一種無觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表的實(shí)現(xiàn)
電接點(diǎn)壓力表在其控制開關(guān)處易產(chǎn)生電火花致使開關(guān)觸點(diǎn)炭化和腐蝕，從而影響其使用壽命和可靠性差。針對(duì)普通電接點(diǎn)壓力表這一缺陷，提出一種無 觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表的設(shè)計(jì)方案。通過改變傳統(tǒng)機(jī)械觸點(diǎn)控制開關(guān)的結(jié)構(gòu)，采用全電子化無觸點(diǎn)開關(guān)可消除儀表在工作過程中產(chǎn)生的電火花，延長(zhǎng)儀表的使用壽 命，提高儀表的開關(guān)速度和可靠性。普通電接點(diǎn)壓力表經(jīng)改裝后進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了此方案的可行性。除一般場(chǎng)合外，該方案還可直接用于易燃易爆等特 殊場(chǎng)合。
1.引言
在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)設(shè)備的 壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。電接點(diǎn)壓力表則常用于 測(cè)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(diǎn)壓力表是一種 現(xiàn)場(chǎng)指示、控制儀表，屬自動(dòng)化儀表范疇， 其一般精度等級(jí)為1.0-4.0級(jí)。
2.無觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表概述
2.1電接點(diǎn)壓力表的工作原理及存在問題
電接點(diǎn)壓力表是由彈簧管壓力表加裝 電氣接點(diǎn)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(hào)。其測(cè)壓原理 是基于測(cè)量系統(tǒng)中的彈簧管在被測(cè)介質(zhì)的壓 力作用下，迫使彈簧管末端產(chǎn)生相應(yīng)的彈性 變形。固定在機(jī)芯齒輪上的指針將被測(cè)值在 度盤上指示出來；與此同時(shí)，帶動(dòng)接點(diǎn)觸頭 產(chǎn)生相應(yīng)閉合或斷開的動(dòng)作以使控壓系統(tǒng)中 的電路得以接通或斷開，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)指示的目的。
目前國(guó)內(nèi)電接點(diǎn)壓力表的準(zhǔn)確度、彈 性元件的抗疲勞度等技術(shù)性能指標(biāo)均己達(dá)到 較高的水準(zhǔn)，但由于在實(shí)際使用中，壓力表 電接點(diǎn)觸點(diǎn)的負(fù)載大都為感性負(fù)載，在觸點(diǎn) 通斷瞬間，均會(huì)產(chǎn)生電弧，使觸點(diǎn)灼蝕甚至 燒結(jié)在一起，以至于失效、損壞。
2.2無觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表 為解決普通電接點(diǎn)壓力表存在的問 題，本設(shè)計(jì)取消了電接點(diǎn)壓力表中的機(jī)械觸 點(diǎn)（銀觸點(diǎn)或磁助式電觸點(diǎn)）。分別在上限 設(shè)定指針和下限設(shè)定指針的適當(dāng)位置上各安 裝一只霍爾磁敏集成開關(guān)，在原動(dòng)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)臂 適當(dāng)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(diǎn)控制開關(guān)。調(diào)節(jié) 上限指針指示的壓力值即可設(shè)定控制上限， 調(diào)節(jié)下限指針指示的壓力值即可設(shè)定控制下 限，兩指針?biāo)甘镜膲毫Σ罴礊榭刂茀^(qū)間。
在電路設(shè)計(jì)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(fù)載能力弱， 因此需要在其輸出端連接一只高增益達(dá)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(yīng)強(qiáng)度，輸 出為電信號(hào)。其輸出的電信號(hào)隨著檢測(cè)到的 磁感應(yīng)強(qiáng)度的增減而變化。作為開關(guān)霍爾 傳感器來應(yīng)用的霍爾集成電路，其變化是數(shù) 字的，即輸出電信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈開關(guān) 狀態(tài)關(guān)系。霍爾集成電路的輸出可以直接 驅(qū)動(dòng)HL、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(diǎn)開 關(guān)、位置傳感、旋轉(zhuǎn)傳感、自動(dòng)檢測(cè)控制 等。霍爾開關(guān)集成電路應(yīng)用特點(diǎn)為：無觸 點(diǎn)、長(zhǎng)壽命、高可靠、無火花、無自激振 蕩、工作頻率寬。抗污能力強(qiáng)，抗干擾能力 強(qiáng)，負(fù)載能力強(qiáng)。輸出數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 堅(jiān)固、體積小安裝方便等。
3.機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)介
對(duì)普通電接點(diǎn)壓力表進(jìn)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(cè)試指針3、擋塊4、 止釘5、下限設(shè)定指針6、固定在6上的霍爾 磁敏集成開關(guān)7 (Iq)、裝固在9上的永磁鐵8、轉(zhuǎn)臂9、調(diào)節(jié)9轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)定指針12、機(jī)芯連桿機(jī)構(gòu)13所組成。
