转换设计，单片机外围电路设计，显示、报警、继电控制设计，远端通讯设计等。电源设计主要考虑变压器应有足够的耐压和功率的降额设计，变压器屏蔽层应接地。二次仪表中的模拟部分和数字部分及控制继电器应由不同的变压器副边线圈供电，以防止大脉冲电流和电源波动的影响。整个电源在线路板的布局应远离信号线路部分。A/D转换芯片的选取应注重于产品的稳定性和可靠性，产品在出厂前应经过严格的老化和筛选。A/D的外围电路的设计应特别注意参考电压的稳定性。单片机外围电路设计以基本程式化，但其通讯端口的软硬件设计与A/D转换芯片的数据交换方式有关，液位测量对测量频率要求不高，单片机与A/D转换芯片之间的数据交换可采用串口查询方式，这样程序结构清晰，便于编写和调试。
 
2.2液位变送器的可靠性设计
液位变送器变作为系统前端一次仪表，直接影响测控系统的可靠度和精确度指标，所以在设计时必须确保其可靠性和稳定性。变送器的设计主要包括机械防护结构设计和电气设计两大部分。结构设计上主要要解决的问题有传感器结构的选用、防腐蚀设计、防堵塞设计、密封设计、防凝露设计。电气设计主要包括变送器电源保护设计、传感器供电设计、信号提取、放大、转换电路设计等。下面对影响可靠性的技术环节分析解决如下。
 
2.2.1变送器机械防护结构设计
扩散硅投入式液位变送器传感器结构的选用投入式液位变送器的传感器的一端感受被测液体压力，另一端为电源和信号引线。传感器结构以圆柱形，并在一端为密封的锥管螺纹为宜，容易密封。所选用的传感器一定要有充分的过压保护。
密封设计
液位变送器的电气室和感受端应完全隔离，电路部件在调试好后灌封，采用锥管螺纹密封连接时在螺纹连接处涂抹环氧树脂等密封填充料。选择密封填充料时应考虑与被测液体的相容性。
防腐蚀设计
投入式液位变送器的使用环境决定了壳体和引线必须与被测介质兼容，普通被测液体可选用1Crl8Ni9Ti，要注意的是变送器壳体和引线与被测介质的兼容性设计要考虑温度的影响，有些金属与液体的兼容性随温度的改变而改变。防堵塞设计投入式液位变送器的传感器探头长期浸入在被测介质中，杂质很容易堵塞传压孔，造成测量失真。在设计时传感器探头应被端盖保护起来，液体通过引压孔引入，引压孔的位置和角度都要合适。防护端盖结构图如图2所示。


 
图2传感器防护端盖结构图
Fig。2Structureofsensercover
防凝露设计通过压力测量液位的方法一般要引入附近参考大气压力，实际中通过空芯电缆引入。在长期应用中，大气中的水分会冷凝结露，造成参考端大气压力失真。防凝露设计在投入式液位变送器的设计中一直是一个难题，许多设计人员采取放置干燥剂的方法，使用、维护均不方便。如果要彻底解决，技术上有一定难度。从设计、成本等方面均衡考虑，适当增加外形尺寸，单独设计积液室，定期清理，虽增加一些维护，但从技术指标、可靠性指标、成本方面考虑，是一种比较完善的解决方案。积液室结构图如图3所示。
2.2.2变送器电气设计
因为现场环境复杂，温度变化大，强的电磁干扰甚至造成单片机死机，给系统造成隐患，并且单片机功耗大，设计高可靠性两线制变送器有一定技术难度。采用基于模拟电路的变送器，技术上成熟，易于采用普通的元器件设计高可靠性的电路，能满足系统要求。

 
图3积液室结构图
Fig。3Structureofcoagulatingwatercabin
 
变送器电源保护设计变送器一般要求直流12～36V均能正常工作，低压工作范围可放宽至9V，高端保护电压可放宽至50V，防止电源扰动或强干扰。变送器采用两线制，可以不在电源设计中加电桥以实现无极性接线，但应设二极管以实现反向保护，同时加电容滤波。
 
电路及传感器供电设计
外接电源需经保护电路和稳压电路给整个电路供电，同时，还要给后续电路提供参考电压作为提供电源的稳压块的指标可以适当放宽，但提供参考电压的稳压块稳定性指标必须保证。扩散硅压力传感器一般采用恒流供电1～1。5mA[5]，电流的稳定性直接影响变送器精度，故在选取恒流源时要注意电流的稳定性指标。信号提取、放大、转换电路的设计液体压力经扩散硅压力传感器电桥转换输出的是一组在共模背景下的差模信号[5]，经滤波后可采用仪表放大器提取差模信号，为了提高电路稳定性，可不在仪表放大器部分进行放大，放大可采用运放单独完成，并同时进行零点调整，液位测量可根据用户定做，在变送器环节可不做量程迁移，电路中不设电位器，防止漂移V/I转换采用电压钳位深度负反馈，所选三极管应有足够的功率降额设计。
 
3系统的可靠性保障
元器件选用系统所采用的元器件须有高的可靠性，所有影响系统稳定性的元器件可以不具有高的精度，但应具有较高的稳定性，系统的精度可通过调试和校准来保证，元器件根据其使用要求应具有足够降额设计，并具有相当的耐应力冲击余度。元器件筛选设计筛选元器件是保证产品可靠性的重要手段元器件老化方案的选取应遵循在不影响或微影响优品的前提下尽量淘汰劣品。生产中可采取高温老化、功率老化和温度冲击循环。具体老化温度、功率和时间应参考使用说明和统计试验数据筛选方案的选择应均衡考虑，切忌为单独提高劣品淘汰率，而大幅度损害优品的性能指标，对老化后的元器件应100%检验。
 
抗干扰设计为了保证测量的准确性和可靠性，抗干扰设计尤为重要。从变送器环节考虑，电路中应在各个信号节点设置滤波电容;二次仪表的变压器屏蔽层应接地;信号采集电路在PCB板上的布局应远离电源、继电器等干扰源;模拟信号和数字信号的地应分开布线，最后一点接地。要说明的是电路中的地可根据实际现场情况选择是否与变送器外壳相接。
 
系统的安装及维护
液位测控系统稳定、精确的工作不但与设计、生产有关，与系统的正确安装也有着密切联系。液位变送器应根据需要安装在合适的深度，具体位置应避免溶液流动的干扰，如果溶液中有杂质，应装有防护网。根据现场实际情况，每隔三到六个月，应对变送器清洗、检查一次，打开积液室，倒出积液。空芯电缆的架设应远离其他电源线和强的信号线，空芯电缆应固定，不应承受外力。二次仪表可根据需要安装在现场或工房，如在现场一定要有防护设施，控制环境温湿度，一年应对整个系统校准一次。

4结论
系统的可靠性来源于系统设汁中结构同有可靠性和系统运行中所有相关因素的正常工作。在设计中充分理解系统的工作原理，全面考虑到各种影响因素，从源头控制，从过程中把握是提高系统的可靠性设计的有效方法和根本途径。