電感式傳感器測量液位高度

1、電感式傳感器測液位高度在監(jiān)測鍋爐水位方面的應用1設計名稱： 22摘要 23應用背景與目的： 24設計原理： 35設計任務及技術指標： 66懸臂梁結構設計： 77應變電橋的選擇及設計計算 .錯誤!未定義書簽。8電橋電路的選擇設計與分析 .錯誤!未定義書簽。一 .設計名稱：電感式傳感器測液位高度二.摘要當液位高度變化時，引起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進而帶動銜鐵運 動，銜鐵的運動，使差動變壓器的次級線圈互感電流變化，輸出電流（電壓） 發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來， 實現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉化。三.應用背景與目的:鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機械設備。因 此

2、，水位高度的監(jiān)測尤為重要。 將電感式傳感器，應用到鍋爐系統(tǒng)當中，對鍋 爐水位進行實時監(jiān)測，能時刻掌握鍋爐水位變化情況，防止意外發(fā)生。四.設計原理:1. 差動變壓器：一種廣泛用于電子技術和非電量檢測中的變壓裝置。用于 測量位移、壓力、振動等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動態(tài)測 量。差動變壓器的基本組成部分包括一個線框和一個鐵心。在線框上設置一個原繞組和兩個對稱的副繞組，鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時，兩個副繞組中就會產生感應電動勢el和e2。如果兩個副繞組按反向串聯(lián)（圖1）,則它的總輸出電壓u2=u21 - u22el-e2。當 鐵心處在中央位置時，由于對稱關系

3、，e1=e2,輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動，則穿過副繞組 2的磁通將比穿過副繞組 1的磁通多，于是感應電動勢 e2e1，差動變壓器輸出電壓 u2不等于零，而且輸出電壓的大小與鐵心位移x之間基本成線性關系，其特性如圖2所示，呈V字形。用適當?shù)臏y量電路測量， 可以得到差動變壓器輸出與位移x成比例的線性讀數(shù)。最常用的測量電路是差動整流電路，它把兩個次級電壓分別整流后，以它們的差作為輸出。差動整流 電路有電流輸出型和電壓輸出型，前者用于連接低阻抗負載的場合；電壓輸出 型差動整流電路則用于連接高阻抗負載的場合.差動變壓器的結構原理與等效電路分氣隙型和差動變壓器兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。其基

4、本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用， 相當于變壓器的原邊， 而次級線圈由結構尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。螺管形差動變壓器根據(jù)初、（a）氣隙型（b）螺管型1初級線圈；2.3次級線圈；4銜鐵三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。 差動變壓器線圈各種排列形式1初級線圈；2次級線圈；3銜鐵在理想情況下（忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗），差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的復數(shù)電流值為2. 測量電路：差動變壓器輸出電壓為交流信號，它與銜鐵移動的位移成正 比。用交流電壓表測量其輸出值只能

5、反映銜鐵位移大小，不能判別銜鐵移動的 方向，因此采用差動整流電路來實現(xiàn)方向這一問題。電路圖如下：Adjt - Q *辰射狛 k肚MJ常祠ft 貫自百羈田* Gtf英曰 P 卜全波整流電路和波形圖LF;it匕/、clrrlxlrl-tsA *2 n XZ卑酣崔aM+oUR .:-.口 口 卄廠廠 M LLJ k B 已 Ld.-J 團衛(wèi) fy : 33”垂趣韭* Ji C*ijrLwir*卄i| SHiH *BAi *Mfi J1g：i XAJtl tSB-iD.i 標淳 *AL d刪hpi&i；J蘭直-憚4該電路是根據(jù)半導體二極管單向導通原理進行解調的，假設傳感器上面的二次線圈的輸出瞬時波形為

6、上半周，a點為正，b點為負，則在上線圈中，電流自 a點出發(fā)，路徑是a-1-4-2-3-b 。反之，如a點為負，b點為正，則電流路徑為 b-3-4-2-1-a ?？梢?，無論二次線圈輸出電壓瞬時極性如何，通過電阻R的電流總是4-2。3. 整體思路：當液位高度變化時，弓起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進 而帶動銜鐵運動，銜鐵的運動，使差動變壓器的次級線圈互感電流變化，輸出 電流（電壓）發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來，實現(xiàn)物理量等非電量 向電量的轉化。五.零件尺寸:量程：0-3.15m ;浮子：材料為鋼（密度為P =7.8 x 103kg/m3）外徑D=50mm空心直徑d=48mrp 質量為32.

