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防爆称重传感器的结构原理,设计特点和应用

本文章介绍了一种在防爆场所广泛应用的防爆称重传感器产品.其由容包括:防爆型传感器的特殊要求的特点、工作原理及结构技术性能及它的应用范围防爆称重系统的特点等

一、防爆称重的特点

 

现代化电子称重技术的发展;已深入到各个领域,在具有爆炸性混台物的场所进行物料称重即在盘险区内正常计量,要求计量器具包括称重传感器,仪表及称重系统中所有的电气装置都具有相适应等级的防爆性能。具体地说防爆传感器应该具有尽可能低的电平信号,它的外壳应具有足够的耐压及防火花特性,在本文安全电路中与其关联装置如用安全栅供电具有限压限流元件,对传感器的连接电缆的电感,电容及电阻参数都必须限制在规定值之内。防爆称重传感器也和其它种防爆型电气产品一样,其中限压产品的设计图纸和文件必须经过国家指定的防爆产品技术检验部门审查批准后进行样机生产,再经过防爆性能检定,取得防爆产品台格证书。

防爆称重传感器总体结构图
爆称重传感器总体结构图

二、传感器设计上的显著特点

总体结构(如图1)采用了抗侧向力强、低外形轮辐剪切梁式弹性休结构。它的结构主要有三部分;1弹性休组件为轮辐剪切应变梁.其上粘贴电阻应变片组成测量电桥。2、放大器组件,3、由l1,12,13,14各部分构成电缆引入装置。

为满足称重系统的这种防爆的特殊要求以及要求传感器有500%的过负荷能力,又要求长线传输达220米。综合这些因素.在传感器设计上,突出地解决防爆高负荷及远距离传输三个主要技术问题。

工作原理是通过剪切应变梁完成非电量(力)的电测即把物理量转换成电压,用运算放大器再把该低电平电压放大到所需要的高电平信号便于远距离传输,提高其信噪比。见图2。.

称重传感器电路图
防爆称重传感器电路图

1.防爆结构及电路特征

考虑防爆称重传感器使用的广泛性和

通用性,本产品设计和制造成具有双重防爆性能即防爆型和本质安全型两类。为了达到防爆性能要求在轮辐剪切梁的上,下部都采用了膜片焊接结构保证可靠地密封.以便防潮、防止火花泄漏,同时应该使膜片具有足够的强度而耐住爆破压力的冲击这样势必需要把膜片厚度尺寸加大,由于膜片的厚度增加会影响弹性体的变形性能,因此在设计上通过精心调整厚度值使它既能满足防爆性能又能达到精度指标这两方面的技术要求。另外,为了防爆,对于外壳上盖的材料必经过水压试验合格,对于几个防爆结合面的长度,选择固紧螺钉的螺距,大小螺纹长度均都按cGB383b2—83,GB383b,4—83,的有关规定设计,传感器的连接电缆采用一种专门电缆引入装置如图1中11,12,l3,14.其中11是密封垫块采用耐油合成橡胶邵氏硬度40~50,用14夹紧螺母通过垫圈l2压紧密封,以上的结构特征经检验满足了防爆性能要求。在电路印制板上结点之间距离要满足电气闯隙及爬电距离的最低要求。印制板上用绝缘树脂喷镀不少于两次.接线端子板和内部导线都采用高绝缘材料并且经过绝缘强度检查符台要求。

在本质安全电路设计中主要应该考虑以下几个问题:

①与本质安全电路之关联装置的特性如安垒栅内的限压,限流元件的特性。本文采用了LB800安全栅。其性能参数满足了要求。

②选择电缆。使之性自B参数,如分布电容,电感及电感与电阻比,不超过规定的数值。因为这些参数是储能元件,它们的数值大小直接关系着本质安全电路的性能,因此,选择电缆时,必须考虑上述各参数值这一重要因素。同时需要用可靠的电缆参数测量仪准确地测试它的电容,电感及电阻值,从用确定本质安仝电路之性能。此外,选定了合格的电缆之后。在现场敷设时耍注意使电缆尽可能走直线而不要弯曲或卷曲,以免改变电缆参数值影响本质安全电路的性能。

2.高过负荷及远距离传输特征

一般的称重传感器安全过负荷大约在150%,最高有的为300%。但是本传感器却要求过负荷达500%(在国外传感器的产品样本上也不多见)并且要求传感器输出信号传输达220米之远距离。又要高过负荷又要远距离传输,还要防爆,这给称重传感器设计工作带来了困难。困难之交点在于传感器的净重(有用信号)远比皮重(无用信号)小,有的净重只占皮重的十分之一。据国内的金属材料及电子元器件的现实情况,在结构上选用40CrNiMoA作传感器的弹性体,设计时总重W=取o则净Wn只有—即有用信号为2mV这样可达到500%过负荷的要求。为了提高信噪比,把有用的2mV信号进行了放大。采用了高性能的OP一07运算放大器组装在传感器的壳体内。把低电乎(2mV)进行前置放大至2OOmV进行远距离传输。在此同时必须解决两个问题:一是选用那种耐低温(-23℃)条件的运放器件(传感器工作在-23℃)。二是解决三个带放大器输出的传感器之间的并联问题。从检定结果来看,综合精度较高,取得导了满意的结果。

三,技术性能

为了满足防爆性能要求,在结构设计以及电路部件上采取丁一系列技术措施。取得了中国防爆电器产品检测分中心发给的产品防爆合格证。具体防爆性能参数是:

①应用场所:有爆炸性混合物如环丙烷,丙烯类等石油化工部门现场计量。

②最高输入电压:直流i0伏

③最大电流:直流lOOmA

④最长传输导线:允许220米

⑤安全过负荷:500%满负荷(含皮重和净重二者之和)

⑥静态性能:

非线性0.02%F·S×重复牲0.03%F-s×滞后。0.0i3%F·S×蠕变0.03%F·s(3o分钟)×输出灵敏度:23.1mV/VF-S×温度零漂:0.05%/i0℃(一23℃一十45℃)×温度灵敏度0.05%/10℃

四,典型应用

 

防爆称重系统示意图
该系统示意图

在山东齐鲁石化公司低密度高压聚乙烯的生产过程中,工艺上要求一种耐震防爆称重仪表。(简称耐震称重仪)该称重系统的精度为o.8嘶F-S。图3为该系统示意图。它是由盛重容器,称重传感器(三台),加法器箱,安全栅及称重仪表所组成。称重传感器及加法器箱均放在有爆炸性混合物的危险区内。传感器至称重仪表之间的距离为220米用AVP一7电缆传输.系统采用了六线制。经实际测试该系统工作可靠,其中关键环节是传感器.它完全满足了耐震及防爆的要求。它不仅可安全地应用在本质安全电路,而且还可以应用在如矿山井下采矿的易爆条件中称重,也可以应用在易爆的石油等环境中称重和计量。该种防爆称重传感器的研制成功,填补了国内防爆称重传感器产品的空白。这无疑会使电子称重领域得到扩大和发展。

航空航天部十一所 金广尧

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