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  应用科技  2018, Vol. 45 Issue (5): 87-90, 86  DOI: 10.11991/yykj.201803005
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引用本文  

吴凌慧, 徐冬. 具有在线监测功能的钠钾合金差压传感器的设计[J]. 应用科技, 2018, 45(5), 87-90, 86. DOI: 10.11991/yykj.201803005.
WU Linghu, XU Dong. Design of Na-K alloy differential pressure sensor with on-line monitoring function[J]. Applied Science and Technology, 2018, 45(5), 87-90, 86. DOI: 10.11991/yykj.201803005.

通信作者

徐冬,E-mail:xudong_1114@126.com

作者简介

吴凌慧(1978–),女,高级工程师

文章历史

收稿日期:2018-03-13
网络出版日期:2018-04-13
具有在线监测功能的钠钾合金差压传感器的设计
吴凌慧, 徐冬    
中国电子科技集团公司 第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:由于碱金属的熔点较高,并且金属活动性较强,常见的压力传感器无法进行测量。设计了一种用于液态碱金属压力测量的差动变压器式差压传感器,介绍了传感器的工作原理和具体设计方案,可以根据需要输出标准电流信号4~20 mA或数字通讯RS485,并可通过LAN接口实现远程监控和数据优化等功能。
关键词波纹管    差压传感器    弹簧    高温    在线监测    液态金属    差动变压器    并联机构    
Design of Na-K alloy differential pressure sensor with on-line monitoring function
WU Linghu, XU Dong    
No.49th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001, China
Abstract: The alkali metal can hardly be measured by common pressure sensor because of its higher melting point and strong metal activity. This paper designs a differential transformer type of differential pressure sensor for measuring liquid alkali metal pressure, introduces the working principle and specific design plan of the sensor, The sensor can output standard current signal of 4-20 mA or digital communication of RS485 according to the needs, and realize the functions of remote monitoring and data optimization through the LAN interface.
Keywords: bellows    differential pressure sensor    spring    high temperature    on-line monitoring    liquid metal    differential transformer    parallel mechanism    

随着传感器技术的发展,压力传感器被越来越多的应用于石油化工、发动机、火药爆破等压力测量领域,由于碱金属熔点高达500~600℃,此温度条件下进行液态金属压力测量十分困难,并且因为碱金属活动性较强,在高温状态下极易与金属外壳产生强烈的化学反应,常规的压力测试手段无法适应如此恶劣的环境。为此,本文设计了一种适合高温恶劣环境压力测量的差压传感器。

差压传感器是一种用来测量2个压力之间差值的传感器,通常将2个压力输入口接至感压膜片的两侧,利用膜片的形变带动后端检测单元实现位移量至电量的转换。检测单元采用差动变压器,特点是灵敏度高、分辨率大,能测出0.1 μm量级的位移变化。该差压传感器感压元件和检测单元均为性能稳定的金属材料,特别适合高温高压、环境恶劣或者无法确定被测介质的成分等未知条件下压力的测量[1-2]

1 传感器工作原理

该差压传感器的工作原理为:利用双波纹管复合弹簧组件感受两端压力差并带动中心连杆移动,安装在连杆上的铁芯随之产生轴向位移偏离差动变压器的中心,导致2个次级线圈之间的互感发生变化,感应电动势的差值不再为零,输出电压与压力差呈线性对应关系[3],传感器工作原理框图如图1所示。

为了测量常温固态的液态金属,差压传感器感压腔外部设有加热器及保温结构,感压腔配备温控单元实时测量感压腔的温度,并将温度信号传至采集模块供后期数据处理。在标定过程中,需要记录不同温度下的差压值与位移的对应关系[4-5],并将结果存储于单片机内,各处理单元计算时间≤100 ms。

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图 1 传感器原理框图
2 设计方案 2.1 感压腔设计

差压传感器包含左右2个感压腔,每个感压腔内都含有一组波纹管复合弹簧机构,即每个感压腔形成一个弹簧并联机构,而两端感压腔形成另一个弹簧并联机构。为了简化设计,将两端波纹管和弹簧设计成同一规格,结构原理如图2所示。

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图 2 总体结构原理

根据弹簧并联机构公式可知:

$K = 2{K_o} = 2\left( {{K_p} + {K_s}} \right)$

式中:K为总体结构刚度值, $K_o$ 为单端感压腔总体刚度值, ${K_p}$ 为波纹管刚度值, ${K_s}$ 为弹簧刚度值。

基于测试安全性和传感器技术指标综合考虑,令弹簧作为传感器的敏感元件,波纹管安装在弹簧外侧负责隔离被测液体,波纹管材料选择耐腐蚀性较强的316 L,由于波纹管会消耗掉部分分辨率,因此波纹管不易设计太厚。根据相关文献可知,液态碱金属与316 L可发生氧化反应,产生的氧化物厚度约0.08 mm。综合考虑将波纹管壁厚设计为0.2 mm,单波轴向刚度32.53 N/mm,共20个波峰,有效面积为4.15 cm2。即单端波纹管的刚度值为[6]

