专利名称：防雷电路及带有该防雷电路的投入式压阻液位变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种防雷电路及带有防雷电路的投入式压阻液位变送器，特别涉及一种具有强抗雷击的防雷电路及带有防雷电路的投入式压阻液位变送器，应用于空旷、高位易受雷击、长引出电缆和压力液位变送器须微型封装的应用场合。
背景技术：
现应用于电源及电器保护的防雷及防浪涌保护线路主要方法有1.在电源及信号线之间并接压敏电阻或TVS管进行保护，此种保护方法简单但所能防护的浪涌冲击能量较小；2.在电源及信号之间并接强效的防雷放电管进行保护，此种保护方法所能防护的浪涌冲击能量较大，但残压较大，容易造成变送器集成电路的损坏；3.采用插板式防雷击及浪涌电源保护器进行保护，其保护能力较好，但外型较大不适用于尺寸小巧的压力液位变送器。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供的一种防雷电路，具有防护雷击能量大、反应时间快、残压残流小、箝制电压低和带有该防雷电路的投入式压阻液位变送器封装尺寸小等特点。
本发明的技术方案是这样实现的一种防雷电路连接于变送器的输入线和输出线间，该防雷电路由三级电路组成，其中第一级电路由三个气体放电管U1、U2、U3及电阻R1、R2、电感L1、L2构成，该气体放电管一个跨接于该变送器输入线与输出线间，另两个气体放电管分别跨接在该变送器的输入线和输出线对地间，该气体放电管具有10KA泻放电能力和小于1us反应时间，电阻R1和电感L1、电阻R2和电感L2分别串接在该变送器的输入线、输出线上构成向下一级泻放电的第一级时间延迟电路；第二级电路由三个固体放电管U4、U5、U6及电感L3与L4构成，该固体放电管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1后的接点与该变送器输出线经R2、L2的接点间，另外两个固体放电管分别跨接在该两接点与地之间，该固体放电管具有≤10nS反应时间，电感L3和L4分别构成向下一级泄放电的第二级时间延迟电路；第三级电路由三个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3及自恢复保险丝F1与F2构成，该瞬态抑制二极管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1、L3后的接点与该变送器输出线经R2、L2、L4后的接点之间，另外两个瞬态二极管分别跨接在该两接点与地之间，该瞬态抑制二极管具有≤1ns反应时间，该瞬态抑制二极管的箝位电压低于该变送器的极限工作电压。
作为本发明的进一步改进，该防雷电路满足反应时间气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；抗冲击能量气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；箝位电压气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管。
一种用所述的防雷电路组成的投入式压阻液位变送器，由液位压阻力敏组件、变送器、变送器壳体以及导气平衡电缆组成，该压阻力敏组件由不锈钢波纹膜隔离浸泡于硅油中的硅压阻力敏元件形成的，并以该不锈钢波纹膜作为受压面传压给该硅压阻力敏元件，该硅压阻力敏元件之引出信号经该变送器放大后由输出电缆输出，该压阻力敏组件之背压侧与该变送器壳体间基于侧臂○型圈实现防水密封，该导气平衡电缆与该变送器壳体间实现防水密封，通过该导气平衡电缆中的导气管实现该硅压阻力敏元件与外界环境大气压的沟通平衡，该变送器的输入输出线间接有防雷电路，该防雷电路被封装固定于外径为φ24mm～φ40mm的不锈钢壳体内的防雷电路板，该不锈钢壳体与该变送器壳体间实现防水密封，该防雷电路连接该变送器外壳实现接地。
作为本发明的进一步改进，该压阻力敏组件之受压面一端固接防冲头，并通过该防冲头上的进水口实现该压阻力敏组件之受压面与外界液体相连通，从而来实现对外界液体压力的感受。
作为本发明的进一步改进，该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的双T型孔消动压引水头结构以适应快速流动水应用工况。
作为本发明的进一步改进，该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的环型孔消动压引水头结构以适应慢速流动水应用工况。
