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擴散硅壓力變送器是以單晶硅為基體，采用先進的離子注入工藝和微機械加工工藝，制成了具有惠斯頓電橋和精密力學結構的硅敏感元件。被測壓力通過壓力接口作用在硅敏感元件上，實現(xiàn)了所加壓力與輸出信號的線性轉換，目前，擴散硅液位變送器測量系統(tǒng)廣泛應用于電力、化工、水廠、污水處理、環(huán)境監(jiān)測等領域。但系統(tǒng)工作可靠性有待于進一步提高,在實際應用中經常出現(xiàn)誤報、錯報、嚴重漂移等現(xiàn)象,甚至影響到整機不能正常工作,這給系統(tǒng)維護、檢修、校驗及使用帶來諸多不便。本文針對擴散硅液位變送器測量系統(tǒng)設計的特點,盡量把可靠性保障設計中的系統(tǒng)功能結構設計原則、元器件選用原則、元器件篩選設計,降額、容差、電磁兼容及環(huán)境防護等設計思想融入到系統(tǒng)的整個設計過程中去。從產品的可靠性設計思想入手，試圖以擴散硅液位變送器為例設計液位測量系統(tǒng),為小型智能化儀表的可靠性設計提供一些新的思路和方法。系統(tǒng)設備的可靠性定量設計涉及系統(tǒng)可靠性指標的論證、模型的建立及計算、可靠性指標的預計和分配等。
本文介紹的是以系統(tǒng)的可靠性為目標對擴散硅液位變送器測量系統(tǒng)進行綜合設計和技術改進。通過對系統(tǒng)的軟、硬件功能的合理分配和對關鍵技術難點解決方案的選擇,以及兼容設計、降額設計、抗干擾設計等可靠性保障技術的應用提高了擴散硅液位變送器測量系統(tǒng)的測量精度和可靠性指標。這種方法成本低，儀器安裝方便。同時，本文也為其他小型智能化儀表的可靠性保障設計提供了一種思路和方法。
1、系統(tǒng)功能及結構構成
1.1系統(tǒng)功能設計
系統(tǒng)的功能設計取決于用戶使用要求,作為擴散硅液位變送器測量系統(tǒng),應具有測量、校準、顯示、量程設置、遷移、單位選擇、報警、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、量程設置、遷移、單位選擇、報警、低端通訊等功能;高端信息處理是一個基于液位數(shù)據的可開發(fā)平臺,用戶可根據實際需要重新定位和開發(fā)。
液位測量根據測量對象、測量環(huán)境和精度要求等方面的不同有不同的測量原理和方法,在可接觸測量中,對于液體密度一致的液位測量采用壓力測量模擬的方法簡單、可靠,且測量精度較高,能滿足大多數(shù)應用場合。壓力測量方法從原理上可靠性高,并且壓力傳感器近些年來發(fā)展很快,特別是擴散硅壓力傳感器無論是從量程、線性、穩(wěn)定性等方面有了很大的提高,體積小,價格也較低廉,輸出毫伏級電壓信號,使用靈活,是一個具有良好技術指標和可靠度的設計底層元件。
1.2系統(tǒng)結構設計
從功能設計考慮,系統(tǒng)功能結構應包括壓力測量模塊、信號轉換模塊、信號傳輸模塊,信息處理模塊,顯示報警模塊和控制模塊。從硬件模塊劃分,壓力測量模塊、信號轉換模塊設計在一起,構成壓力變送單元。信息處理模塊,顯示報警模塊、控制模塊和信號傳輸模塊構成二次儀表單元。高端信息處理采用微機作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)功能結構框圖如圖1所示。
2、變送器機械防護結構設計
傳感器結構的選用投入式液位變送器的傳感器的一端感受被測液體壓力,另一端為電源和信號引線。傳感器結構以圓柱形,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壓保護。密封設計液位變送器的電氣室和感受端應完全隔離,電路部件好在調試好后灌封,采用錐管螺紋密封連接時好在螺紋連接處涂抹環(huán)氧樹脂等密封填充料。選擇密封填充料時應考慮與被測液體的相容性。防腐蝕設計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介質兼容,普通被測液體可選用1Crl8Ni9Ti,要注意的是變送器殼體和引線與被測介質的兼容性設計要考慮溫度的影響,有些金屬與液體的兼容性隨溫度的改變而改變。防堵塞設計投入式液位變送器的傳感器探頭長期浸入在被測介質中,雜質很容易堵塞傳壓孔,造成測量失真。在設計時傳感器探頭應被端蓋保護起來,液體通過引壓孔引入,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,但應具有較高的穩(wěn)定性,系統(tǒng)的精度可通過調試和校準來保證,元器件根據其使用要求應具有足夠降額設計,并具有相當?shù)哪蛻_擊余度。元器件篩選設計篩選元器件是保證產品可靠性的重要手段元器件老化方案的選取應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、功率和時間應參考使用說明和統(tǒng)計試驗數(shù)據篩選方案的選擇應均衡考慮,切忌為單獨提高劣品淘汰率,而大幅度損害優(yōu)品的性能指標,對老化后的元器件應....檢驗?？垢蓴_設計，為了保證測量的準確性和可靠性,抗干擾設計尤為重要。從變送器環(huán)節(jié)考慮,電路中應在各個信號節(jié)點設置濾波電容;二次儀表的變壓器屏蔽層應接地;信號采集電路在PCB板上的布局應遠離電源、繼電器等干擾源;模擬信號和數(shù)字信號的地應分開布線,后一點接地。
要說明的是電路中的地可根據實際現(xiàn)場情況選擇是否與變送器外殼相接。系統(tǒng)的安裝及維護液位測控系統(tǒng)穩(wěn)定、精確的工作不但與設計、生產有關,與系統(tǒng)的正確安裝也有著密切聯(lián)系。液位變送器應根據需要安裝在合適的深度,具體位置應避免溶液流動的干擾,如果溶液中有雜質,應裝有防護網。根據現(xiàn)場實際情況,每隔三到六個月,應對變送器清洗、檢查一次,打開積液室,倒出積液?？招倦娎|的架設應遠離其他電源線和強的信號線,空芯電纜應固定,不應承受外力。二次儀表可根據需要安裝在現(xiàn)場或工房,如在現(xiàn)場一定要有防護設施,控制環(huán)境溫濕度,一年應對整個系統(tǒng)校準一次。
4、結論
系統(tǒng)的可靠性來源于系統(tǒng)設計中結構同有可靠性和系統(tǒng)運行中所有相關因素的正常工作。在設計中充分理解系統(tǒng)的工作原理,全面考慮到各種影響因素，從源頭控制，從過程中把握是提高系統(tǒng)的可靠性設計的有效方法和根本途徑。
