数字式压力开关装置

数字式压力开关装置

文章首先将数字式压力开关与传统压力开关进行对比,总结了数字式压力开关的优越性,接着指出了现有的数字式压力开关在设计时存在的技术问题,提出了合理的解决方案以及可实现的创新点。最后分析了该行业的发展前景。

标签：数字式压力开关模糊控制压力传感器A/D转换

1数字式压力开关的研究必要性分析

压力开关是一种简单的压力控制装置,广泛用于压力自动控制领域。通常应用在二次回路中,起到接通或者断开的作用,以达到保护设备的目的。我们所说的压力开关是现场压力保护装置,一旦系统压力超出设定值则状态变化,同时信号送到控制室或者就地控制柜,用来对装置连锁或报警。传统压力开关的工作原理是当被测压力超过额定值时,弹性元件的自由端产生位移,直接或经过比较后推动开关元件,改变开关元件的通断状态,达到控制被测压力的目的。新型的数字压力开关的原理是采用压力传感器进行压力采样,采用压力传感器直接将非电量一压力装换成可直接测量的电量一电压或电流,再通过信号调正电路对传感器信号进行放大和规整处理,最后通过比较电路,使得该器件在所规定的压力门限上,输出电平是某一逻辑状态,这个逻辑状态可以送到某～微控制器,驱动后部电路或控制电开关。传统的机械式压力开关一般在零点到满量程设定点之间有15%到30%的死区,而新型数字式压力开关设定范围则可由零点到满量程之间任意调整,可以用来替代电接点压力表,使用在工程控制要求比较高的系统上,是传统机械式压力开关的升级产品。

数字式压力开关内置精密压力传感器,通过高精度仪表放大器放大压力信号,通过高速MCU采集并处理数据,一般都是采用4位LED实时数显压力,继电器信号输出,上下限控制点可以自由设定,迟滞小,抗震动,响应快,稳定可靠,精度高(精度一般在±0.5%F.S,高则达±0.2%F.S),利用回差设置可以有效保护压力波动带来的反复动作,保护控制设备,是检测压力、液位信号,实现压力、液位监测和控制的高精度设备。

2当前设计中拟解决的关键技术

2.1软硬件双重滤波及模糊控制技术解决现有压力开关易受干扰的问题。

2.2内部12位高精度～D转换器及4位LED显示保证了测量时的高精度以及压力设定的准确性。

2.3电子开关管取代机械触点,延长使用寿命、增加驱动能力、提高开关的响应速度,并能通过软件选择输出节点的形式。

3拟采用的方法、技术路线及创新突破点

3.1采用的方法

3.1.1传统的压力开关在压力变化较大或有瞬间的波动时,往往会发生误动作,而数字式压力开关在硬件上采用了二阶有源低通滤波器,该滤波器能有抑制工频以下低频率信号给电路造成的干扰。

同时在软件的设计上采用了模糊控制和滑动平均数字滤波方法。在传统的控制领域里,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。然而,对于复杂的系统,由于变量太多,往往难以正确的描述系统的动态。换言之传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力,但对于过于复杂或难以精确描述的系统,则显得无能为力了,而压力控制系统则是一个典型的复杂动态系统。利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法,达到精确控制动态系统的目的。滑动平均数字滤波方法免去了复杂的数字滤波器设计,避免了传统数字低通滤波器浮点数的运算。软硬件的双重保护有效避免了外界压力波动时的误动作问题。

3.1.2传统的压力开关精度低、校准难在校验时需反复进行试验才能确定设定值。本产品采用了罗克韦尔公司生产的带有温度补偿的高精度压力传感器,该传感器具有高精度、高稳定性、抗高过压和高静压(耐压16MPa)、量程迁移比大等特点。保证了压力测量的准确性,无需多次校准。传统的压力开关由于选择的量程不精确,设备的压力在某特定的条件下超过了压力开关的耐压值,并维持了一定的时间,使压力开关超负荷工作,损坏的几率肯定很大。数字式压力开关用户在设定压力范围时,数码管显示当前设定值,可以确保设定的准确和方便。

3.1.3传统的压力开关由于采用机械触点,一般具有较长的动作时间,长期工作时,由于触点频繁动作,还会使触点老化。此外在有触点电器中,触头接通和分断电流的过程中往往伴随着气体放电现象——电弧的产生及熄灭,电弧对电器具有一定的危害。在开关接触的时候,产生电弧,不能及时灭掉,而电弧的能量极有可能烧毁触点,无法达到理想的开关效果,并且使用寿命缩短。而数字式压力开关一般采用3安电流的电子开关管,不但增加了驱动能力,动作时间缩短为纳秒级(几乎可以忽略),同时使寿命大大提高,是传统式开关所无法比拟的。而且具有较高的灵活性,用户使用时可以根据现场要求,通过软件来设定输出节点的形式(常开或常闭)。

3.2特色和创新突破点

3.2.1采用buck降压电路,该电路具有效率高、体积小、稳定性强、输出电压可调节范围大等优点,降低了系统的功耗,使电压输入范围变宽(调节范围:6-36v)。

3.2.2采用无触点大功率开关管控制电磁阀,能使开关响应速度快,使用寿命变长,驱动能力达到3A,另外带有两路独立的开关量输出,可同时对两路输出分别设定上下限参数。

3.2.3使用ATMEL公司的A VR单片机,该单片机带有低电压复位,内部看门狗等功能,提高压力开关的可靠性。同时A VR单片机的时钟系统为了降低功耗,可以通过使用不同的睡眠模式来禁止无需工作的模块的时钟,如“电源管理及睡眠模式”,使单片机的功耗降到最低。压力信号使用差分放大器进行放大,有效抑制了工业现场容易出现的共模干扰。

3.2.4采用高精度A /D转换器,通常的模数转换器是将一个输入电医信号转换为一个输出的数字信号。模数转换器最重要的参数是转换的精度,通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多,表示转换器能够分辨输入信号的能力越强,转换器的性能也就越好。数字式压力开关中采用的高精度～D转换器提高了转换精度,测量误差在万分之五以内。

3.2.5外型小巧精致,安装使用方便,多种接线、接口型式可供用户任意选择。

3.2.6采用国际先进的焊接工艺设备,密封性能好,无泄漏。能够满足高精度压力采集、控制和报警需求,满足腐蚀性、冲击性、震动性等场所压力控制需求。

3.3技术指标:

①电源电压:6-36V Dc±25%

②额定压力范围:0—1Mpa:

③设定压力范围:0～1Mpa:

④设定/显示分辨率,0.001Mpa:

⑤空载消耗电流:45mA以下:

⑥环境温度范围0-60℃:

⑦输出电流:0-3A:

4小结

数字式压力开关采用了A VR单片机,保证了开关工作的可靠性,采用了模糊控制理论有效避免了压力波动时带来的误动作问题,采用高精度A,D转换提高了工作的精度,使用大功率无触点开关延长了使用寿命,与传统的机械式压力开关相比具有极大的优越性。数字压力开关的研制成功,填补了我国在这个方面的技术空白,使我国具有自主知识产权,技术水平逐步接近国际领先。实现了较大的社会和经济效益,对该产业具有带动和提升作用。具有较大的市场和开发前景。

参考文献: