音叉式物位開關在盾構機上的應用
2005/11/3 9:40:00
摘要：
音叉式物位開關傳感器用于盾構機液壓油箱油位，膨潤土水箱水位的探測。本文詳細的介紹了音叉式物位開關傳感器工作原理，功能組成，并結合在盾構機上的使用情況，對現階段國際、國內該傳感器發展及應用情況進行對比，結合典型實例對音叉式物位開關傳感器的應用進行了研究。
關鍵詞：
音叉式物位開關傳感器
1、音叉式物位開關傳感器工作原理
音叉式物位開關工作原理根據物料對振動中的音叉有無阻力，探知料位是否到達或超過某高度，并發出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，不必校準，可快速低成本啟動。機械結構簡單，無機械運動部件，無維修、無磨損，運行壽命長，靈敏而可靠。
傳感器的音叉由彈性良好的金屬制成，材料一般使用不繡鋼，如SS316。金屬本身具有確定的固有頻率，如外加交變力的頻率與其固有頻率一致，則叉體處于共振狀態。由于周圍空氣對振動的阻尼微弱，金屬內部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅動功率就能維持較強的振動。
傳感器的音叉以固有的頻率振動，當音叉觸及液體或其他物料時，其固有的振動頻率降低，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減而停振，頻率的變化激活液位開關，產生通斷信號。
音叉式物位開關傳感器為了給音叉提供交變的驅動力，利用放大電路對壓電元件施加交變電場，靠逆壓電效應，產生機械力作用在叉體上。放大電路原理圖如圖（1）。用另外一組壓電元件的正壓電效應檢測振動，它把振動力轉變為微弱的交變電信號。再由電子放大器和移相電路，把檢振元件的信號放大，經過移相，施加到驅動元件上去，構成閉環振蕩器。在這個閉環中，既有機械能也有電能，叉體是其中的一個環節，倘若受到物料阻尼難以振動，正反饋的幅值和相位都將明顯地改變，破壞了振蕩條件，就會停振。只要在放大電路的輸出端接以適當的器件，不難得到開關信號。
音叉料位開關安裝時的叉體不一定裝在容器壁上，也可以從頂部伸入，根據所需控制的料位決定伸入長度。叉體的制造和裝配良好時，音叉可用于液位測量或控制，但不適合過分粘稠的漿料。
音叉式物位開關的方框圖如圖1。
圖1 音叉式液位傳感器
為了保護壓電元件免受物料損傷和粉塵污染，音叉式物位開關將驅動和檢振元件裝在叉體內部，經過金屬膜片傳遞振動。如圖2
圖2 壓電音叉體
圖4給出音叉料位開關信號放大電路的電路原理，商家提供產品及技術指導性的說明，一般不提供電路原理，但對于音叉料位開關技術來說，雖然型號繁多，從電子技術原理來分析，基本上差異不大。如圖4為信號放大電路，可能元件使用元件不同于本圖，但大致原理是相同的。
放大電路可由集成電路LM324構成，LM324是單電源四運算放大器，LM423采用14腳雙列直插塑料封裝，管腳排列如圖3。
圖3 LM324管腳排列
圖4 信號放大電路
圖4中A1擔任前置放大，A2為低通濾波，A3為移相電路，A4為電壓放大，圖中PZT2為采用具有兩個電極的壓電材料的驅動元件。PZT1為檢振元件，采用壓電晶體多諧振蕩器電路。由壓電晶體的阻抗頻率特性可知，電路的振蕩頻率只取決于晶體本身的諧振頻率，而和電路中的R、C的數值無關。各電路元件的參數一般按照固有頻率為300Hz的叉體設計。
圖4中的D3、D4為音叉式物位開關傳感器的狀態燈光顯示，D4用紅色發光管，D3則用綠色發光管，料位過高而停振時，D4亮而D3滅，料位正常叉體振蕩時D3亮，D4滅。用作下限報警時，可將D3，D4接法互換。