作为本发明的进一步改进，该导气平衡电缆，由电缆外皮、内芯线以及绕包该内芯线的屏蔽线组成，该电缆外皮由抗水绝缘的聚乙烯、聚氯乙烯或聚胺酯塑料制成，该内芯线由电缆引线和以聚丙烯或聚四氟乙烯为材质的导气管组成，该导气平衡电缆与该变送器壳体间基于硅橡胶粗○型圈挤压实现防水密封，同时该电缆引出部穿套有丁晴橡胶护线套，并以压线冒旋固于该变送器壳体尾部实现固定。
作为本发明的进一步改进，该变送器为相配的二线制4-20mA液位变送电路，采用抗过流及过压强的XTR101电路，具有40V极限工作电压，该瞬态抑制二极管的箝位电压为36V。
本发明的有益效果是该防雷电路的接地与该变送器的外壳连接良好，是雷击感生电流泻放的主通道，该防雷电路的第一级电路具有10KA的泻放电能力和小于1uS反应时间，该第一级时间延迟电路对浪涌冲击电压及电流起一定的延时作用，使大部分的浪涌冲击能量在第一级放电管中释放；第二级电路有更快为10nS的泻放电反应时间，第二级时间延迟电路构成向第三级泄放电的时间延迟，从而使第三级承受的感应残压及残流几乎为零；而且第三级电路中的瞬态抑制二极管具有1nS反应时间，因而即使有前级来不及泄放的高频感应残留电压或电流，它也保证了冲击能量的泄放，它的反应时间与变送器仪表放大器电路在同一数量级，因而确保了它作为最后一级保险的目的的实现，自恢复保险丝是为配合残留泄放而设置的，意在加大有残流时变送器电路分路的输入阻抗，保证从TVS1上多泄放残流，在经过第三级的保护后，使对后面的集成电路的保护电压箝制在36V以内，几乎没有冲击电流，从而对集成电路起到保护作用。
该防雷电路被封装固定于一定外径的金属壳内的防雷电路板，因而不仅适用于自由投放，也适用于防止泥沙淤埋的管内安装的库、坝、江河水位测量的小外径要求。
该液位变送器利用静力学原理测量液位，为减小水流动力学效应对测量准确度影响，对于快速流动河流水应用工况，该进水口处采用了消动压效果优良的双T型孔消动压引水头；对于慢速流动水应用工况，该进水口处采用了消动压效果一般，但防沙阻塞效果较好的紊流模型的环型孔消动压引水头。
图1是本发明所述的防雷电路图；图2是本发明所述的导气平衡电缆的结构示意图；图3是本发明所述的液位变送器XTR101电路图；图4是本发明所述的投入式液位变送器的结构示意图。
具体实施例以下结合图1至图4作进一步描述
一种防雷电路连接于变送器的输入线和输出线间，该防雷电路由三级电路组成，其中第一级电路由三个气体放电管U1、U2、U3及电阻R1、R2、电感L1、L2构成，该气体放电管一个跨接于该变送器输入线与输出线间，另两个气体放电管分别跨接在该变送器的输入线和输出线对地间，该气体放电管具有10KA泻放电能力和小于1us反应时间，电阻R1和电感L1、电阻R2和电感L2分别串接在该变送器的输入线、输出线上构成向下一级泻放电的第一级时间延迟电路；第二级电路由三个固体放电管U4、U5、U6及电感L3与L4构成，该固体放电管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1后的接点与该变送器输出线经R2、L2的接点间，另外两个固体放电管分别跨接在该两接点与地之间，该固体放电管具有≤10nS反应时间，电感L3和L4分别构成向下一级泄放电的第二级时间延迟电路；第三级电路由三个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3及自恢复保险丝F1与F2构成，该瞬态抑制二极管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1、L3后的接点与该变送器输出线经R2、L2、L4后的接点之间，另外两个瞬态二极管分别跨接在该两接点与地之间，该瞬态抑制二极管具有≤1ns反应时间，该瞬态抑制二极管的箝位电压低于该变送器的极限工作电压。
该防雷电路满足反应时间气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；抗冲击能量气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；箝位电压气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管。
