防雷變送器的制作探討

摘要：針對(duì)一般變送器耐過(guò)壓和過(guò)電流能力差、絕緣強(qiáng)度低、易遭雷擊損壞的特點(diǎn)，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(guò)程、三重防雷電路，達(dá)到了防雷的目的。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM86 文章編號(hào)：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(jìn)步，智能化、自動(dòng)控制工程對(duì)變送器的需求越來(lái)越多，特殊環(huán)境下使用的變送器也有一定的需求。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件下壓力、液位測(cè)量，尤其是無(wú)人值守、維護(hù)不便的野外地區(qū)，山澗給水、高位易受雷擊環(huán)境的測(cè)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(nèi)部電路，輕者干擾變送器的正常運(yùn)行，重則使變送器失效。一般的防雷變送器，往往耐過(guò)壓和過(guò)電流能力差，絕緣強(qiáng)度低，它們多為金屬殼體，容易引來(lái)雷電襲擊，且被測(cè)介質(zhì)與傳感器膜片直接接觸，達(dá)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(nèi)部設(shè)置三重防雷電路，構(gòu)成一種高絕緣的防雷壓力變送器。

根據(jù)IEEEC62.41-1991標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，雷電電流沖擊可用8/20μs脈沖波形來(lái)模擬如圖1所示。雷電流幅值的概率曲線(xiàn)如圖2所示。大約50%的概率出線(xiàn)在40多kA。實(shí)際上，根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)，大部分浪涌電流的幅度在10kA

左右。

雷電對(duì)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(hào)傳輸線(xiàn)（二線(xiàn)制）產(chǎn)生的過(guò)壓或過(guò)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(xiàn)圖

2 防雷變送器的制作材料論述

壓力變送器是介質(zhì)壓力作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微小位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，用電子線(xiàn)路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、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(kuò)散硅注油芯體，配套帶有零點(diǎn)、滿(mǎn)量程補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償電路，轉(zhuǎn)換電路、防雷電路，將被測(cè)量介質(zhì)的壓力轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。過(guò)去有些廠(chǎng)家給普通變送器配上電源防雷器和信號(hào)防雷器，可以達(dá)到良好的效果，但是成本高，過(guò)于繁雜。也有的廠(chǎng)家采用聚四氟乙烯（PTFE）外殼做防雷變送器，但其價(jià)格昂貴，聚四氟乙烯材料的價(jià)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(wú)規(guī)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(méi)有有害有毒的元素存在，它的高分子鏈的基本結(jié)構(gòu)可加進(jìn)不同種類(lèi)的單體分子加以改進(jìn)。乙烯是最常用的單體，它能引起聚丙烯物理性質(zhì)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(wú)規(guī)則地分布著丙烯單體或乙烯單體反應(yīng)后的鏈段。乙烯鏈段的存在使共聚物無(wú)法結(jié)晶，即使乙烯含量很少，也會(huì)使聚丙烯的結(jié)晶能力大大降低。實(shí)驗(yàn)表明隨著乙烯含量的增加，抗沖擊強(qiáng)度增加。因此PPR的特性是結(jié)晶度低、透明性好、質(zhì)輕、價(jià)廉、沖擊強(qiáng)度高，具有良好的機(jī)械加工性能；具有很好的電性能：高介電強(qiáng)度，低介電常數(shù)和低損耗因子；此外，它還具有良好的耐化學(xué)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(diǎn)

第一，注油芯體壓力傳感器裝在共聚聚丙烯殼體內(nèi)，芯體前面注入獨(dú)特配方的硅凝膠，達(dá)到芯體膜片與被測(cè)介質(zhì)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(duì)壓力的測(cè)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(qiáng)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(mǎi)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(duì)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(shí)現(xiàn)；絕緣液位出線(xiàn)的密封采用雙密封圈，中間加墊片的方式進(jìn)行。

