电感式传感器测量液位高度.doc

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：22摘要33应用背景与目的：34设计原理：35设计任务及技术指标：46悬臂梁结构设计：47应变电桥的选择及设计计算58电桥电路的选择设计与分析8一.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=u21u22e1e2。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e2e1，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：量程：0-3.15m； 浮子：材料为钢（密度为=7.8103kg/m3）外径D=50mm，空心直径d=48mm；质量为32.7g 滑轮：D滑轮=50mm；传动轴：长度为24mm，螺距为1mm，直径为10mm； 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=7.8103kg/m3）。浮在水面时有一半的体积在空气中。G=F浮，m=v7.8103kg/m34/33.14(0.05/2)3-r3 10N/kg=1103kg/m310N/kg4/33.14(0.05/2)3/2解得：r=24mm，即空心直径d=48mm浮子质量：m=v= F浮/g=1103kg/m34/33.14(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=D=3.1450=175.5mm,量程为20C=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2.2N2.0N,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：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。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(0.02F)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接入R0(几百k)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。第 17 页 共 17 页