防雷变送器的制作探讨

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摘要：针对一般变送器耐过压和过电流能力差、绝缘强度低、易遭雷击损坏的特点，文章介绍了一种抗浪涌电流冲击、抗雷电电磁干扰变送器的制作方案，给出了制作材料及过程、三重防雷电路，达到了防雷的目的。

关键词：变送器；共聚聚丙烯；热熔接；高绝缘；浪涌电流；三重防雷 文献标识码：A

中图分类号：TM86 文章编号：1009-2374（2015）15-0129-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.15.067

1 概述

随着科技的进步，智能化、自动控制工程对变送器的需求越来越多，特殊环境下使用的变送器也有一定的需求。为了能够适应复杂环境条件下压力、液位测量，尤其是无人值守、维护不便的野外地区，山涧给水、高位易受雷击环境的测量工程。我们探讨高绝缘防雷压力变送器的制作。

雷电是一种高速、高能量的短脉冲，它以不同的途径侵入变送器的内部电路，轻者干扰变送器的正常运行，重则使变送器失效。一般的防雷变送器，往往耐过压和过电流能力差，绝缘强度低，它们多为金属壳体，容易引来雷电袭击，且被测介质与传感器膜片直接接触，达不到高绝缘的要求。本文介绍的变送器外壳是由共聚聚丙烯（PPR）熔接而成，内部设置三重防雷电路，构成一种高绝缘的防雷压力变送器。

根据IEEEC62.41-1991标准规定，雷电电流冲击可用8/20μs脉冲波形来模拟如图1所示。雷电流幅值的概率曲线如图2所示。大约50%的概率出线在40多kA。实际上，根据大量统计，大部分浪涌电流的幅度在10kA

左右。

雷电对变送器的危害，除了直接作用于变送器壳体外，还有一条重要途径是变送器的电源即信号传输线（二线制）产生的过压或过流。

图1 用8/20μs脉冲波形模拟雷电电流冲击

图2 雷电流幅值的概率曲线图

2 防雷变送器的制作材料论述

压力变送器是介质压力作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，使传感器的电阻发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。本文介绍的防雷压力变送器采用扩散硅注油芯体，配套带有零点、满量程补偿、温度补偿电路，转换电路、防雷电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA标准电信号。过去有些厂家给普通变送器配上电源防雷器和信号防雷器，可以达到良好的效果，但是成本高，过于繁杂。也有的厂家采用聚四氟乙烯（PTFE）外壳做防雷变送器，但其价格昂贵，聚四氟乙烯材料的价格大概是共聚聚丙烯的4倍，并且聚四氟乙烯不能热熔接。

本文介绍的变送器是用无规共聚聚丙烯（PPR）作为壳体制作的材料。它是聚丙烯的一种，原料分子只有碳、氢元素，没有有害有毒的元素存在，它的高分子链的基本结构可加进不同种类的单体分子加以改进。乙烯是最常用的单体，它能引起聚丙烯物理性质的改变。PPR是将丙烯及乙烯单体混合在一起聚合，在聚合物主链上无规则地分布着丙烯单体或乙烯单体反应后的链段。乙烯链段的存在使共聚物无法结晶，即使乙烯含量很少，也会使聚丙烯的结晶能力大大降低。实验表明随着乙烯含量的增加，抗冲击强度增加。因此PPR的特性是结晶度低、透明性好、质轻、价廉、冲击强度高，具有良好的机械加工性能；具有很好的电性能：高介电强度，低介电常数和低损耗因子；此外，它还具有良好的耐化学性能、良好的热熔接性能，其连接处分子与分子完全融合在一起，材料可回收利用。

3 防雷变送器的制作特点

第一，注油芯体压力传感器装在共聚聚丙烯壳体内，芯体前面注入独特配方的硅凝胶，达到芯体膜片与被测介质绝缘的目的，该硅凝胶呈果冻状，可传递压力，不影响传感器对压力的测量。

第二，传感器前部接头螺纹如果也用共聚聚丙烯材料，由于塑料螺纹承受压力的强度低，易损坏，特别是多次紧固后螺纹部分常常有损坏，因此螺纹部分我们选用不锈钢材料，并镶嵌在共聚聚丙烯材料之中，可用模具热压成型。也可选用建材商店很容易买到的金属螺纹与共聚聚丙烯压在一起的成品接头，其螺纹一般为G1/2。