音叉式物位開關輸出形式：分NPN二線，NPN三線，NPN四線，PNP二線，PNP三線，PNP四線，DC二線，AC二線，AC五線(自帶繼電器)等幾種常用的形式輸出。以下主要是介紹PNP三線和AC二線(晶閘管)的輸出形式。
如圖（5）所示為AC二線(晶閘管)的輸出形式，一般用在需控制閘門或出料機械設備在料位過高時自動排放，可在圖（5）中可采用用固態繼電器SSR。SSR是有光電隔離的雙向晶閘管，它可以使交流電路通斷，由于是無觸點的，比繼電器或接觸器可靠。
圖5 晶閘管輸出電路
如果采用PLC的控制方式，則需在容器的上下方都裝叉體，實現自動進料或自動出料的邏輯控制，或者希望把料位越限信號遠傳到控制室，可以采用圖(6)的PNP三線輸出電路取代圖(5) AC二線(晶閘管)的輸出形式。當叉體振蕩時電源線上會有窄脈沖出現。在控制室里另有控制電路，它根據直流供電線上有無疊加的脈沖信號，判斷料位是否越限，并按要求使被控的進出料設備啟停。
2、實際應用
盾構機拖車2上帶有一個液壓油箱，在盾構機的控制要求，設油位最大、油位報警、油位最小三個信號輸出點，安裝有三個德國E+H公司的FTL260音叉式物位開關。
因音叉式物位開關傳感器的信號采集后傳輸到盾構機操作室的PLC數字量輸入模快，盾構機的控制系統采用的PLC采用的是西門子公司的S7-400的型號，其數字量輸入模快選用的是采集PNP三線輸出電路信號的輸入模塊。選用德國E+H公司的FTL260音叉式物位開關，輸出信號是PNP，三線制。可滿足盾構機對液壓油箱油位，膨潤土箱液位的控制要求，且不受被測介質絕緣性，泡沫，懸浮固體，氣泡，浪涌等影響，滿足使用要求。
由于進口音叉式液位開關供貨周期長，價格較高，目前國內可替代產品有
GLD－LTF－101音叉式物位開關傳感器，其性能可替代進口產品，可用于儲罐成管道中液體或泥漿物位的控制。
LTF101型音叉式物位開關傳感器其主要特征為：
液體或泥漿物位測量
PNP開關輸出
LED開關狀態指示
不銹鋼接濕材料
結構小巧，便于安裝
以下為兩種音叉式液位開關的性能比較。
在選用國產的產品代替進口的產品時，應注意其螺紋接口的尺寸和音叉式液位開關輸出信號的選擇。國內螺紋接口一般為公制，而進口的音叉式液位開關螺紋接口為英制。
對于輸出信號的選擇，應和廠家說明音叉式液位開關為PNP集電極開路或NPN集電極開路，二線制或三線制開關信號輸出。因為當音叉式液位開關的輸出信號不正確時，PLC不能采集到音叉式液位開關的輸入信號，造成對系統功能的影響。
3、結束語
音叉式物位開關傳感器是一種適應所有液體的限位開關，適用于防爆區、食品、藥品生產等各種環境，是一種新型的傳感器。在盾構機的維修中，作為維修人員，了解盾構機上使用的各種傳感器的工作原理，功能特點非常重要。盾構機上的傳感器由于工作環境較差，經常會出現故障，導致盾構機不能工作。了解的各種傳感器的工作原理，能對于出現的故障采取相對應的有效措施，保障機器的正常運行，也體現了維修人員的技術水平。
參考文獻
1、 清華大學電子教研組編，《數字電子技術基礎簡明教程》，高等教育出版社，1991
2、 王家楨、王俊杰，《傳感器與變送器》，清華大學出版社，高等教育出版社，1996
3、 紀綱、吳勤勤、顧生元，《數字顯示調節儀表原理及維修》，華東華工學院出版社，1992
作者簡介：
刁郁文，廣州盾建，助理工程師。參加廣州地鐵二號線（赤-鷺區間）盾構法施工，從事對德國海瑞克盾構機的維修工作。參加廣州地鐵三號線（天-五區間）盾構法施工，從事對機器設備的維護，管理工作。
聯系地址：廣州市東山區西牛北街85號701
郵政編碼：510075
