摘要：
音叉式物位开关传感器用于盾构机液压油箱油位，膨润土水箱水位的探测。本文详细的介绍了音叉式物位开关传感器工作原理，功能组成，并结合在盾构机上的使用情况，对现阶段国际、国内该传感器发展及应用情况进行对比，结合典型实例对音叉式物位开关传感器的应用进行了研究。
关键词：
音叉式物位开关传感器
1、音叉式物位开关传感器工作原理
音叉式物位开关工作原理根据物料对振动中的音叉有无阻力，探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，不必校准，可快速低成本启动。机械结构简单，无机械运动部件，无维修、无磨损，运行寿命长，灵敏而可靠。
传感器的音叉由弹性良好的金属制成，材料一般使用不绣钢，如SS316。金属本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。
传感器的音叉以固有的频率振动，当音叉触及液体或其他物料时，其固有的振动频率降低，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减而停振，频率的变化激活液位开关，产生通断信号。
音叉式物位开关传感器为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应，产生机械力作用在叉体上。放大电路原理图如图（1）。用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力转变为微弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大，经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显地改变，破坏了振荡条件，就会停振。只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。
音叉料位开关安装时的叉体不一定装在容器壁上，也可以从顶部伸入，根据所需控制的料位决定伸入长度。叉体的制造和装配良好时，音叉可用于液位测量或控制，但不适合过分粘稠的浆料。
音叉式物位开关的方框图如图1。
图1 音叉式液位传感器
为了保护压电元件免受物料损伤和粉尘污染，音叉式物位开关将驱动和检振元件装在叉体内部，经过金属膜片传递振动。如图2
图2 压电音叉体
图4给出音叉料位开关信号放大电路的电路原理，商家提供产品及技术指导性的说明，一般不提供电路原理，但对于音叉料位开关技术来说，虽然型号繁多，从电子技术原理来分析，基本上差异不大。如图4为信号放大电路，可能元件使用元件不同于本图，但大致原理是相同的。
放大电路可由集成电路LM324构成，LM324是单电源四运算放大器，LM423采用14脚双列直插塑料封装，管脚排列如图3。
图3 LM324管脚排列
图4 信号放大电路
图4中A1担任前置放大，A2为低通滤波，A3为移相电路，A4为电压放大，图中PZT2为采用具有两个电极的压电材料的驱动元件。PZT1为检振元件，采用压电晶体多谐振荡器电路。由压电晶体的阻抗频率特性可知，电路的振荡频率只取决于晶体本身的谐振频率，而和电路中的R、C的数值无关。各电路元件的参数一般按照固有频率为300Hz的叉体设计。
图4中的D3、D4为音叉式物位开关传感器的状态灯光显示，D4用红色发光管，D3则用绿色发光管，料位过高而停振时，D4亮而D3灭，料位正常叉体振荡时D3亮，D4灭。用作下限报警时，可将D3，D4接法互换。
音叉式物位开关输出形式：分NPN二线，NPN三线，NPN四线，PNP二线，PNP三线，PNP四线，DC二线，AC二线，AC五线(自带继电器)等几种常用的形式输出。以下主要是介绍PNP三线和AC二线(晶闸管)的输出形式。
如图（5）所示为AC二线(晶闸管)的输出形式，一般用在需控制闸门或出料机械设备在料位过高时自动排放，可在图（5）中可采用用固态继电器SSR。SSR是有光电隔离的双向晶闸管，它可以使交流电路通断，由于是无触点的，比继电器或接触器可靠。
图5 晶闸管输出电路
如果采用PLC的控制方式，则需在容器的上下方都装叉体，实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者希望把料位越限信号远传到控制室，可以采用图(6)的PNP三线输出电路取代图(5) AC二线(晶闸管)的输出形式。当叉体振荡时电源线上会有窄脉冲出现。在控制室里另有控制电路，它根据直流供电线上有无叠加的脉冲信号，判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。
2、实际应用
盾构机拖车2上带有一个液压油箱，在盾构机的控制要求，设油位最大、油位报警、油位最小三个信号输出点，安装有三个德国E+H公司的FTL260音叉式物位开关。
因音叉式物位开关传感器的信号采集后传输到盾构机操作室的PLC数字量输入模快，盾构机的控制系统采用的PLC采用的是西门子公司的S7-400的型号，其数字量输入模快选用的是采集PNP三线输出电路信号的输入模块。选用德国E+H公司的FTL260音叉式物位开关，输出信号是PNP，三线制。可满足盾构机对液压油箱油位，膨润土箱液位的控制要求，且不受被测介质绝缘性，泡沫，悬浮固体，气泡，浪涌等影响，满足使用要求。
由于进口音叉式液位开关供货周期长，价格较高，目前国内可替代产品有
GLD－LTF－101音叉式物位开关传感器，其性能可替代进口产品，可用于储罐成管道中液体或泥浆物位的控制。
LTF101型音叉式物位开关传感器其主要特征为：
液体或泥浆物位测量
PNP开关输出
LED开关状态指示
不锈钢接湿材料
结构小巧，便于安装
以下为两种音叉式液位开关的性能比较。
在选用国产的产品代替进口的产品时，应注意其螺纹接口的尺寸和音叉式液位开关输出信号的选择。国内螺纹接口一般为公制，而进口的音叉式液位开关螺纹接口为英制。
对于输出信号的选择，应和厂家说明音叉式液位开关为PNP集电极开路或NPN集电极开路，二线制或三线制开关信号输出。因为当音叉式液位开关的输出信号不正确时，PLC不能采集到音叉式液位开关的输入信号，造成对系统功能的影响。
3、结束语
音叉式物位开关传感器是一种适应所有液体的限位开关，适用于防爆区、食品、药品生产等各种环境，是一种新型的传感器。在盾构机的维修中，作为维修人员，了解盾构机上使用的各种传感器的工作原理，功能特点非常重要。盾构机上的传感器由于工作环境较差，经常会出现故障，导致盾构机不能工作。了解的各种传感器的工作原理，能对于出现的故障采取相对应的有效措施，保障机器的正常运行，也体现了维修人员的技术水平。
参考文献
1、 清华大学电子教研组编，《数字电子技术基础简明教程》，高等教育出版社，1991
2、 王家桢、王俊杰，《传感器与变送器》，清华大学出版社，高等教育出版社，1996
3、 纪纲、吴勤勤、顾生元，《数字显示调节仪表原理及维修》，华东华工学院出版社，1992
作者简介：
刁郁文，广州盾建，助理工程师。参加广州地铁二号线（赤-鹭区间）盾构法施工，从事对德国海瑞克盾构机的维修工作。参加广州地铁三号线（天-五区间）盾构法施工，从事对机器设备的维护，管理工作。
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