投入式液位变送器测量系统测量精度和可靠性设计的分析

　　扩散硅输入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。但是，系统的工作可靠性还有待进一步提高。在实际应用中经常出现虚警、误报、严重漂移等现象，甚至影响整机无法正常工作，给系统维护、检修、校准和使用带来诸多不便。从产品的可靠性设计思想入手，以扩散硅输入液位变送器为例，尝试设计了一种液位测量系统，为小型智能仪表的可靠性设计提供了一些新的思路和方法。系统可靠性的定量设计涉及系统可靠性指标的论证、模型的建立和计算、可靠性指标的预测和分配等。本文根据扩散硅输入液位变送器测量系统设计的特点，尽可能将系统功能与结构、元器件选择原则、元器件筛选设计、降额、容差、电磁兼容、环境保护等设计原则融入系统的整个设计过程。本文以系统的可靠性为目标，对扩散硅输入液位变送器的测量系统进行了综合设计和技术改进。通过系统软硬件功能的合理分配，关键技术难点解决方案的选择，以及兼容性设计、降额设计、抗干扰设计等可靠性保障技术的应用，提高了扩散硅输入电平变送器测量系统的测量精度和可靠性指标。该方法成本低，仪器安装方便。同时，本文也为其他小型智能仪器的可靠性保障设计提供了一种思路和方法。

　　1系统功能和结构

　　1.1系统功能设计

　　系统的功能设计取决于用户的需求。作为扩散硅输入液位变送器的测量系统，应具备测量、校准、显示、量程设定、迁移、单元选择、报警、通信、信息处理和控制等基本功能。在功能划分上，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、机组选择、报警、低端通讯等功能。高端信息处理是基于液位数据的可开发平台，用户可以根据实际需要进行重新定位和开发。

　　根据不同的测量对象、测量环境和精度要求，液位测量有不同的测量原理和方法。在接触式测量中，用相同液体密度的压力测量模拟液位测量方法简单可靠，测量精度高，可以满足大多数应用场合。压力测量法在原理上是高度可靠的，压力传感器近年来发展很快。特别是扩散压力传感器在测量范围、线性度、稳定性等方面有了很大的改进。体积小，价格低，能输出毫伏电压信号，使用灵活，是一种技术指标和可靠性都很好的设计底层组件。1.2系统结构设计

　　从功能设计考虑，系统的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。从硬件模块划分上，将压力测量模块和信号转换模块设计在一起，形成压力传输单元。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。高端信息处理以微机为开发平台。该系统的功能框图如图1所示。

　　图1系统功能结构框图

　　图一.1结构系统功能

　　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、继电器控制设计、远程通信设计等。电源的设计主要考虑变压器要有足够的耐压和功率降额设计，变压器屏蔽层要接地。二次仪表中的模拟部分、数字部分和控制继电器应由不同的变压器二次线圈供电，以防止大脉冲电流和功率波动的影响。整个电源在电路板上的布局要远离信号线部分。A/D转换芯片的选择要注重产品的稳定性和可靠性，产品出厂前要经过严格的老化和筛选。A/D外围电路的设计应特别注意基准电压的稳定性。单片机的外围电路设计基本是程序化的，但其通讯口的软硬件设计与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，使程序结构清晰，易于编写和调试。

　　2.2液位变送器的可靠性设计

　　液位变送器作为系统前端的一次仪表，直接影响测控系统的可靠性和*指标，因此在设计中必须保证其可靠性和稳定性。变送器的设计主要包括机械保护结构设计和电气设计。要解决的主要结构问题是传感器结构的选择、防腐设计、防堵设计、密封设计和防结露设计。电气设计主要包括发射机电源保护设计、传感器电源设计、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进行分析和解决。

　　2.2.1变送器的机械保护结构设计

　　扩散硅输入型液位变送器传感器结构的选择输入型液位变送器的传感器一端感受被测液体的压力，另一端是电源和信号引线。传感器结构为圆柱形，一端为密封锥螺纹，易于密封。所选传感器必须有足够的过压保护。

　　密封设计

　　液位变送器的电气室应与传感端完全隔离，电路元件*应在调试后进行灌封。*当采用锥形管螺纹密封连接时，应在螺纹连接处涂上环氧树脂等密封填料。选择密封填料时，应考虑与被测液体的相容性。防腐设计