7、7g滑輪：D滑輪=50mm傳動軸：長度為 24mm螺距為1mm直徑為10mm電橋電壓：5V。六.結構設計:1.變壓器：220v/6.4v=n1/n2,線圈匝數(shù)之比約為34.原理圖如下：口 ti 口 1齡衛(wèi)陽夕八丨常M代啤1押易SI1上欽3.J ISH6I gf 駅 u4w!檢iM凹耳| NB |1 1II .IMw呻丈31 ”角ni 航 I*TJ. WE-HI 位t% tiu -Bn JII Hfc H hwmaz/JonraDrJaorflf * G w J A穩(wěn)壓電口 口Kr片 hri陸A亠R 世11 k m XttSIXSlJAltPrl ZZ XX -l和O I丄護電“丹疥A2.測量電

8、路：基本原理圖如下，水位的變化引起浮子系統(tǒng)變化，進而帶動銜鐵的運動，使二次線圈的互感發(fā)生變化，導致電流表示數(shù)變化。實現(xiàn)了非電量向電量的轉化，達到測液位高度的目的。.Z| *丄甘d,“f -1茸比%承1鼻腳蠱屯空1國 士d | 胡S|倉Mt皿妙經*塑乂 H 11* 牲皿亍挖4-垢gr* | 吟Ljvt毛 | Hiri-ajrw導 | 隱 理豈| 鬲 AulaAZ毎時-忙!淖血”13&2皿心時孕qSaigj 4些 直峙旳 謝 遊歸 祐 描戒曲 lwj左口 切雖s-mi 口:赫 *Mmnz/a 0 n廣3導卍co樂樂口少3冉nurtvx膽卞5)1TO1I 州ffl Az J* 孑甘血也88+D印Qi

9、-Y 口CJ卄廠廠逍* rg:0霍上T色 卜m a h m u “空更 W剔wUul士|丄円 ？劃苗3.浮子傳動結構設計及計算(1).浮子尺寸計算：查閱資料得知，浮子結構為空心球，外徑D=50mm材料為鋼(密度為p =7.8 x 103kg/m3)。浮在水面時有一半的體積在空氣中。 二G=F浮,m=p v 7.8 x 103kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3-r 3 x 10N/kg=1 x 103kg/m3x 10N/kg x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2解得：r=24mm即空心直徑d=48mm浮子質量：m=p v= F 浮/g=1 x 10

10、3kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2=32.7g浮子重力：G=mg=0.327N(2).量程計算：滑輪直徑50mm滑輪所在傳動軸直徑為 10mm螺距為1mm 銜鐵可移動范圍是20mm所以要求滑輪可轉過 20圈，滑輪周長C=n D=3.14x 50=175.5mm,量程為 20 x C=3150mm=3.15m(3).滑輪傳動具體結構如下圖:利用渦輪原理，滑輪隨著浮子的上下移動而在傳動軸上轉動，因此，就會產生 一個軸向位移，推動銜鐵運動，達到測量目的。z y-JcFEW ;硝遛-匚“.a三A【、聲牡 * 聞 hl-Mlr ii 材一心 i*-ii ea.ni &衛(wèi)

11、葉 mriu.童口期:忙柯為事1衣目#丨*】I 邁亀gi：apilll*-嶽L護前 了-X6細線會彎曲，但是因為2.2N2.0N,故細線又會收緊，帶動滑輪運動。將軸向位移傳遞給銜鐵。2. 當水位下降時，F(xiàn)浮2.2N.所以浮子能夠克服游絲扭矩向下移動。達到同步作用。綜上，在兩種情況下的液位變化都能將位移傳遞給銜鐵，實現(xiàn)非電量的轉化， 達到測量目的。5.實物仿真圖七.誤差分析:1、激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響 輸出電勢。而頻率的波動，只要適當?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導磁體磁導率的變化，從而使

12、線圈磁場 發(fā)生變化產生溫度漂移。當線圈品質因數(shù)較低時，影響更為嚴重，因此，采用 恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當提高線圈品質因數(shù)并采用差動電橋可以減 少溫度的影響。3、零點殘余電壓當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值（從零點幾mV到數(shù)十mV存在，稱為零點殘余電壓。如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性。 零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內會 使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。圖中el為差動變壓器初級的激勵電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干

13、擾等。零點殘余電壓產生原因： 基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電 路參數(shù)（互感M自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感 應電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質的不均勻， 線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產生的磁通相位不同。 高次諧波。高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產生了非正弦 (主要是 三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應出非正弦電勢。 另外，激勵電流波形失真， 因其內含高次諧波分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。消除零點殘余電壓方

14、法：1從設計和工藝上保證結構對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對， 采用磁路可調節(jié)結構。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材 料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高 次諧波產生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。2. 選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高 次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特 性曲線由1變到2,從而消除了零點殘余電壓。相敏檢波后的輸出特性3. 采用補償線路由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，

15、也可將 電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生 變化，從而改變磁化曲線的工作點，減小高次諧波所產生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調整次級線圈的電阻分量。調相位式殘余電壓補償電路并聯(lián)電位器 W 用于電氣調零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示 電容C（0.02卩F）可防止調整電位器時使零點移動。電位器調零點殘余電壓補償電路 接入R0（幾百kQ ）或補償線圈L0（幾百匝）。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖R或L補償電路成本預算表格材料單價銷售公司用 量總計變壓器4.02 元/Kg天津魯岳銷售有限公司1Kg4元線圈230 元/Kg無錫鼎井金屬材料有限公司10g2.3元電阻18元/片威海諾金傳感技術有限公司1片18元電流表7 元/Kg上海赫特化工有限公司2Kg14元二極管35 元/Kg廣州帥源化工有限公司500g17.5 元滑輪0.2元/個深圳紅利豐科技有限公司5個1元傳動軸/50元104.8元游絲 銜鐵 銅管 細線 浮球 其他各成員具體職責：?項目經理：總體的項目策劃，確保項目目標實現(xiàn)，協(xié)調各組員的工作，參與方案設計，進行設計書的編寫與