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音叉式物位开关在盾构机上的应用

刁郁文 2005-11-03 00:00:00

摘要:
  音叉式物位开关传感器用于盾构机液压油箱油位,膨润土水箱水位的探测。本文详细的介绍了音叉式物位开关传感器工作原理,功能组成,并结合在盾构机上的使用情况,对现阶段国际、国内该传感器发展及应用情况进行对比,结合典型实例对音叉式物位开关传感器的应用进行了研究。
  
  关键词:
  
  音叉式物位开关传感器
  
  1、音叉式物位开关传感器工作原理
    音叉式物位开关工作原理根据物料对振动中的音叉有无阻力,探知料位是否到达或超过某高度,并发出通断信号,这种原理不需要大幅度的机械运动,驱动功率小,不必校准,可快速低成本启动。机械结构简单,无机械运动部件,无维修、无磨损,运行寿命长,灵敏而可靠。
    传感器的音叉由弹性良好的金属制成,材料一般使用不绣钢,如SS316。金属本身具有确定的固有频率,如外加交变力的频率与其固有频率一致,则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱,金属内部的能量损耗又很少,所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。
    传感器的音叉以固有的频率振动,当音叉触及液体或其他物料时,其固有的振动频率降低,能量消耗在物料颗粒间的摩擦上,迫使振幅急剧衰减而停振,频率的变化激活液位开关,产生通断信号。
  音叉式物位开关传感器为了给音叉提供交变的驱动力,利用放大电路对压电元件施加交变电场,靠逆压电效应,产生机械力作用在叉体上。放大电路原理图如图(1)。用另外一组压电元件的正压电效应检测振动,它把振动力转变为微弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路,把检振元件的信号放大,经过移相,施加到驱动元件上去,构成闭环振荡器。在这个闭环中,既有机械能也有电能,叉体是其中的一个环节,倘若受到物料阻尼难以振动,正反馈的幅值和相位都将明显地改变,破坏了振荡条件,就会停振。只要在放大电路的输出端接以适当的器件,不难得到开关信号。
    音叉料位开关安装时的叉体不一定装在容器壁上,也可以从顶部伸入,根据所需控制的料位决定伸入长度。叉体的制造和装配良好时,音叉可用于液位测量或控制,但不适合过分粘稠的浆料。
  音叉式物位开关的方框图如图1。


                                                      图1 音叉式液位传感器

    为了保护压电元件免受物料损伤和粉尘污染,音叉式物位开关将驱动和检振元件装在叉体内部,经过金属膜片传递振动。如图2

                                                         图2 压电音叉体

   图4给出音叉料位开关信号放大电路的电路原理,商家提供产品及技术指导性的说明,一般不提供电路原理,但对于音叉料位开关技术来说,虽然型号繁多,从电子技术原理来分析,基本上差异不大。如图4为信号放大电路,可能元件使用元件不同于本图,但大致原理是相同的。
    放大电路可由集成电路LM324构成,LM324是单电源四运算放大器,LM423采用14脚双列直插塑料封装,管脚排列如图3。


  图3 LM324管脚排列
  

                                                     图4 信号放大电路

    图4中A1担任前置放大,A2为低通滤波,A3为移相电路,A4为电压放大,图中PZT2为采用具有两个电极的压电材料的驱动元件。PZT1为检振元件,采用压电晶体多谐振荡器电路。由压电晶体的阻抗频率特性可知,电路的振荡频率只取决于晶体本身的谐振频率,而和电路中的R、C的数值无关。各电路元件的参数一般按照固有频率为300Hz的叉体设计。
    图4中的D3、D4为音叉式物位开关传感器的状态灯光显示,D4用红色发光管,D3则用绿色发光管,料位过高而停振时,D4亮而D3灭,料位正常叉体振荡时D3亮,D4灭。用作下限报警时,可将D3,D4接法互换。
    音叉式物位开关输出形式:分NPN二线,NPN三线,NPN四线,PNP二线,PNP三线,PNP四线,DC二线,AC二线,AC五线(自带继电器)等几种常用的形式输出。以下主要是介绍PNP三线和AC二线(晶闸管)的输出形式。
    如图(5)所示为AC二线(晶闸管)的输出形式,一般用在需控制闸门或出料机械设备在料位过高时自动排放,可在图(5)中可采用用固态继电器SSR。SSR是有光电隔离的双向晶闸管,它可以使交流电路通断,由于是无触点的,比继电器或接触器可靠。