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(shè)定指針6上的 止釘5。此時(shí)霍爾磁敏集成開關(guān)7處于觸發(fā)導(dǎo) 通狀態(tài)，無觸點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 當(dāng)系統(tǒng)壓力上升，彈簧管2端部的位移通過 機(jī)芯連桿機(jī)構(gòu)13帶動(dòng)，使指針3轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)指針3指到下限設(shè)定指針6所指的壓力值時(shí)，永 磁鐵8和轉(zhuǎn)臂9在指針3上擋塊4的推動(dòng)下，隨 壓力的上升一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)指針3隨壓力的進(jìn)一步上升，指到上限設(shè)定指針12所指的壓力 值時(shí)，永磁鐵8觸發(fā)霍爾磁敏集成開關(guān)11導(dǎo) 通。無觸點(diǎn)開關(guān)關(guān)斷使負(fù)載失電，壓力源動(dòng) 力停止工作。壓力下降時(shí)永磁鐵8轉(zhuǎn)臂9在游 絲10彈簧力的作用下隨指針3—起移動(dòng)。當(dāng) 系統(tǒng)壓力下降到下限設(shè)定值時(shí)，永磁鐵8觸 發(fā)7再次導(dǎo)通，無觸點(diǎn)開關(guān)導(dǎo)通負(fù)載得電， 壓力源動(dòng)力重新工作。如此反復(fù)，達(dá)到測(cè)量 和控制的目的。根據(jù)工作需要設(shè)定指針6、 12可在全量程范圍內(nèi)任意設(shè)定。
4.電路原理圖及簡(jiǎn)介
控制電路需實(shí)現(xiàn)的基本功能為：當(dāng)系 統(tǒng)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，需要在達(dá)林頓管 T的基極輸入高電平使其導(dǎo)通，從而負(fù)載得 電開始工作。在系統(tǒng)壓力達(dá)到上限設(shè)定值 前，電路應(yīng)當(dāng)使負(fù)載保持工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng) 壓力高于上限設(shè)定值時(shí)，在達(dá)林頓管T的基 極輸入低電平使其截止，此時(shí)負(fù)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(shè)定值。當(dāng)系統(tǒng)壓力降至下限設(shè)定值時(shí)，應(yīng) 當(dāng)使達(dá)林頓管T的基極再次獲得高電平并導(dǎo) 通，負(fù)載得電工作。以上便是電路的一個(gè)工 作周期。
需求電路的工作邏輯正好對(duì)應(yīng)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(shí)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(xì)描述，該表與Rs觸發(fā)器 的真值表完全對(duì)應(yīng)。
本設(shè)計(jì)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(hù)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)Iq、Ic2； 與非門組成的Rs觸發(fā)器。3;達(dá)林頓管T;光 電耦合器Ic4;雙向可控硅SCR及用于過壓保 護(hù)的壓敏電阻VR。
圖2電路中，通過光電耦合器Iq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(jìn)一步提高儀表 的可靠性，在SCR兩端增加了R” C3緩沖保 護(hù)網(wǎng)絡(luò)和VR壓敏電阻，以防SCR因浪涌電壓 過高而發(fā)生擊穿。
5.實(shí)驗(yàn)裝置的制作
選用一只0 150，規(guī)格為16MPa的電接 點(diǎn)壓力表。具體實(shí)驗(yàn)裝置的制作步驟如下： (1)將其下限設(shè)定指針和上限設(shè)定指針拆下 并去掉銀觸點(diǎn)或磁助觸點(diǎn)，重新制作2個(gè)銅 質(zhì)上、下限設(shè)定指針如圖3、圖4。（2)在其 針上設(shè)置安裝霍爾磁敏集成開關(guān)Iq、。2用 的裝夾卡，將Iq安裝在下限設(shè)定指針6上， Ic2裝固在上限設(shè)定指針12上。（3)在下限設(shè) 定指針6的適當(dāng)位置上鉚接好止釘5。（4)去 掉原表上的兩動(dòng)觸點(diǎn)及轉(zhuǎn)臂，重新制作一個(gè) 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—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(shè)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(diǎn)壓力表中。至此，設(shè) 計(jì)的無觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表的機(jī)械部分制作完 成。
印刷電路板的尺寸選擇小于48 X 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(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作。主 要電器元件的選擇：Iq、Ic2可選用UGS— 3120T或UGS—3020T型號(hào)的霍爾磁敏集成 開關(guān)；Ic3選擇CD4011兩輸入端四與非門； L使用型號(hào)為MOC3041的光耦。關(guān)于SCR雙 向可控硅的選擇：當(dāng)控制對(duì)象電源電壓為 220V時(shí)，選擇額定正向平均電流和耐壓值為 6A/600V的雙向可控硅。當(dāng)控制對(duì)象電源電 壓為380V時(shí)，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(jì) 算后進(jìn)行選擇。
6.結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)測(cè)量和控制構(gòu)件之間沒有機(jī)械 接觸，所以無機(jī)械磨損且解決了一般電接點(diǎn) 壓力表在機(jī)械觸點(diǎn)處產(chǎn)生電火花的問題。此 外普通電接點(diǎn)壓力表在開關(guān)動(dòng)作時(shí)，均不同 程度地存在微小的機(jī)械來回位移和回彈，使 被控對(duì)象產(chǎn)生頻繁的重復(fù)動(dòng)作，特別是在有 振動(dòng)的場(chǎng)合更是如此。無觸點(diǎn)電接點(diǎn)壓力表 由于開關(guān)一旦動(dòng)作不會(huì)因微小的機(jī)械位移、 回彈而發(fā)生頻繁的重復(fù)動(dòng)作，這一優(yōu)點(diǎn)是普 通電接點(diǎn)壓力表無法比擬的。由于無觸點(diǎn)電 接點(diǎn)壓力表具有上述優(yōu)勢(shì)，故其在工業(yè)生產(chǎn) 中具有較高的實(shí)用價(jià)值。