第三，对于共聚聚丙烯壳体的热熔接，可以用塑料管道熔接器，外加一些辅助工具实现；绝缘液位出线的密封采用双密封圈，中间加垫片的方式进行。

第四，对于防雷电路板的设计，针对雷雨季节浪涌对变送器的侵害，在已有线路的基础上，综合多方面的经验做了一些改进，使其功能完善、体积小，构成了三重防雷电路。该电路完全能满足国家标准《浪涌冲击抗扰度试验标准（GB/T17626.5-1999）》的要求。电路原理如图3所示：

图3 防雷变送器三重防雷电原理图

对于三重防雷设计第一级电路由三个陶瓷气体放电管构成，选择击穿电压为800V的陶瓷气体放电管，在雷电电磁干扰到来之际，当瞬间雷击电压高于800V时，三个陶瓷气体放电管相当于短路，使大部分的浪涌冲击能量在第一级放电管中释放。陶瓷气体放电管击穿放电时间通常≤2μs，比雷击电流数十微秒的时间要短，因此能保护元器件免造雷击损坏。在第一级后设置两个自恢复保险丝，它具有压敏特性，有浪涌电压时，可增大变送器的输入阻抗，延缓浪涌电压对第二级电路的冲击，陶瓷气体放电管具有陡峭的电压非线性，这一级中可以释放约80%的浪涌冲击能量；第二级电路由三个玻璃放电管构成，选择击穿电压为140V的玻璃放电管，当电压高于140V时玻璃放电管导通放电，在第二级，玻璃放电管具有≤10ns的反应时间，经过第二级浪涌冲击能量绝大多数都已释放完，使第三级承受的感应残压、残流很小；第三级电路由三个瞬态电压抑制器-TVS管构成，TVS管具有≤1ns的反应时间。我们选择击穿电压为36V的TVS放电管，当电压高于36V时TVS管导通放电，使两级间的电压箝位于一个预定值，有效地保护后部电路中的元器件免受各种浪涌脉冲的损坏，也就是说TVS管瞬间可以把产生的高压稳定到指定电压。

当然防雷设计应以相关防雷规范为依据，进行综合防雷设计，特别是接地要可靠，地线布局要合理。

本文介绍的防雷压力变送器，主要是正对感应雷的防护，对于直击雷是无效的。由于受到元器件及共聚聚丙烯材料性能的影响，本文介绍的防雷变送器工作温度应小于等于80℃。

4 防雷变送器的制作工艺

防雷变送器的结构如图4所示：

图4 防雷变送器结构装配示意图

第一，将不锈钢材料的螺纹部分镶嵌在共聚聚丙烯材料之中，可用模具热压成型，也可选用建材商店很容易买到的金属螺纹与共聚聚丙烯压在一起的成品接头。用成品接头制作的防雷变送器如图5，其内部结构与图4相似。

图5 用外购成品接头制作的防雷压力变送器外形图

第二，装入检验合格的芯体、辅助压环，熔接壳体中部，热熔接完成后要加压检验是否有漏气现象。

第三，接入转换线路板，三重防雷板进行调试，调试完成后灌硅胶封装，等硅胶硫化后再做下一步。

第四，热熔接变送器后部，封装通气电缆。

5 结语

防雷变送器是自动控制的重要组成部分，在雷电防护特别是对感应雷的防护中发挥着重要的作用。本文从结构、工艺及三重防雷方面做了介绍。在实际制作中，首先要选择性能良好的芯体（传感器），其次壳体热熔接过程中还需制作一些工装，熔接完成后的外壳表面接缝还需车床修整，变送器成品的外表壳面如能进一步处理将更好。由于共聚聚丙烯材料经紫外线照射后易老化降解，安装在户外或阳光直射处必须包扎深色防护层。本文介绍的防雷变送器已申请国家专利，专利号ZL2014206864760。

参考文献

[1] 孙立红.变送器防雷设计的考虑[J].传感器世界，1999，（11）.

[2] 王重，李旭日，王良诗，郭梅芳，乔金.抗冲共聚聚丙烯结构与性能[J].高分子材料科学与工程，2008，（5）.

作者简介：刘明强（1965-），男，甘肃景泰人，天水华天传感器有限公司高级工程师，研究方向：机械结构设计及工艺研究。