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

1设计名称： (3)

2摘要 (3)

3应用背景与目的： (3)

4设计原理： (3)

5设计任务及技术指标： (7)

6悬臂梁结构设计： (7)

7应变电桥的选择及设计计算....... 错误!未定义书签。8电桥电路的选择设计与分析....... 错误!未定义书签。

◆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整流电路，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32.7g ⑶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。