一种用所述的防雷电路组成的投入式压阻液位变送器，由液位压阻力敏组件2、变送器6、变送器壳体7以及导气平衡电缆20组成，该压阻力敏组件由不锈钢波纹膜隔离浸泡于硅油中的硅压阻力敏元件形成的，并以该不锈钢波纹膜作为受压面传压给该硅压阻力敏元件，该硅压阻力敏元件之引出信号经该变送器放大后由输出电缆输出，该压阻力敏组件之背压侧与该变送器壳体间基于侧臂○型圈3实现防水密封，该导气平衡电缆与该变送器壳体间实现防水密封，通过该导气平衡电缆中的导气管实现该硅压阻力敏元件与外界环境大气压的沟通平衡，该变送器的输入输出线间接有防雷电路，该防雷电路被封装固定于外径为φ24mm～φ40mm的不锈钢壳体10内的防雷电路板11，该不锈钢壳体与该变送器壳体间实现防水密封，该防雷电路连接该变送器外壳实现接地。
该压阻力敏组件之受压面一端固接防冲头，并通过该防冲头上的进水口实现该压阻力敏组件之受压面与外界液体相连通，从而来实现对外界液体压力的感受。该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的双T型孔消动压引水头结构以适应快速流动水应用工况，或者该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的环型孔消动压引水头结构以适应慢速流动水应用工况。
该导气平衡电缆，由电缆外皮21、内芯线以及绕包该内芯线的屏蔽线14组成，该电缆外皮由抗水绝缘的聚乙烯、聚氯乙烯或聚胺酯塑料制成，该内芯线由电缆引线12和以聚丙烯或聚四氟乙烯为材质的导气管13组成，该导气平衡电缆与该变送器壳体间基于硅橡胶粗○型圈16挤压实现防水密封，同时该电缆引出部穿套有丁晴橡胶护线套19，并以压线冒18旋固于该变送器壳体尾部实现固定。
该变送器为相配的二线制4-20mA液位变送电路，采用抗过流及过压强的XTR101电路，具有40V极限工作电压，该瞬态抑制二极管的箝位电压为36V。
投入式压阻液位变送器在使用中常有的工况是空旷、高位易受雷击，其长达数十米甚至超百米的长电缆也极易感应雷电造成变送器电路甚至传感器损坏，通用防雷技术及防雷组件尺寸太大，无法装入变送器壳体中因而不适用，且残压残流大，也不适用于保护精密仪表集成电路，因此本发明在小型化的前提下利用不同放电管特性，匹配相应的保护线路，对由于雷电感应引起的通过电缆传导进入的浪涌电压进行保护及电压箝制，从而避免浪涌电压对变送器电路及传感器的破坏。
本发明的防雷电路由三级电路组成第一级电路具有10KA泻放电能力和小于1uS反应时间，使大部分的浪涌冲击能量在第一级放电管中释放，确保了第一级泻放达到感应电量的70％~80％；第二级电路≤10nS的泻放电反应时间，确保第二级泄放量达到感应电量的20％-30％，从而使第三级承受的感应残压及残流几乎为零；第三级电路具有≤1nS反应时间，并与该变送器仪表放大器电路在同一数量级，因而确保了它作为最后一级保险的目的的实现，自恢复保险丝是为配合残留泄放而设置的，意在加大有残流时变送器电路分路的输入阻抗，保证从TVS1上多泄放残流，在经过第三级的保护后，使对后面的集成电路的保护电压箝制在36V以内，几乎没有冲击电流，从而对集成电路起到保护作用。
本发明产品性能测试对发明试样品按GB/T 17626.5-1999浪涌冲击抗扰度试验标准、被试验件按最差的3-5类安装环境，试验严酷度等级按最高的3级和4级，循次进行了2KV/1KA、4KV/2KA的复合波浪涌冲击试验；被测样品1#，2#，3#变送器进行复合波冲击试验(红线为电源正，兰线为信号线)三次红线对屏蔽线、三次兰线对屏蔽线、三次红线对兰线的2KV/1KA的复合波冲击测试；测试后立即通电(＜1分钟，电源24VDC)检测被试件输出电流正常，均为测试前输出电流，电流变化率＜0.05％FS；
三次红线对屏蔽线、三次兰线对屏蔽线、三次红线对兰线的4KV/2KA的复合波冲击测试；测试后立即通电(＜1分钟，电源24VDC)检测被试件输出电流正常，均为测试前输出电流，电流变化率＜0.05％FS；试验完毕后，参考通用电源防雷器相关国家规范进行了抗冲击极限强度试验试验条件10KV/5KA，样品通过试验，输出电流正常；试验条件20KV/10KA，样品试验后，无输出电流，检查防雷组件正常，损坏原因系接入电极间因尺寸小距离不够大绝缘强度不够，电极击穿损坏。
试验结果表明，本强抗雷击投入式压阻液位变送器有极强的强抗雷电感应的浪涌冲击能力，能安全应用于雷击频繁、雷电感应强的南方河流及北方高山测点工况。
权利要求
