防雷變送器的制作探討

摘要：針對一般變送器耐過壓和過電流能力差、絕緣強度低、易遭雷擊損壞的特點，文章介紹了一種抗浪涌電流沖擊、抗雷電電磁干擾變送器的制作方案，給出了制作材料及過程、三重防雷電路，達到了防雷的目的。

關鍵詞：變送器；共聚聚丙烯；熱熔接；高絕緣；浪涌電流；三重防雷 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM86 文章編號：1009-2374（2015）15-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.067

1 概述

隨著科技的進步，智能化、自動控制工程對變送器的需求越來越多，特殊環境下使用的變送器也有一定的需求。為了能夠適應復雜環境條件下壓力、液位測量，尤其是無人值守、維護不便的野外地區，山澗給水、高位易受雷擊環境的測量工程。我們探討高絕緣防雷壓力變送器的制作。

雷電是一種高速、高能量的短脈沖，它以不同的途徑侵入變送器的內部電路，輕者干擾變送器的正常運行，重則使變送器失效。一般的防雷變送器，往往耐過壓和過電流能力差，絕緣強度低，它們多為金屬殼體，容易引來雷電襲擊，且被測介質與傳感器膜片直接接觸，達不到高絕緣的要求。本文介紹的變送器外殼是由共聚聚丙烯（PPR）熔接而成，內部設置三重防雷電路，構成一種高絕緣的防雷壓力變送器。

根據IEEEC62.41-1991標準規定，雷電電流沖擊可用8/20μs脈沖波形來模擬如圖1所示。雷電流幅值的概率曲線如圖2所示。大約50%的概率出線在40多kA。實際上，根據大量統計，大部分浪涌電流的幅度在10kA

左右。

雷電對變送器的危害，除了直接作用于變送器殼體外，還有一條重要途徑是變送器的電源即信號傳輸線（二線制）產生的過壓或過流。

圖1 用8/20μs脈沖波形模擬雷電電流沖擊

圖2 雷電流幅值的概率曲線圖

2 防雷變送器的制作材料論述

壓力變送器是介質壓力作用在傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微小位移，使傳感器的電阻發生變化，用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。本文介紹的防雷壓力變送器采用擴散硅注油芯體，配套帶有零點、滿量程補償、溫度補償電路，轉換電路、防雷電路，將被測量介質的壓力轉換成4～20mA標準電信號。過去有些廠家給普通變送器配上電源防雷器和信號防雷器，可以達到良好的效果，但是成本高，過于繁雜。也有的廠家采用聚四氟乙烯（PTFE）外殼做防雷變送器，但其價格昂貴，聚四氟乙烯材料的價格大概是共聚聚丙烯的4倍，并且聚四氟乙烯不能熱熔接。

本文介紹的變送器是用無規共聚聚丙烯（PPR）作為殼體制作的材料。它是聚丙烯的一種，原料分子只有碳、氫元素，沒有有害有毒的元素存在，它的高分子鏈的基本結構可加進不同種類的單體分子加以改進。乙烯是最常用的單體，它能引起聚丙烯物理性質的改變。PPR是將丙烯及乙烯單體混合在一起聚合，在聚合物主鏈上無規則地分布著丙烯單體或乙烯單體反應后的鏈段。乙烯鏈段的存在使共聚物無法結晶，即使乙烯含量很少，也會使聚丙烯的結晶能力大大降低。實驗表明隨著乙烯含量的增加，抗沖擊強度增加。因此PPR的特性是結晶度低、透明性好、質輕、價廉、沖擊強度高，具有良好的機械加工性能；具有很好的電性能：高介電強度，低介電常數和低損耗因子；此外，它還具有良好的耐化學性能、良好的熱熔接性能，其連接處分子與分子完全融合在一起，材料可回收利用。

3 防雷變送器的制作特點

第一，注油芯體壓力傳感器裝在共聚聚丙烯殼體內，芯體前面注入獨特配方的硅凝膠，達到芯體膜片與被測介質絕緣的目的，該硅凝膠呈果凍狀，可傳遞壓力，不影響傳感器對壓力的測量。

第二，傳感器前部接頭螺紋如果也用共聚聚丙烯材料，由于塑料螺紋承受壓力的強度低，易損壞，特別是多次緊固后螺紋部分常常有損壞，因此螺紋部分我們選用不銹鋼材料，并鑲嵌在共聚聚丙烯材料之中，可用模具熱壓成型。也可選用建材商店很容易買到的金屬螺紋與共聚聚丙烯壓在一起的成品接頭，其螺紋一般為G1/2。