　　输入液位变送器的使用环境决定了外壳和引线必须与被测介质兼容，被测普通液体可以是1 Cr  18 ni  9 ti。需要注意的是，变送器的外壳和引线与被测介质的相容性设计要考虑温度的影响，某些金属与液体的相容性会随着温度的变化而变化。防堵设计输入液位变送器的传感器探头长期浸泡在被测介质中，杂质容易堵塞传压孔，造成测量失真。设计时传感器探头要有端盖保护，液体要通过测压孔引入，测压孔的位置和角度要合适。保护端盖的结构如图2所示。

　　图2传感器保护端盖结构图

　　图一.2结构偏移传感器覆盖

　　在防结露设计中，压力测量液位的方法一般是引入附近的参考大气压，但实际中是通过空心电缆引入。在长期应用中，大气中的水分会凝结结露，造成参考端大气压力的畸变。防结露设计一直是液位变送器设计中的难题。很多设计者采用放置干燥剂的方式，使用维护不便。如果要彻底解决，技术上有难度。平衡考虑设计和成本，适当增加整体尺寸，单独设计积液腔，定期清洗，虽然增加了一些维护，但从技术指标、可靠性指标和成本来看，都是比较完善的方案。泻流室的结构如图3所示。

　　变送器的电气设计

　　由于现场环境复杂、温度变化大、电磁干扰强甚至单片机死机给系统造成隐患，以及单片机功耗高，设计高可靠性二线制变送器在技术上有一定难度。基于模拟电路的变送器在技术上已经比较成熟，很容易用常用的元器件设计出高可靠性的电路，能够满足系统要求。

　　图3泻流室结构图

　　图一.3结构调节水舱

　　发射机的电源保护设计发射机一般要求DC  12 ~ 36V能正常工作，低压工作范围可放宽到9V，高端保护电压可放宽到50V，以防止电源骚扰或强干扰。发射机采用两线制，电源设计中不需要加电桥实现无极性连接，但要设置二极管实现反向保护，同时要加容性滤波。

　　和传感器电源设计。

　　外部电源需要通过保护电路和稳压电路给整个电路供电。同时，需要为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，但必须保证提供参考电压的稳压块的稳定指标。扩散硅压力传感器一般采用1 ~ 1的恒流电源。5mA[5]，电流的稳定性直接影响变送器的精度，所以在选择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通过扩散硅压力传感器电桥进行转换，输出一组共模背景下的差模信号[5]。滤波后，差模信号可以由仪表放大器提取。为了提高电路稳定性，放大可以由运算放大器单独完成，同时进行零点调整。液位测量可根据用户要求定制。发射器链路中没有跨度偏移，电路中没有电位计来防止漂移V/。3系统可靠性保证

　　所选系统中使用的部件必须具有高可靠性。所有影响系统稳定性的元件不一定有很高的精度，但要有很高的稳定性。通过调试和校准，可以保证系统的精度。部件应根据其使用要求进行足够的降额设计，并具有相当大的应力冲击容限。元器件的选择，元器件的设计和选用是保证产品可靠性的重要手段。元器件老化方案的选择应遵循在不影响或轻微影响优等品的情况下，尽可能淘汰劣等品的原则。生产中可采用高温时效、功率时效和温度冲击循环。具体的老化温度、功率和时间应参考使用说明，统计试验数据筛选方案的选择应均衡考虑。禁止单纯为了提高次品的淘汰率而大幅度损害优等品的性能指标，老化后的部件应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。考虑到发射机链路，应该在电路中的每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要分开布线，后一点要接地。应注意的是，电路中的接地可以根据实际现场情况连接到变送器外壳，也可以不连接。

　　系统的安装和维护

　　液位测控系统的稳定性不仅关系到设计和生产，还与系统的正确安装密切相关。液位变送器应按要求安装在适当的深度，在特定位置应避免溶液流动的干扰。如果溶液中有杂质，应安装防护网。根据现场实际情况，每三至六个月应对变送器进行一次清洗和检查，并打开积液室将积液倒出。空心电缆应架设在远离其他电源线和强信号线的地方。空心电缆应固定，不应承受外力。二次仪表可根据需要安装在现场或车间。比如现场要有防护设施，控制环境的温度和湿度，整个系统要每年校准一次。

　　结论4

　　系统的可靠性来源于系统设计中的结构可靠性和系统运行中所有相关因素的正常运行。充分了解系统的工作原理，充分考虑各种影响因素，从源头控制，从过程把握，是提高系统可靠性设计的有效方法和根本途径。