1.一种防雷电路连接于变送器的输入线和输出线间，其特征在于，该防雷电路由三级电路组成，其中第一级电路由三个气体放电管U1、U2、U3及电阻R1、R2、电感L1、L2构成，该气体放电管一个跨接于该变送器输入线与输出线间，另两个气体放电管分别跨接在该变送器的输入线和输出线对地间，该气体放电管具有10KA泻放电能力和小于1us反应时间，电阻R1和电感L1、电阻R2和电感L2分别串接在该变送器的输入线、输出线上构成向下一级泻放电的第一级时间延迟电路；第二级电路由三个固体放电管U4、U5、U6及电感L3与L4构成，该固体放电管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1后的接点与该变送器输出线经R2、L2的接点间，另外两个固体放电管分别跨接在该两接点与地之间，该固体放电管具有≤10nS反应时间，电感L3和L4分别构成向下一级泄放电的第二级时间延迟电路；第三级电路由三个瞬态抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3及自恢复保险丝F1与F2构成，该瞬态抑制二极管一个跨接在该变送器输入线经R1、L1、L3后的接点与该变送器输出线经R2、L2、L4后的接点之间，另外两个瞬态二极管分别跨接在该两接点与地之间，该瞬态抑制二极管具有≤1ns反应时间，该瞬态抑制二极管的箝位电压低于该变送器的极限工作电压。
2.如权利要求1所述的防雷电路，其特征在于，该防雷电路满足反应时间气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；抗冲击能量气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管；箝位电压气体放电管＞固体放电管＞瞬态抑制二极管。
3.一种用权利要求1或2所述的防雷电路组成的投入式压阻液位变送器，由液位压阻力敏组件(2)、变送器(6)、变送器壳体(7)以及导气平衡电缆(20)组成，该压阻力敏组件由不锈钢波纹膜隔离浸泡于硅油中的硅压阻力敏元件形成的，并以该不锈钢波纹膜作为受压面传压给该硅压阻力敏元件，该硅压阻力敏元件之引出信号经该变送器放大后由输出电缆输出，该压阻力敏组件之背压侧与该变送器壳体间基于侧臂○型圈(3)实现防水密封，该导气平衡电缆与该变送器壳体间实现防水密封，通过该导气平衡电缆中的导气管实现该硅压阻力敏元件与外界环境大气压的沟通平衡，其特征在于该变送器的输入输出线间接有防雷电路，该防雷电路被封装固定于外径为φ24mm～φ40mm的不锈钢壳体(10)内的防雷电路板(11)，该不锈钢壳体与该变送器壳体间实现防水密封，该防雷电路连接该变送器外壳实现接地。
4.如权利要求3所述的投入式液位变送器，其特征在于，该压阻力敏组件之受压面一端固接防冲头(1)，并通过该防冲头上的进水口实现该压阻力敏组件之受压面与外界液体相连通，从而来实现对外界液体压力的感受。
5.如权利要求4所述的投入式液位变送器，其特征在于，该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的双T型孔消动压引水头结构以适应快速流动水应用工况。
6.如权利要求4所述的投入式液位变送器，其特征在于，该进水口采用具有减少流体动力学效应影响的环型孔消动压引水头结构以适应慢速流动水应用工况。
7.如权利要求3所述的投入式液位变送器，其特征在于，该导气平衡电缆，由电缆外皮(21)、内芯线以及绕包该内芯线的屏蔽线(14)组成，该电缆外皮由抗水绝缘的聚乙烯、聚氯乙烯或聚胺酯塑料制成，该内芯线由电缆引线(12)和以聚丙烯或聚四氟乙烯为材质的导气管(13)组成，该导气平衡电缆与该变送器壳体间基于硅橡胶粗○型圈(16)挤压实现防水密封，同时该电缆引出部穿套有丁晴橡胶护线套(19)，并以压线冒(18)旋固于该变送器壳体尾部实现固定。
8.如权利要求3所述的投入式液位变送器，其特征在于，该变送器为相配的二线制4-20mA液位变送电路，采用抗过流及过压强的XTR101电路，具有40V极限工作电压，该瞬态抑制二极管的箝位电压为36V。
全文摘要
一种带有防雷电路的投入式压阻液位变送器由压阻力敏组件、变送器、变送器壳体以及导气平衡电缆组成，压阻力敏组件由不锈钢波纹膜隔离浸泡于硅油中的硅压阻力敏元件形成的并以不锈钢波纹膜作为受压面传压给硅压阻力敏元件，压阻力敏组件之背压侧与变送器壳体间防水密封，导气平衡电缆与变送器壳体间防水密封，导气平衡电缆中的导气管实现硅压阻力敏元件与外界大气压的沟通，变送器输入输出线间接有防雷电路，防雷电路封装于不锈钢壳体内的防雷电路板，不锈钢壳体与变送器壳体间防水密封，防雷电路与变送器外壳接地，本发明具有防护雷击能量大、反应时间快、残压残流小、箝制电压低和液位变送器封装尺寸小等特点。
文档编号G01F23/14GK1829033SQ200510037980
公开日2006年9月6日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者谢维钦, 王文襄, 许广军, 李建峰 申请人:昆山双桥传感器测控技术有限公司