电感式传感器 测量液位高度.docx
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电感式传感器测量液位高度
电感式传感器
测液位高度
在
监测锅炉水位方面的应用
◆一.设计名称:
电感式传感器测液位高度
◆二.摘要
当液位高度变化时,引起浮子的变化,浮子与衔铁相连,进而带动衔铁运动,衔铁的运动,使差动变压器的次级线圈互感电流变化,输出电流(电压)发生变化。
通过电表将变化信息显示出来,实现物理量等非电量向电量的转化。
◆三.应用背景与目的:
锅炉是利用燃料或其他能源的热能,把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。
因此,水位高度的监测尤为重要。
将电感式传感器,应用到锅炉系统当中,对锅炉水位进行实时监测,能时刻掌握锅炉水位变化情况,防止意外发生。
◆四.设计原理:
1.差动变压器:
一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。
用于测量位移、压力、振动等非电量参量。
它既可用于静态测量,也可用于动态测量。
差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。
在线框上
设置一个原绕组和两个对称的副绕组,铁心放在线框中央的圆柱形孔中。
在原绕组中施加交流电压时,两个副绕组中就会产生感应电动势e1和e2。
如果两个副绕组按反向串联(图1),则它的总输出电压u2=u21-u22≈e1-e2。
当铁心处在中央位置时,由于对称关系,e1=e2,输出电压u2为零。
如果铁心向右移动,则穿过副绕组2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多,于是感应电动势e2>e1,差动变压器输出电压u2不等于零,而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系,其特性如图2所示,呈V字形。
用适当的测量电路测量,可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。
最常用的测量电路是差动,它把两个次级电压分别整流后,以它们的差作为输出。
差动整流电路有电流输出型和电压输出型,前者用于连接低阻抗负载的场合;电压输出型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合.
差动变压器的结构原理与等效电路
分气隙型和差动变压器两种。
目前多采用螺管型差动变压器。
其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。
初级线圈作为差动变压器激励用,相当于变压器的原边,而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成,相当于变压器的副边。
螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。
(a)气隙型(b)螺管型
1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁
三节式的零点电位较小,二节式比三节式灵敏度高、线性范围大,四节式和五节式改善了传感器线性度。
差动变压器线圈各种排列形式
1 初级线圈;2次级线圈;3衔铁
在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗),差动变压器的等效电路如图。
初级线圈的复数电流值为
在次级线圈中感应出电压e21和e22,其值分别为
2.测量电路:
差动变压器输出电压为交流信号,它与衔铁移动的位移成正比。
用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移大小,不能判别衔铁移动的方向,因此采用差动整流电路来实现方向这一问题。
电路图如下:
全波整流电路和波形图
该电路是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的,假设传感器上面的二次线圈的输出瞬时波形为上半周,a点为正,b点为负,则在上线圈中,电流自a点出发,路径是a-1-4-2-3-b。
反之,如a点为负,b点为正,则电流路径为b-3-4-2-1-a。
可见,无论二次线圈输出电压瞬时极性如何,通过电阻R的电流总是4-2。
3.整体思路:
当液位高度变化时,引起浮子的变化,浮子与衔铁相连,进而带动衔铁运动,衔铁的运动,使差动变压器的次级线圈互感电流变化,输出电流(电压)发生变化。
通过电表将变化信息显示出来,实现物理量等非电量向电量的转化。
◆五.零件尺寸:
⑴量程:
0-3.15m;
⑵浮子:
材料为钢(密度为ρ=7.8×103kg/m3)外径D=50mm,空心直径d=48mm;质量为32.7g⑶滑轮:
D滑轮=50mm;
⑷传动轴:
长度为24mm,螺距为1mm,直径为10mm;
⑸电桥电压:
5V。
◆六.结构设计:
1.变压器:
220v/6.4v=n1/n2,线圈匝数之比约为34.
