數字式壓力開關裝置

摘 要:文章首先將數字式壓力開關與傳統壓力開關進行對比，總結了數字式壓力開關的優越性，接著指出了現有的數字式壓力開關在設計時存在的技術問題，提出了合理的解決方案以及可實現的創新點。最后分析了該行業的發展前景。

關鍵詞:數字式壓力開關 模糊控制 壓力傳感器 A/D轉換

1 數字式壓力開關的研究必要性分析

壓力開關是一種簡單的壓力控制裝置，廣泛用于壓力自動控制領域。通常應用在二次回路中，起到接通或者斷開的作用，以達到保護設備的目的。我們所說的壓力開關是現場壓力保護裝置，一旦系統壓力超出設定值則狀態變化，同時信號送到控制室或者就地控制柜，用來對裝置連鎖或報警。傳統壓力開關的工作原理是當被測壓力超過額定值時，彈性元件的自由端產生位移，直接或經過比較后推動開關元件，改變開關元件的通斷狀態，達到控制被測壓力的目的。新型的數字壓力開關的原理是采用壓力傳感器進行壓力采樣，采用壓力傳感器直接將非電量一壓力裝換成可直接測量的電量一電壓或電流，再通過信號調正電路對傳感器信號進行放大和規整處理，最后通過比較電路，使得該器件在所規定的壓力門限上，輸出電平是某一邏輯狀態，這個邏輯狀態可以送到某～微控制器，驅動后部電路或控制電開關。傳統的機械式壓力開關一般在零點到滿量程設定點之間有15%到30%的死區，而新型數字式壓力開關設定范圍則可由零點到滿量程之間任意調整，可以用來替代電接點壓力表，使用在工程控制要求比較高的系統上，是傳統機械式壓力開關的升級產品。

數字式壓力開關內置精密壓力傳感器，通過高精度儀表放大器放大壓力信號，通過高速MCU采集并處理數據，一般都是采用4位LED實時數顯壓力，繼電器信號輸出，上下限控制點可以自由設定，遲滯小，抗震動，響應快，穩定可靠，精度高(精度一般在±0.5%F.S，高則達±0.2%F.S)，利用回差設置可以有效保護壓力波動帶來的反復動作，保護控制設備，是檢測壓力、液位信號，實現壓力、液位監測和控制的高精度設備。

2 當前設計中擬解決的關鍵技術

2.1 軟硬件雙重濾波及模糊控制技術解決現有壓力開關易受干擾的問題。

2.2 內部12位高精度～D轉換器及4位LED顯示保證了測量時的高精度以及壓力設定的準確性。

2.3 電子開關管取代機械觸點，延長使用壽命、增加驅動能力、提高開關的響應速度，并能通過軟件選擇輸出節點的形式。

3 擬采用的方法、技術路線及創新突破點

3.1 采用的方法

3.1.1 傳統的壓力開關在壓力變化較大或有瞬間的波動時，往往會發生誤動作，而數字式壓力開關在硬件上采用了二階有源低通濾波器，該濾波器能有抑制工頻以下低頻率信號給電路造成的干擾。

同時在軟件的設計上采用了模糊控制和滑動平均數字濾波方法。在傳統的控制領域里，控制系統動態模式的精確與否是影響控制優劣的最主要關鍵，系統動態的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統，由于變量太多，往往難以正確的描述系統的動態。換言之傳統的控制理論對于明確系統有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以精確描述的系統，則顯得無能為力了，而壓力控制系統則是一個典型的復雜動態系統。利用模糊數學的基本思想和理論的控制方法，達到精確控制動態系統的目的。滑動平均數字濾波方法免去了復雜的數字濾波器設計，避免了傳統數字低通濾波器浮點數的運算。軟硬件的雙重保護有效避免了外界壓力波動時的誤動作問題。

