音叉式物位開關(guān)在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用
音叉式物位開關(guān)傳感器用于盾構(gòu)機(jī)液壓油箱油位，膨潤(rùn)土水箱水位的探測(cè)。本文詳細(xì)的介紹了音叉式物位開關(guān)傳感器工作原理，功能組成，并結(jié)合在盾構(gòu)機(jī)上的使用情況，對(duì)現(xiàn)階段國(guó)際、國(guó)內(nèi)該傳感器發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合典型實(shí)例對(duì)音叉式物位開關(guān)傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了研究。
1、音叉式物位開關(guān)傳感器工作原理
音叉式物位開關(guān)工作原理根據(jù)物料對(duì)振動(dòng)中的音叉有無(wú)阻力，探知料位是否到達(dá)或超過某高度，并發(fā)出通斷信號(hào)，這種原理不需要大幅度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，不必校準(zhǔn)，可快速低成本啟動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)維修、無(wú)磨損，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，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(tài)。由于周圍空氣對(duì)振動(dòng)的阻尼微弱，金屬內(nèi)部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅(qū)動(dòng)功率就能維持較強(qiáng)的振動(dòng)。
傳感器的音叉以固有的頻率振動(dòng)，當(dāng)音叉觸及液體或其他物料時(shí)，其固有的振動(dòng)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(guān)，產(chǎn)生通斷信號(hào)。
音叉式物位開關(guān)傳感器為了給音叉提供交變的驅(qū)動(dòng)力，利用放大電路對(duì)壓電元件施加交變電場(chǎng)，靠逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)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(yīng)檢測(cè)振動(dòng)，它把振動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯慕蛔冸娦盘?hào)。再由電子放大器和移相電路，把檢振元件的信號(hào)放大，經(jīng)過移相，施加到驅(qū)動(dòng)元件上去，構(gòu)成閉環(huán)振蕩器。在這個(gè)閉環(huán)中，既有機(jī)械能也有電能，叉體是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，倘若受到物料阻尼難以振動(dòng)，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(huì)停振。只要在放大電路的輸出端接以適當(dāng)?shù)钠骷浑y得到開關(guān)信號(hào)。
音叉料位開關(guān)安裝時(shí)的叉體不一定裝在容器壁上，也可以從頂部伸入，根據(jù)所需控制的料位決定伸入長(zhǎng)度。叉體的制造和裝配良好時(shí)，音叉可用于液位測(cè)量或控制，但不適合過分粘稠的漿料。
音叉式物位開關(guān)的方框圖如圖1。
圖1 音叉式液位傳感器 為了保護(hù)壓電元件免受物料損傷和粉塵污染，音叉式物位開關(guān)將驅(qū)動(dòng)和檢振元件裝在叉體內(nèi)部，經(jīng)過金屬膜片傳遞振動(dòng)。如圖2
圖2 壓電音叉體
圖4給出音叉料位開關(guān)信號(hào)放大電路的電路原理，商家提供產(chǎn)品及技術(shù)指導(dǎo)性的說(shuō)明，一般不提供電路原理，但對(duì)于音叉料位開關(guān)技術(shù)來(lái)說(shuō)，雖然型號(hào)繁多，從電子技術(shù)原理來(lái)分析，基本上差異不大。如圖4為信號(hào)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(gòu)成，LM324是單電源四運(yùn)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(hào)放大電路
圖4中A1擔(dān)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(gè)電極的壓電材料的驅(qū)動(dòng)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(shù)值無(wú)關(guān)。各電路元件的參數(shù)一般按照固有頻率為300Hz的叉體設(shè)計(jì)。
圖4中的D3、D4為音叉式物位開關(guān)傳感器的狀態(tài)燈光顯示，D4用紅色發(fā)光管，D3則用綠色發(fā)光管，料位過高而停振時(shí)，D4亮而D3滅，料位正常叉體振蕩時(shí)D3亮，D4滅。用作下限報(bào)警時(shí)，可將D3，D4接法互換。
音叉式物位開關(guān)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(jī)械設(shè)備在料位過高時(shí)自動(dòng)排放，可在圖（5）中可采用用固態(tài)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(wú)觸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料或自動(dòng)出料的邏輯控制，或者希望把料位越限信號(hào)遠(yuǎn)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(dāng)叉體振蕩時(shí)電源線上會(huì)有窄脈沖出現(xiàn)。在控制室里另有控制電路，它根據(jù)直流供電線上有無(wú)疊加的脈沖信號(hào)，判斷料位是否越限，并按要求使被控的進(jìn)出料設(shè)備啟停。
2、實(shí)際應(yīng)用
盾構(gòu)機(jī)拖車2上帶有一個(gè)液壓油箱，在盾構(gòu)機(jī)的控制要求，設(shè)油位*大、油位報(bào)警、油位*小三個(gè)信號(hào)輸出點(diǎn)，安裝有三個(gè)德國(guó)E+H公司的FTL260音叉式物位開關(guān)。
因音叉式物位開關(guān)傳感器的信號(hào)采集后傳輸?shù)?/span>盾構(gòu)機(jī)操作室的PLC數(shù)字量輸入模快，盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)采用的PLC采用的是西門子公司的S7-400的型號(hào)，其數(shù)字量輸入模快選用的是采集PNP三線輸出電路信號(hào)的輸入模塊。選用德國(guó)E+H公司的FTL260音叉式物位開關(guān)，輸出信號(hào)是PNP，三線制。可滿足盾構(gòu)機(jī)對(duì)液壓油箱油位，膨潤(rùn)土箱液位的控制要求，且不受被測(cè)介質(zhì)絕緣性，泡沫，懸浮固體，氣泡，浪涌等影響，滿足使用要求。
GLD－LTF－101音叉式物位開關(guān)傳感器, 可用于儲(chǔ)罐成管道中液體或泥漿物位的控制。
LTF101型音叉式物位開關(guān)傳感器其主要特征為：
液體或泥漿物位測(cè)量
PNP開關(guān)輸出
LED開關(guān)狀態(tài)指示
不銹鋼接濕材料
結(jié)構(gòu)小巧，便于安裝
以下為兩種音叉式液位開關(guān)的性能比較。
在選用國(guó)產(chǎn)的產(chǎn)品代替進(jìn)口的產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)注意其螺紋接口的尺寸和音叉式液位開關(guān)輸出信號(hào)的選擇。國(guó)內(nèi)螺紋接口一般為公制，而進(jìn)口的音叉式液位開關(guān)螺紋接口為英制。
對(duì)于輸出信號(hào)的選擇，應(yīng)和廠家說(shuō)明音叉式液位開關(guān)為PNP集電極開路或NPN集電極開路，二線制或三線制開關(guān)信號(hào)輸出。因?yàn)楫?dāng)音叉式液位開關(guān)的輸出信號(hào)不正確時(shí)，PLC不能采集到音叉式液位開關(guān)的輸入信號(hào)，造成對(duì)系統(tǒng)功能的影響。
音叉式物位開關(guān)傳感器是一種適應(yīng)所有液體的限位開關(guān)，適用于防爆區(qū)、食品、藥品生產(chǎn)等各種環(huán)境，是一種新型的傳感器。在盾構(gòu)機(jī)的維修中，作為維修人員，了解盾構(gòu)機(jī)上使用的各種傳感器的工作原理，功能特點(diǎn)非常重要。
北京艾凡鵬儀表有限公司
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