一種無觸點電接點壓力表的實現

電接點壓力表在其控制開關處易產生電火花致使開關觸點炭化和腐蝕，從而影響其使用壽命和可靠性差。針對普通電接點壓力表這一缺陷，提出一種無 觸點電接點壓力表的設計方案。通過改變傳統機械觸點控制開關的結構，采用全電子化無觸點開關可消除儀表在工作過程中產生的電火花，延長儀表的使用壽 命，提高儀表的開關速度和可靠性。普通電接點壓力表經改裝后進行試驗，測試結果驗證了此方案的可行性。除一般場合外，該方案還可直接用于易燃易爆等特 殊場合。

1.引言

在工業控制領域，經常需要對設備的 壓力參數進行測量。電接點壓力表則常用于 測量和控制各種管道和容器中的液體、氣體 或蒸汽的壓力及真空。電接點壓力表是一種 現場指示、控制儀表，屬自動化儀表范疇， 其一般精度等級為1.0-4.0級。

2.無觸點電接點壓力表概述

2.1電接點壓力表的工作原理及存在問題

電接點壓力表是由彈簧管壓力表加裝 電氣接點開關所組成，除可指示壓力的大小 外，還用于發出壓力越限信號。其測壓原理 是基于測量系統中的彈簧管在被測介質的壓 力作用下，迫使彈簧管末端產生相應的彈性 變形。固定在機芯齒輪上的指針將被測值在 度盤上指示出來；與此同時，帶動接點觸頭 產生相應閉合或斷開的動作以使控壓系統中 的電路得以接通或斷開，從而實現自動控制 報警和現場指示的目的。

目前國內電接點壓力表的準確度、彈 性元件的抗疲勞度等技術性能指標均己達到 較高的水準，但由于在實際使用中，壓力表 電接點觸點的負載大都為感性負載，在觸點 通斷瞬間，均會產生電弧，使觸點灼蝕甚至 燒結在一起，以至于失效、損壞。

2.2無觸點電接點壓力表 為解決普通電接點壓力表存在的問 題，本設計取消了電接點壓力表中的機械觸 點（銀觸點或磁助式電觸點）。分別在上限 設定指針和下限設定指針的適當位置上各安 裝一只霍爾磁敏集成開關，在原動觸點轉臂 適當位置上安裝一只體積較小的高磁能積永 磁鐵，兩者組成一組無觸點控制開關。調節 上限指針指示的壓力值即可設定控制上限， 調節下限指針指示的壓力值即可設定控制下 限，兩指針所指示的壓力差即為控制區間。

在電路設計上，為了保證霍爾磁敏集 成開關觸發后不因永磁鐵位置的變化而使電 路狀態發生變化，采用CMOS與非門集成電路 組成具有記憶功能的Rs觸發器[3]。由于CMOS 集成電路的輸出電流有限、帶負載能力弱， 因此需要在其輸出端連接一只高增益達林頓 管，給后續電路提供足夠的工作電流。

2.3霍爾磁敏集成電路 霍爾集成電路是一種集成化的磁敏傳感器。它是把霍爾元件、差分放大器、施密 特觸發器和輸出器四部分做在同一硅片上的 磁電轉換集成器件。輸入為磁感應強度，輸 出為電信號。其輸出的電信號隨著檢測到的 磁感應強度的增減而變化。作為開關霍爾 傳感器來應用的霍爾集成電路，其變化是數 字的，即輸出電信號與磁感應強度呈開關 狀態關系�；魻柤�成電路的輸出可以直接 驅動HL、CMOS等集成電路和各種類型大、 中、小晶體管。

霍爾開關集成電路可用于：無觸點開 關、位置傳感、旋轉傳感、自動檢測控制 等�；魻栭_關集成電路應用特點為：無觸 點、長壽命、高可靠、無火花、無自激振 蕩、工作頻率寬�？刮勰芰�強，抗干擾能力 強，負載能力強。輸出數字化，結構簡單、 堅固、體積小安裝方便等。

3.機械結構及原理簡介

對普通電接點壓力表進行改裝，改裝 完成后的內部結構如圖1所示。它是由引壓 接頭1、彈簧管2、壓力測試指針3、擋塊4、 止釘5、下限設定指針6、固定在6上的霍爾 磁敏集成開關7 (Iq)、裝固在9上的永磁鐵8、轉臂9、調節9轉動力矩的游絲10、裝 固在12上的霍爾磁敏集成開關11 (Ic2)、 上限設定指針12、機芯連桿機構13所組成。

