一种无触点电接点压力表的实现

江苏大学电气信息工程学院 周 鹏

周建民

1.引言

在工业控制领域，经常需要对设备的压力参数进行测量。电接点压力表则常用于测量和控制各种管道和容器中的液体、气体或蒸汽的压力及真空。电接点压力表是一种现场指示、控制仪表，属自动化仪表范畴，其一般精度等级为1.0-4.0级。

2.无触点电接点压力表概述

2.1 电接点压力表的工作原理及存在问题

电接点压力表是由弹簧管压力表加装电气接点开关所组成，除可指示压力的大小外，还用于发出压力越限信号。其测压原理是基于测量系统中的弹簧管在被测介质的压力作用下，迫使弹簧管末端产生相应的弹性变形。固定在机芯齿轮上的指针将被测值在度盘上指示出来；与此同时，带动接点触头产生相应闭合或断开的动作以使控压系统中的电路得以接通或断开，从而实现自动控制报警和现场指示的目的。[1]

目前国内电接点压力表的准确度、弹性元件的抗疲劳度等技术性能指标均已达到较高的水准，但由于在实际使用中，压力表电接点触点的负载大都为感性负载，在触点通断瞬间，均会产生电弧，使触点灼蚀甚至烧结在一起，以至于失效、损坏。[2]

2.2 无触点电接点压力表

为解决普通电接点压力表存在的问题，本设计取消了电接点压力表中的机械触点（银触点或磁助式电触点）。分别在上限设定指针和下限设定指针的适当位置上各安装一只霍尔磁敏集成开关，在原动触点转臂适当位置上安装一只体积较小的高磁能积永磁铁，两者组成一组无触点控制开关。调节上限指针指示的压力值即可设定控制上限，调节下限指针指示的压力值即可设定控制下限，两指针所指示的压力差即为控制区间。

在电路设计上，为了保证霍尔磁敏集成开关触发后不因永磁铁位置的变化而使电路状态发生变化，采用CMOS与非门集成电路组成具有记忆功能的Rs触发器[3]。由于CMOS集成电路的输出电流有限、带负载能力弱，因此需要在其输出端连接一只高增益达林顿管，给后续电路提供足够的工作电流。

2.3 霍尔磁敏集成电路

霍尔集成电路是一种集成化的磁敏传感器。它是把霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出器四部分做在同一硅片上的磁电转换集成器件。输入为磁感应强度，输出为电信号。其输出的电信号随着检测到的磁感应强度的增减而变化。[4]作为开关霍尔传感器来应用的霍尔集成电路，其变化是数字的，即输出电信号与磁感应强度呈开关状态关系。[5]霍尔集成电路的输出可以直接驱动TTL、CMOS等集成电路和各种类型大、中、小晶体管。

霍尔开关集成电路可用于：无触点开关、位置传感、旋转传感、自动检测控制等。霍尔开关集成电路应用特点为：无触点、长寿命、高可靠、无火花、无自激振荡、工作频率宽。抗污能力强，抗干扰能力强，负载能力强。输出数字化，结构简单、坚固、体积小安装方便等。[6]

3.机械结构及原理简介

对普通电接点压力表进行改装，改装完成后的内部结构如图1所示。它是由引压接头1、弹簧管2、压力测试指针3、挡块4、止钉5、下限设定指针6、固定在6上的霍尔磁敏集成开关7（Ic1）、装固在9上的永磁铁8、转臂9、调节9转动力矩的游丝10、装固在12上的霍尔磁敏集成开关11（Ic2）、上限设定指针12、机芯连杆机构13所组成。

表1 电路的工作状态

图1 改装完成后的内部结构

图2 电路原理图

图3

图4

工作初始阶段，永磁铁8和转臂9在游丝10弹簧力的作用下紧靠着设定指针6上的止钉5。此时霍尔磁敏集成开关7处于触发导通状态，无触点开关导通，负载得电工作。当系统压力上升，弹簧管2端部的位移通过机芯连杆机构13带动，使指针3转动。当指针3指到下限设定指针6所指的压力值时，永磁铁8和转臂9在指针3上挡块4的推动下，随压力的上升一起转动。当指针3随压力的进一步上升，指到上限设定指针12所指的压力值时，永磁铁8触发霍尔磁敏集成开关11导通。无触点开关关断使负载失电，压力源动力停止工作。压力下降时永磁铁8转臂9在游丝10弹簧力的作用下随指针3一起移动。当系统压力下降到下限设定值时，永磁铁8触发7再次导通，无触点开关导通负载得电，压力源动力重新工作。如此反复，达到测量和控制的目的。根据工作需要设定指针6、12可在全量程范围内任意设定。