聯系電話：020-87057192-615
13711281286
音叉式物位開關傳感器用于盾構機液壓油箱油位，膨潤土水箱水位的探測。本文詳細的介紹了音叉式物位開關傳感器工作原理，功能組成，并結合在盾構機上的使用情況，對現階段國際、國內該傳感器發展及應用情況進行對比，結合典型實例對音叉式物位開關傳感器的應用進行了研究。
關鍵詞：
音叉式物位開關傳感器
1、音叉式物位開關傳感器工作原理
音叉式物位開關工作原理根據物料對振動中的音叉有無阻力，探知料位是否到達或超過某高度，并發出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，不必校準，可快速低成本啟動。機械結構簡單，無機械運動部件，無維修、無磨損，運行壽命長，靈敏而可靠。
傳感器的音叉由彈性良好的金屬制成，材料一般使用不繡鋼，如SS316。金屬本身具有確定的固有頻率，如外加交變力的頻率與其固有頻率一致，則叉體處于共振狀態。由于周圍空氣對振動的阻尼微弱，金屬內部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅動功率就能維持較強的振動。
傳感器的音叉以固有的頻率振動，當音叉觸及液體或其他物料時，其固有的振動頻率降低，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減而停振，頻率的變化激活液位開關，產生通斷信號。
音叉式物位開關傳感器為了給音叉提供交變的驅動力，利用放大電路對壓電元件施加交變電場，靠逆壓電效應，產生機械力作用在叉體上。放大電路原理圖如圖（1）。用另外一組壓電元件的正壓電效應檢測振動，它把振動力轉變為微弱的交變電信號。再由電子放大器和移相電路，把檢振元件的信號放大，經過移相，施加到驅動元件上去，構成閉環振蕩器。在這個閉環中，既有機械能也有電能，叉體是其中的一個環節，倘若受到物料阻尼難以振動，正反饋的幅值和相位都將明顯地改變，破壞了振蕩條件，就會停振。只要在放大電路的輸出端接以適當的器件，不難得到開關信號。
音叉料位開關安裝時的叉體不一定裝在容器壁上，也可以從頂部伸入，根據所需控制的料位決定伸入長度。叉體的制造和裝配良好時，音叉可用于液位測量或控制，但不適合過分粘稠的漿料。
音叉式物位開關的方框圖如圖1。
圖1 音叉式液位傳感器
為了保護壓電元件免受物料損傷和粉塵污染，音叉式物位開關將驅動和檢振元件裝在叉體內部，經過金屬膜片傳遞振動。如圖2
圖2 壓電音叉體
圖4給出音叉料位開關信號放大電路的電路原理，商家提供產品及技術指導性的說明，一般不提供電路原理，但對于音叉料位開關技術來說，雖然型號繁多，從電子技術原理來分析，基本上差異不大。如圖4為信號放大電路，可能元件使用元件不同于本圖，但大致原理是相同的。
放大電路可由集成電路LM324構成，LM324是單電源四運算放大器，LM423采用14腳雙列直插塑料封裝，管腳排列如圖3。
圖3 LM324管腳排列
圖4 信號放大電路
圖4中A1擔任前置放大，A2為低通濾波，A3為移相電路，A4為電壓放大，圖中PZT2為采用具有兩個電極的壓電材料的驅動元件。PZT1為檢振元件，采用壓電晶體多諧振蕩器電路。由壓電晶體的阻抗頻率特性可知，電路的振蕩頻率只取決于晶體本身的諧振頻率，而和電路中的R、C的數值無關。各電路元件的參數一般按照固有頻率為300Hz的叉體設計。
圖4中的D3、D4為音叉式物位開關傳感器的狀態燈光顯示，D4用紅色發光管，D3則用綠色發光管，料位過高而停振時，D4亮而D3滅，料位正常叉體振蕩時D3亮，D4滅。用作下限報警時，可將D3，D4接法互換。