原理图如下:
2.测量电路:
基本原理图如下,水位的变化引起浮子系统变化,进而带动衔铁的运动,使二次线圈的互感发生变化,导致电流表示数变化。
实现了非电量向电量的转化,达到测液位高度的目的。
3.浮子传动结构设计及计算
(1).浮子尺寸计算:
查阅资料得知,浮子结构为空心球,外径D=50mm,材料为钢(密度为ρ=7.8×103kg/m3)。
浮在水面时有一半的体积在空气中。
∴G=F浮,m=ρv
∴7.8×103kg/m3×4/3×3.14×[(0.05/2)3-r3]×10N/kg=1×103kg/m3×10N/kg×4/3×3.14×(0.05/2)3/2
解得:
r=24mm,即空心直径d=48mm
浮子质量:
m=ρv=F浮/g=1×103kg/m3×4/3×3.14×(0.05/2)3/2=32.7g
浮子重力:
G=mg=0.327N
(2).量程计算:
滑轮直径50mm,滑轮所在传动轴直径为10mm,螺距为1mm,衔铁可移动范围是20mm,所以要求滑轮可转过20圈,滑轮周长C=πD=3.14×50=175.5mm,量程为20×C=3150mm=3.15m
(3).滑轮传动具体结构如下图:
利用涡轮原理,滑轮随着浮子的上下移动而在传动轴上转动,因此,就会产生一个轴向位移,推动衔铁运动,达到测量目的。
4.整体结构图:
1.浮球,2.细线,3.滑轮,4.传动轴,5.铜管,6.衔铁,7.测量电路,此外还有提供力矩的游丝(图中未画出)
当水位上涨时,浮子不能将位移传递给滑轮,所以要附加一个自动收绳装置(类似于卷尺)。
查阅资料:
游丝扭矩为2.2N,所以在细线上加2N配重。
1.当水位上涨时,因为浮球浸在水中体积增大,所以F浮>G细线会弯曲,但是因为2.2N>2.0N,故细线又会收紧,带动滑轮运动。
将轴向位移传递给衔铁。
2.当水位下降时,F浮2.2N.所以浮子能够克服游丝扭矩向下移动。
达到同步作用。
综上,在两种情况下的液位变化都能将位移传递给衔铁,实现非电量的转化,达到测量目的。
5.实物仿真图
◆七.误差分析:
1、激励电压幅值与频率的影响
激励电源电压幅值的波动,会使线圈激励磁场的磁通发生变化,直接影响输出电势。
而频率的波动,只要适当地选择频率,其影响不大。
2、温度变化的影响
周围环境温度的变化,引起线圈及导磁体磁导率的变化,从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。
当线圈品质因数较低时,影响更为严重,因此,采用恒流源激励比恒压源激励有利。
适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。
3、零点残余电压
当差动变压器的衔铁处于中间位置时,理想条件下其输出电压为零。
但实际上,当使用桥式电路时,在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在,称为零点残余电压。
如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。
零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区;零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和,影响电路正常工作等。
图中e1为差动变压器初级的激励电压,e20包含基波同相成分、基波正交成分,二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。
零点残余电压产生原因:
①基波分量。
由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致,因此它的等效电路参数(互感M、自感L及损耗电阻R)不可能相同,从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。
又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀,线圈匝间电容的存在等因素,使激励电流与所产生的磁通相位不同。
②高次谐波。
高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。
由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响,使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通,从而在次级绕组感应出非正弦电势。
另外,激励电流波形失真,因其内含高次谐波分量,这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。
消除零点残余电压方法:
1.从设计和工艺上保证结构对称性
为保证线圈和磁路的对称性,首先,要求提高加工精度,线圈选配成对,采用磁路可调节结构。
其次,应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。
并应经过热处理,消除残余应力,以提高磁性能的均匀性和稳定性。
由高次谐波产生的因素可知,磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。
2.选用合适的测量线路
采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向,而且把衔铁在中间位置时,因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。
如图,采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2,从而消除了零点残余电压。
相敏检波后的输出特性
3.采用补偿线路
①由于两个次级线圈感应电压相位不同,并联电容可改变其一的相位,也可将电容C改为电阻,如图(a)。
由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化,从而改变磁化曲线的工作点,减小高次谐波所产生的残余电压。
图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。
调相位式残余电压补偿电路
②并联电位器W用于电气调零,改变两次级线圈输出电压的相位,如图所示。
电容C(0.02μF)可防止调整电位器时使零点移动。
电位器调零点残余电压补偿电路
③接入R0(几百kΩ)或补偿线圈L0(几百匝)。
绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压,避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。
电路如图。
R或L补偿电路
成本预算表格
材料
单价
销售公司
用量
总计
变压器
4.02元/Kg
天津鲁岳销售有限公司
1Kg
4元
线圈
230元/Kg
无锡鼎井金属材料有限公司
10g
2.3元
电阻
18元/片
威海诺金传感技术有限公司
1片
18元
电流表
7元/Kg
上海赫特化工有限公司
2Kg
14元
二极管
35元/Kg
广州帅源化工有限公司
500g
17.5元
滑轮
0.2元/个
深圳红利丰科技有限公司
5个
1元
传动轴
/
50元
104.8元
游丝
衔铁
铜管
细线
浮球
其他
各成员具体职责:
v项目经理:
总体的项目策划,确保项目目标实现,协调各组员的工作,参与方案设计,进行设计书的编写与后期答辩。
v市场调研:
进行产品的市场调查与研究,客观地识别,收集相关资料。
v方案设计:
进行主要的产品方案设计的工作,及时去产品生产现场,发现问题,纠正问题。
v软硬件:
了解产品所需的软件与硬件相关信息,进行后期的相关产品生产,保证产品质量,并配合质检员进行产品检验。
v物资:
及时准确的向生产负责单位提供购买物资的价格、时间、地点及市场信息变动情况,并负责采购计划及仓储部门的管理。
v质量保证:
及时发现和预防质量问题,并将质量问题和处理结果与各相关负责人进行交流,提高产品生产的效率。