工作初始階段，永磁鐵8和轉臂9在游 絲10彈簧力的作用下緊靠著設定指針6上的 止釘5。此時霍爾磁敏集成開關7處于觸發導 通狀態，無觸點開關導通，負載得電工作。 當系統壓力上升，彈簧管2端部的位移通過 機芯連桿機構13帶動，使指針3轉動。當指針3指到下限設定指針6所指的壓力值時，永 磁鐵8和轉臂9在指針3上擋塊4的推動下，隨 壓力的上升一起轉動。當指針3隨壓力的進一步上升，指到上限設定指針12所指的壓力 值時，永磁鐵8觸發霍爾磁敏集成開關11導 通。無觸點開關關斷使負載失電，壓力源動 力停止工作。壓力下降時永磁鐵8轉臂9在游 絲10彈簧力的作用下隨指針3—起移動。當 系統壓力下降到下限設定值時，永磁鐵8觸 發7再次導通，無觸點開關導通負載得電， 壓力源動力重新工作。如此反復，達到測量 和控制的目的。根據工作需要設定指針6、 12可在全量程范圍內任意設定。

4.電路原理圖及簡介

控制電路需實現的基本功能為：當系 統壓力低于下限設定值時，需要在達林頓管 T的基極輸入高電平使其導通，從而負載得 電開始工作。在系統壓力達到上限設定值 前，電路應當使負載保持工作狀態。當系統 壓力高于上限設定值時，在達林頓管T的基 極輸入低電平使其截止，此時負載失電停止 工作，系統壓力逐漸下降直至壓力降至下限 設定值。當系統壓力降至下限設定值時，應 當使達林頓管T的基極再次獲得高電平并導 通，負載得電工作。以上便是電路的一個工 作周期。

需求電路的工作邏輯正好對應了Rs觸 發器具有的邏輯功能。因此可以用Rs觸發器 來實現本裝置的核心控制電路。電路的工作 狀態可以用表1詳細描述，該表與Rs觸發器 的真值表完全對應。

本設計的電路原理圖如圖2所示。它主 要包含的元器件及功能：直流極性保護二 極管D用于濾波穩壓的電容和穩壓二極管 C1、C2、DW；霍爾磁敏集成開關Iq、Ic2； 與非門組成的Rs觸發器。3達林頓管T光 電耦合器Ic4雙向可控硅SCR及用于過壓保 護的壓敏電阻VR。

圖2電路中，通過光電耦合器Iq將交流 控制電源與直流工作電源隔離，增加了電路 的抗干擾性能和安全性。為進一步提高儀表 的可靠性，在SCR兩端增加了R” C3緩沖保 護網絡和VR壓敏電阻，以防SCR因浪涌電壓 過高而發生擊穿。

5.實驗裝置的制作

選用一只0 150，規格為16MPa的電接 點壓力表。具體實驗裝置的制作步驟如下： (1)將其下限設定指針和上限設定指針拆下 并去掉銀觸點或磁助觸點，重新制作2個銅 質上、下限設定指針如圖3、圖4。（2)在其 針上設置安裝霍爾磁敏集成開關Iq、。2用 的裝夾卡，將Iq安裝在下限設定指針6上， Ic2裝固在上限設定指針12上。（3)在下限設 定指針6的適當位置上鉚接好止釘5。（4)去 掉原表上的兩動觸點及轉臂，重新制作一個 可裝固永磁鐵8的銅質轉臂9見圖3、圖4。 (5)將游絲10—端固定，另一端與轉臂9相 連，并調整好力矩。（6)將改裝好的設定指 針6、12及轉臂9一起裝回原支架，再將支架 部件重新安裝到電接點壓力表中。至此，設 計的無觸點電接點壓力表的機械部分制作完 成。

印刷電路板的尺寸選擇小于48 X 30mm 為宜，將焊接好元器件的PCB板安裝至表內 空隙處即可完成整個實驗裝置的制作。主 要電器元件的選擇：Iq、Ic2可選用UGS— 3120T或UGS—3020T型號的霍爾磁敏集成 開關；Ic3選擇CD4011兩輸入端四與非門； L使用型號為MOC3041的光耦。關于SCR雙 向可控硅的選擇：當控制對象電源電壓為 220V時，選擇額定正向平均電流和耐壓值為 6A/600V的雙向可控硅。當控制對象電源電 壓為380V時，選取參數為6A/1200V—1500V 的雙向可控硅。其它元器件根據具體情況計 算后進行選擇。

6.結束語

本設計測量和控制構件之間沒有機械 接觸，所以無機械磨損且解決了一般電接點 壓力表在機械觸點處產生電火花的問題。此 外普通電接點壓力表在開關動作時，均不同 程度地存在微小的機械來回位移和回彈，使 被控對象產生頻繁的重復動作，特別是在有 振動的場合更是如此。無觸點電接點壓力表 由于開關一旦動作不會因微小的機械位移、 回彈而發生頻繁的重復動作，這一優點是普 通電接點壓力表無法比擬的。由于無觸點電 接點壓力表具有上述優勢，故其在工業生產 中具有較高的實用價值。