3.1.2 傳統的壓力開關精度低、校準難在校驗時需反復進行試驗才能確定設定值。本產品采用了羅克韋爾公司生產的帶有溫度補償的高精度壓力傳感器，該傳感器具有高精度、高穩定性、抗高過壓和高靜壓(耐壓16MPa)、量程遷移比大等特點。保證了壓力測量的準確性，無需多次校準。傳統的壓力開關由于選擇的量程不精確，設備的壓力在某特定的條件下超過了壓力開關的耐壓值，并維持了一定的時間，使壓力開關超負荷工作，損壞的幾率肯定很大。數字式壓力開關用戶在設定壓力范圍時，數碼管顯示當前設定值，可以確保設定的準確和方便。

3.1.3 傳統的壓力開關由于采用機械觸點，一般具有較長的動作時間，長期工作時，由于觸點頻繁動作，還會使觸點老化。此外在有觸點電器中，觸頭接通和分斷電流的過程中往往伴隨著氣體放電現象——電弧的產生及熄滅，電弧對電器具有一定的危害。在開關接觸的時候，產生電弧，不能及時滅掉，而電弧的能量極有可能燒毀觸點，無法達到理想的開關效果，并且使用壽命縮短。而數字式壓力開關一般采用3安電流的電子開關管，不但增加了驅動能力，動作時間縮短為納秒級(幾乎可以忽略)，同時使壽命大大提高，是傳統式開關所無法比擬的。而且具有較高的靈活性，用戶使用時可以根據現場要求，通過軟件來設定輸出節點的形式(常開或常閉)。

3.2 特色和創新突破點

3.2.1 采用buck降壓電路，該電路具有效率高、體積小、穩定性強、輸出電壓可調節范圍大等優點，降低了系統的功耗，使電壓輸入范圍變寬(調節范圍:6-36v)。

3.2.2 采用無觸點大功率開關管控制電磁閥，能使開關響應速度快，使用壽命變長，驅動能力達到3A，另外帶有兩路獨立的開關量輸出，可同時對兩路輸出分別設定上下限參數。

3.2.3 使用ATMEL公司的AVR單片機，該單片機帶有低電壓復位，內部看門狗等功能，提高壓力開關的可靠性。同時AVR單片機的時鐘系統為了降低功耗，可以通過使用不同的睡眠模式來禁止無需工作的模塊的時鐘，如“電源管理及睡眠模式”，使單片機的功耗降到最低。壓力信號使用差分放大器進行放大，有效抑制了工業現場容易出現的共模干擾。

3.2.4 采用高精度A /D轉換器，通常的模數轉換器是將一個輸入電醫信號轉換為一個輸出的數字信號。模數轉換器最重要的參數是轉換的精度，通常用輸出的數字信號的位數的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數字信號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。數字式壓力開關中采用的高精度～D轉換器提高了轉換精度，測量誤差在萬分之五以內。

3.2.5 外型小巧精致，安裝使用方便，多種接線、接口型式可供用戶任意選擇。

3.2.6 采用國際先進的焊接工藝設備，密封性能好，無泄漏。能夠滿足高精度壓力采集、控制和報警需求，滿足腐蝕性、沖擊性、震動性等場所壓力控制需求。

3.3 技術指標:

①電源電壓:6-36V Dc±25%

②額定壓力范圍:0—1Mpa:

③設定壓力范圍:0～1Mpa:

④設定/顯示分辨率，0.001Mpa:

⑤空載消耗電流:45mA以下:

⑥環境溫度范圍0-60℃:

⑦輸出電流:0-3A:

4 小結

數字式壓力開關采用了AVR單片機，保證了開關工作的可靠性，采用了模糊控制理論有效避免了壓力波動時帶來的誤動作問題，采用高精度A，D轉換提高了工作的精度，使用大功率無觸點開關延長了使用壽命，與傳統的機械式壓力開關相比具有極大的優越性。數字壓力開關的研制成功，填補了我國在這個方面的技術空白，使我國具有自主知識產權，技術水平逐步接近國際領先。實現了較大的社會和經濟效益，對該產業具有帶動和提升作用。具有較大的市場和開發前景。

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