${K_p} = 32.53/20 = 1.627\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

总体结构刚度为

$K = \frac{F}{x} = \frac{{250 \times {{10}^3} \times 4.15 \times {{10}^{ - 4}}}}{{2 \times {{10}^{ - 3}}}} = 51.9\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

则弹簧刚度为

${K_s} = {K_o} - {K_P} = 24.31\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

为了提高传感器的测量精度,将敏感元件设计成矩形截面螺旋弹簧结构,这种弹簧具有蓄存能量大、压并高度低、压缩量大等特点,由于其特性曲线更接近于直线,因此矩形截面弹簧更适合做高精度的弹性元件。设计时可利用ANSYS软件进行优化设计,感压腔结构示意如图3所示。

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图 3 感压腔结构示意
2.2 差动变压器设计

为了提高传感器的灵敏度,将差动变压器骨架设计成一段式,首先在线圈骨架上均匀密绕初级线圈,然后对称缠绕次级线圈形成阶梯型并且反向串接。骨架选用陶瓷材料以便适应高温环境,并在线圈外侧用坡莫合金作屏蔽层以防止干扰信号的影响[7-8]

在调试阶段,需要对差动变压器进行温度补偿和零点补偿。进行温度补偿时,可在初级回路中串联一个高阻值的降压电阻,此时激励回路中电阻值为

$R = \frac{{{R_T}{R_i}}}{{{R_T} + {R_i}}} = \frac{{{R_i}}}{{1 + {R_i}/{R_T}}}$

${R_i}/{R_T} \ll 1$ 时,则有 $R≈R_i$ ,从而使回路电流保持不变,使温度误差得到补偿,如图4所示[9]

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图 4 温度补偿和零位补偿电路

由于加工精度和绕线工艺的限制,无法保证次级线圈完全对称,致使零位电压 ${\dot U_0} \ne 0$ 。为了减小零位电压,结构上可采用调节端盖,来提高磁路的对称性(如图5所示),并在次级线圈两端并联调零电阻和电容(如图4所示)[10]

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图 5 带可调节端盖的差动变压器
2.3 在线监测系统设计

系统机箱内主要由差压传感器及其加热装置、2路温度传感器、滤波器、电源模块、采集模块、控制模块组成,如图 6所示。监测系统由220 VAC供电,电源信号首先通过滤波器对干扰信号进行有效滤除,信号从滤波器出来分成两路,一路直接接入加热装置进行供电;另一路经过电源模块,输出+24 V电压,为主机内部及各传感器供电。采集模块将采集到的传感器数据通过RS485总线传输给控制模块。控制模块将所有传感器数据总体打包处理,通过LAN接口发送给控制室,在上位机程序中进行实时远程监控与优化处理。同时,各传感器数据可在前面板的液晶显示屏上进行现场显示[11-12]

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图 6 在线监测系统结构
3 测试结果与性能分析

根据设计方案研制生产了1只量程为0~250 kPa的差压传感器,并将加热装置安装在感压腔外侧,整体安装在系统机箱中,确保引压管密封良好后插入220 VAC电源,打开前面板的电源开关,缓慢注入钠钾合金。标定时需将两端引压管分别接入两台精度更高的FLUKE标准压力测控仪,目测液晶显示屏的压力值,记录电流输出值,并通过上位机软件监测传感器输出值,如表1所示。该传感器的分辨率达到0.1 kPa,测量精度达到0.5%,完全满足使用要求。

表 1 传感器标定数据
4 结论

1)液态金属感压元件采用波纹管复合弹簧机构,并利用弹簧并联机构实现差压测量,波纹管采用挤压成型金属波纹管,弹簧设计成矩形截面以增加刚度,提高传感器的线性度。

2)采用差动变压器作为检测元件,并对差动变压器进行温度补偿和零位补偿,在差动变压器外侧用坡莫合金作屏蔽层以防止干扰信号的影响。

3)为了配合现场测试和远传,将传感器和信号采集系统整体安装在机箱内,并在感压元件处设计了加热保温装置,以防止液态金属凝固。机箱面板安装液晶显示屏可进行现场显示,通过对多路传感器的信号采集和远传,操作者可以在控制室对被测系统进行实时在线的查看和监测,实现了对被测系统的智能化管理,大大提高了安全性和可操作性。该传感器可广泛应用于石油、化工及国防等各领域的压力测量和压力控制。

参考文献
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