4.电路原理图及简介

控制电路需实现的基本功能为：当系统压力低于下限设定值时，需要在达林顿管T的基极输入高电平使其导通，从而负载得电开始工作。在系统压力达到上限设定值前，电路应当使负载保持工作状态。当系统压力高于上限设定值时，在达林顿管T的基极输入低电平使其截止，此时负载失电停止工作，系统压力逐渐下降直至压力降至下限设定值。当系统压力降至下限设定值时，应当使达林顿管T的基极再次获得高电平并导通，负载得电工作。以上便是电路的一个工作周期。

需求电路的工作逻辑正好对应了Rs触发器具有的逻辑功能。因此可以用Rs触发器来实现本装置的核心控制电路。电路的工作状态可以用表1详细描述，该表与Rs触发器的真值表完全对应。

本设计的电路原理图如图2所示。它主要包含的元器件及功能：直流极性保护二极管D；用于滤波稳压的电容和稳压二极管C1、C2、DW；霍尔磁敏集成开关Ic1、Ic2；与非门组成的Rs触发器Ic3；达林顿管T；光电耦合器Ic4；双向可控硅SCR及用于过压保护的压敏电阻VR。

图2电路中，通过光电耦合器Ic4将交流控制电源与直流工作电源隔离，增加了电路的抗干扰性能和安全性。为进一步提高仪表的可靠性，在SCR两端增加了R7、C3缓冲保护网络和VR压敏电阻，以防SCR因浪涌电压过高而发生击穿。

5.实验装置的制作

选用一只￠150，规格为16MPa的电接点压力表。具体实验装置的制作步骤如下：(1)将其下限设定指针和上限设定指针拆下并去掉银触点或磁助触点，重新制作2个铜质上、下限设定指针如图3、图4。(2)在其针上设置安装霍尔磁敏集成开关Ic1、Ic2用的装夹卡，将Ic1安装在下限设定指针6上，Ic2装固在上限设定指针12上。(3)在下限设定指针6的适当位置上铆接好止钉5。(4)去掉原表上的两动触点及转臂，重新制作一个可装固永磁铁8的铜质转臂9见图3、图4。(5)将游丝10一端固定，另一端与转臂9相连，并调整好力矩。(6)将改装好的设定指针6、12及转臂9一起装回原支架，再将支架部件重新安装到电接点压力表中。至此，设计的无触点电接点压力表的机械部分制作完成。

印刷电路板的尺寸选择小于48×30mm为宜，将焊接好元器件的PCB板安装至表内空隙处即可完成整个实验装置的制作。主要电器元件的选择：Ic1、Ic2可选用UGS—3120T或UGS—3020T型号的霍尔磁敏集成开关；Ic3选择CD4011两输入端四与非门；IC4使用型号为MOC3041的光耦。关于SCR双向可控硅的选择：当控制对象电源电压为220V时，选择额定正向平均电流和耐压值为6A/600V的双向可控硅。当控制对象电源电压为380V时，选取参数为6A/1200V—1500V的双向可控硅。其它元器件根据具体情况计算后进行选择。

6.结束语

本设计测量和控制构件之间没有机械接触，所以无机械磨损且解决了一般电接点压力表在机械触点处产生电火花的问题。此外普通电接点压力表在开关动作时，均不同程度地存在微小的机械来回位移和回弹，使被控对象产生频繁的重复动作，特别是在有振动的场合更是如此。无触点电接点压力表由于开关一旦动作不会因微小的机械位移、回弹而发生频繁的重复动作，这一优点是普通电接点压力表无法比拟的。由于无触点电接点压力表具有上述优势，故其在工业生产中具有较高的实用价值。

[1]苏保华.电接点压力表的检修技术[J].传感及检测仪表,2010.

[2]傅锦华,张光成.电接点触点电子保护装置的设计[J].科技创新导报,2009.

[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]闻福三,赵京明,王玲玲.霍尔效应和霍尔传感器的教学方法研究[J].电气电子教学学报,2012,4:118-119.

[5]赵负图.新型传感器集成电路应用手册(上)[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[6]王美丽.霍尔传感器的应用探讨[J].山西电子技术,2010,4:84-86.