第四，對(duì)于防雷電路板的設(shè)計(jì)，針對(duì)雷雨季節(jié)浪涌對(duì)變送器的侵害，在已有線(xiàn)路的基礎(chǔ)上，綜合多方面的經(jīng)驗(yàn)做了一些改進(jìn)，使其功能完善、體積小，構(gòu)成了三重防雷電路。該電路完全能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（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(duì)于三重防雷設(shè)計(jì)第一級(jí)電路由三個(gè)陶瓷氣體放電管構(gòu)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(lái)之際，當(dāng)瞬間雷擊電壓高于800V時(shí)，三個(gè)陶瓷氣體放電管相當(dāng)于短路，使大部分的浪涌沖擊能量在第一級(jí)放電管中釋放。陶瓷氣體放電管擊穿放電時(shí)間通?！?μs，比雷擊電流數(shù)十微秒的時(shí)間要短，因此能保護(hù)元器件免造雷擊損壞。在第一級(jí)后設(shè)置兩個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，它具有壓敏特性，有浪涌電壓時(shí)，可增大變送器的輸入阻抗，延緩浪涌電壓對(duì)第二級(jí)電路的沖擊，陶瓷氣體放電管具有陡峭的電壓非線(xiàn)性，這一級(jí)中可以釋放約80%的浪涌沖擊能量；第二級(jí)電路由三個(gè)玻璃放電管構(gòu)成，選擇擊穿電壓為140V的玻璃放電管，當(dāng)電壓高于140V時(shí)玻璃放電管導(dǎo)通放電，在第二級(jí)，玻璃放電管具有≤10ns的反應(yīng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)第二級(jí)浪涌沖擊能量絕大多數(shù)都已釋放完，使第三級(jí)承受的感應(yīng)殘壓、殘流很??；第三級(jí)電路由三個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器-TVS管構(gòu)成，TVS管具有≤1ns的反應(yīng)時(shí)間。我們選擇擊穿電壓為36V的TVS放電管，當(dāng)電壓高于36V時(shí)TVS管導(dǎo)通放電，使兩級(jí)間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)后部電路中的元器件免受各種浪涌脈沖的損壞，也就是說(shuō)TVS管瞬間可以把產(chǎn)生的高壓穩(wěn)定到指定電壓。

當(dāng)然防雷設(shè)計(jì)應(yīng)以相關(guān)防雷規(guī)范為依據(jù)，進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)，特別是接地要可靠，地線(xiàn)布局要合理。

本文介紹的防雷壓力變送器，主要是正對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)，對(duì)于直擊雷是無(wú)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(yīng)小于等于80℃。

4 防雷變送器的制作工藝

防雷變送器的結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 防雷變送器結(jié)構(gòu)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(mǎi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖4相似。

圖5 用外購(gòu)成品接頭制作的防雷壓力變送器外形圖

第二，裝入檢驗(yàn)合格的芯體、輔助壓環(huán)，熔接殼體中部，熱熔接完成后要加壓檢驗(yàn)是否有漏氣現(xiàn)象。

第三，接入轉(zhuǎn)換線(xiàn)路板，三重防雷板進(jìn)行調(diào)試，調(diào)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(jié)語(yǔ)

防雷變送器是自動(dòng)控制的重要組成部分，在雷電防護(hù)特別是對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)中發(fā)揮著重要的作用。本文從結(jié)構(gòu)、工藝及三重防雷方面做了介紹。在實(shí)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(guò)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(chē)床修整，變送器成品的外表殼面如能進(jìn)一步處理將更好。由于共聚聚丙烯材料經(jīng)紫外線(xiàn)照射后易老化降解，安裝在戶(hù)外或陽(yáng)光直射處必須包扎深色防護(hù)層。本文介紹的防雷變送器已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)ZL2014206864760。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：劉明強(qiáng)（1965-），男，甘肅景泰人，天水華天傳感器有限公司高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝研究。

（責(zé)任編輯：蔣建華）endprint