音叉式物位開關輸出形式：分NPN二線，NPN三線，NPN四線，PNP二線，PNP三線，PNP四線，DC二線，AC二線，AC五線(自帶繼電器)等幾種常用的形式輸出。以下主要是介紹PNP三線和AC二線(晶閘管)的輸出形式。
如圖（5）所示為AC二線(晶閘管)的輸出形式，一般用在需控制閘門或出料機械設備在料位過高時自動排放，可在圖（5）中可采用用固態繼電器SSR。SSR是有光電隔離的雙向晶閘管，它可以使交流電路通斷，由于是無觸點的，比繼電器或接觸器可靠。
圖5 晶閘管輸出電路
如果采用PLC的控制方式，則需在容器的上下方都裝叉體，實現自動進料或自動出料的邏輯控制，或者希望把料位越限信號遠傳到控制室，可以采用圖(6)的PNP三線輸出電路取代圖(5) AC二線(晶閘管)的輸出形式。當叉體振蕩時電源線上會有窄脈沖出現。在控制室里另有控制電路，它根據直流供電線上有無疊加的脈沖信號，判斷料位是否越限，并按要求使被控的進出料設備啟停。
2、實際應用
盾構機拖車2上帶有一個液壓油箱，在盾構機的控制要求，設油位最大、油位報警、油位最小三個信號輸出點，安裝有三個德國E+H公司的FTL260音叉式物位開關。
因音叉式物位開關傳感器的信號采集后傳輸到盾構機操作室的PLC數字量輸入模快，盾構機的控制系統采用的PLC采用的是西門子公司的S7-400的型號，其數字量輸入模快選用的是采集PNP三線輸出電路信號的輸入模塊。選用德國E+H公司的FTL260音叉式物位開關，輸出信號是PNP，三線制。可滿足盾構機對液壓油箱油位，膨潤土箱液位的控制要求，且不受被測介質絕緣性，泡沫，懸浮固體，氣泡，浪涌等影響，滿足使用要求。
由于進口音叉式液位開關供貨周期長，價格較高，目前國內可替代產品有
GLD－LTF－101音叉式物位開關傳感器，其性能可替代進口產品，可用于儲罐成管道中液體或泥漿物位的控制。
LTF101型音叉式物位開關傳感器其主要特征為：
液體或泥漿物位測量
PNP開關輸出
LED開關狀態指示
不銹鋼接濕材料
結構小巧，便于安裝
以下為兩種音叉式液位開關的性能比較。
在選用國產的產品代替進口的產品時，應注意其螺紋接口的尺寸和音叉式液位開關輸出信號的選擇。國內螺紋接口一般為公制，而進口的音叉式液位開關螺紋接口為英制。
對于輸出信號的選擇，應和廠家說明音叉式液位開關為PNP集電極開路或NPN集電極開路，二線制或三線制開關信號輸出。因為當音叉式液位開關的輸出信號不正確時，PLC不能采集到音叉式液位開關的輸入信號，造成對系統功能的影響。
3、結束語
音叉式物位開關傳感器是一種適應所有液體的限位開關，適用于防爆區、食品、藥品生產等各種環境，是一種新型的傳感器。在盾構機的維修中，作為維修人員，了解盾構機上使用的各種傳感器的工作原理，功能特點非常重要。盾構機上的傳感器由于工作環境較差，經常會出現故障，導致盾構機不能工作。了解的各種傳感器的工作原理，能對于出現的故障采取相對應的有效措施，保障機器的正常運行，也體現了維修人員的技術水平。
參考文獻
1、 清華大學電子教研組編，《數字電子技術基礎簡明教程》，高等教育出版社，1991
2、 王家楨、王俊杰，《傳感器與變送器》，清華大學出版社，高等教育出版社，1996
3、 紀綱、吳勤勤、顧生元，《數字顯示調節儀表原理及維修》，華東華工學院出版社，1992
作者簡介：
刁郁文，廣州盾建，助理工程師。參加廣州地鐵二號線（赤-鷺區間）盾構法施工，從事對德國海瑞克盾構機的維修工作。參加廣州地鐵三號線（天-五區間）盾構法施工，從事對機器設備的維護，管理工作。
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