第三，對于共聚聚丙烯殼體的熱熔接，可以用塑料管道熔接器，外加一些輔助工具實現；絕緣液位出線的密封采用雙密封圈，中間加墊片的方式進行。

第四，對于防雷電路板的設計，針對雷雨季節浪涌對變送器的侵害，在已有線路的基礎上，綜合多方面的經驗做了一些改進，使其功能完善、體積小，構成了三重防雷電路。該電路完全能滿足國家標準《浪涌沖擊抗擾度試驗標準（GB/T17626.5-1999）》的要求。電路原理如圖3所示：

圖3 防雷變送器三重防雷電原理圖

對于三重防雷設計第一級電路由三個陶瓷氣體放電管構成，選擇擊穿電壓為800V的陶瓷氣體放電管，在雷電電磁干擾到來之際，當瞬間雷擊電壓高于800V時，三個陶瓷氣體放電管相當于短路，使大部分的浪涌沖擊能量在第一級放電管中釋放。陶瓷氣體放電管擊穿放電時間通常≤2μs，比雷擊電流數十微秒的時間要短，因此能保護元器件免造雷擊損壞。在第一級后設置兩個自恢復保險絲，它具有壓敏特性，有浪涌電壓時，可增大變送器的輸入阻抗，延緩浪涌電壓對第二級電路的沖擊，陶瓷氣體放電管具有陡峭的電壓非線性，這一級中可以釋放約80%的浪涌沖擊能量；第二級電路由三個玻璃放電管構成，選擇擊穿電壓為140V的玻璃放電管，當電壓高于140V時玻璃放電管導通放電，在第二級，玻璃放電管具有≤10ns的反應時間，經過第二級浪涌沖擊能量絕大多數都已釋放完，使第三級承受的感應殘壓、殘流很小；第三級電路由三個瞬態電壓抑制器-TVS管構成，TVS管具有≤1ns的反應時間。我們選擇擊穿電壓為36V的TVS放電管，當電壓高于36V時TVS管導通放電，使兩級間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護后部電路中的元器件免受各種浪涌脈沖的損壞，也就是說TVS管瞬間可以把產生的高壓穩定到指定電壓。

當然防雷設計應以相關防雷規范為依據，進行綜合防雷設計，特別是接地要可靠，地線布局要合理。

本文介紹的防雷壓力變送器，主要是正對感應雷的防護，對于直擊雷是無效的。由于受到元器件及共聚聚丙烯材料性能的影響，本文介紹的防雷變送器工作溫度應小于等于80℃。

4 防雷變送器的制作工藝

防雷變送器的結構如圖4所示：

圖4 防雷變送器結構裝配示意圖

第一，將不銹鋼材料的螺紋部分鑲嵌在共聚聚丙烯材料之中，可用模具熱壓成型，也可選用建材商店很容易買到的金屬螺紋與共聚聚丙烯壓在一起的成品接頭。用成品接頭制作的防雷變送器如圖5，其內部結構與圖4相似。

圖5 用外購成品接頭制作的防雷壓力變送器外形圖

第二，裝入檢驗合格的芯體、輔助壓環，熔接殼體中部，熱熔接完成后要加壓檢驗是否有漏氣現象。

第三，接入轉換線路板，三重防雷板進行調試，調試完成后灌硅膠封裝，等硅膠硫化后再做下一步。

第四，熱熔接變送器后部，封裝通氣電纜。

5 結語

防雷變送器是自動控制的重要組成部分，在雷電防護特別是對感應雷的防護中發揮著重要的作用。本文從結構、工藝及三重防雷方面做了介紹。在實際制作中，首先要選擇性能良好的芯體（傳感器），其次殼體熱熔接過程中還需制作一些工裝，熔接完成后的外殼表面接縫還需車床修整，變送器成品的外表殼面如能進一步處理將更好。由于共聚聚丙烯材料經紫外線照射后易老化降解，安裝在戶外或陽光直射處必須包扎深色防護層。本文介紹的防雷變送器已申請國家專利，專利號ZL2014206864760。

參考文獻

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[2] 王重，李旭日，王良詩，郭梅芳，喬金樑.抗沖共聚聚丙烯結構與性能[J].高分子材料科學與工程，2008，（5）.

作者簡介：劉明強（1965-），男，甘肅景泰人，天水華天傳感器有限公司高級工程師，研究方向：機械結構設計及工藝研究。

（責任編輯：蔣建華）endprint