 图5 晶闸管输出电路

    如果采用PLC的控制方式,则需在容器的上下方都装叉体,实现自动进料或自动出料的逻辑控制,或者希望把料位越限信号远传到控制室,可以采用图(6)的PNP三线输出电路取代图(5) AC二线(晶闸管)的输出形式。当叉体振荡时电源线上会有窄脉冲出现。在控制室里另有控制电路,它根据直流供电线上有无叠加的脉冲信号,判断料位是否越限,并按要求使被控的进出料设备启停。

2、实际应用
    盾构机拖车2上带有一个液压油箱,在盾构机的控制要求,设油位最大、油位报警、油位最小三个信号输出点,安装有三个德国E+H公司的FTL260音叉式物位开关
    因音叉式物位开关传感器的信号采集后传输到盾构机操作室的PLC数字量输入模快,盾构机的控制系统采用的PLC采用的是西门子公司的S7-400的型号,其数字量输入模快选用的是采集PNP三线输出电路信号的输入模块。选用德国E+H公司的FTL260音叉式物位开关,输出信号是PNP,三线制。可满足盾构机对液压油箱油位,膨润土箱液位的控制要求,且不受被测介质绝缘性,泡沫,悬浮固体,气泡,浪涌等影响,满足使用要求。
    由于进口音叉式液位开关供货周期长,价格较高,目前国内可替代产品有
    GLD-LTF-101音叉式物位开关传感器,其性能可替代进口产品,可用于储罐成管道中液体或泥浆物位的控制。
    
  LTF101型音叉式物位开关传感器其主要特征为:
  液体或泥浆物位测量
  PNP开关输出
  LED开关状态指示
  不锈钢接湿材料
  结构小巧,便于安装
  以下为两种音叉式液位开关的性能比较。

 在选用国产的产品代替进口的产品时,应注意其螺纹接口的尺寸和音叉式液位开关输出信号的选择。国内螺纹接口一般为公制,而进口的音叉式液位开关螺纹接口为英制。
    对于输出信号的选择,应和厂家说明音叉式液位开关为PNP集电极开路或NPN集电极开路,二线制或三线制开关信号输出。因为当音叉式液位开关的输出信号不正确时,PLC不能采集到音叉式液位开关的输入信号,造成对系统功能的影响。
  
  3、结束语
    音叉式物位开关传感器是一种适应所有液体的限位开关,适用于防爆区、食品、药品生产等各种环境,是一种新型的传感器。在盾构机的维修中,作为维修人员,了解盾构机上使用的各种传感器的工作原理,功能特点非常重要。盾构机上的传感器由于工作环境较差,经常会出现故障,导致盾构机不能工作。了解的各种传感器的工作原理,能对于出现的故障采取相对应的有效措施,保障机器的正常运行,也体现了维修人员的技术水平。
  
  参考文献
  1、 清华大学电子教研组编,《数字电子技术基础简明教程》,高等教育出版社,1991
  2、 王家桢、王俊杰,《传感器与变送器》,清华大学出版社,高等教育出版社,1996
  3、 纪纲、吴勤勤、顾生元,《数字显示调节仪表原理及维修》,华东华工学院出版社,1992
  
  作者简介:
  刁郁文,广州盾建,助理工程师。参加广州地铁二号线(赤-鹭区间)盾构法施工,从事对德国海瑞克盾构机的维修工作。参加广州地铁三号线(天-五区间)盾构法施工,从事对机器设备的维护,管理工作。
  
  联系地址:广州市东山区西牛北街85号701
  邮政编码:510075
  联系电话:020-87057192-615
 

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