CN102507072A - 一种弹簧管智能压力变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用弹簧管做测压敏感元件的两线制智能压力变送器，包括弹簧管以及与弹簧管相连的位移检测电路，所述位移检测电路与模拟/数字转换电路相连，模拟/数字转换电路与微处理器相连，微处理器分别与显示器和数字/模拟转换电路连接，数字/模拟转换电路与电源供电和输出电路连接。本发明在传统弹簧管(又称波登管)式压力表的基础上去掉机械传动的指针机构，将压力量产生的位移信号通过位移检测电路转换成为电参量，通过测量电参量从而等效的测出压力量的大小。电参量经A/D转换、微处理器数字处理后进行数字显示和4-20mA直流电流信号输出。该弹簧管智能压力变送器成本低，性能优越，具有广泛的市场前景。

Description

一种弹簧管智能压力变送器

技术领域

本发明涉及工业生产过程中压力检测、指示和控制领域，特别是一种将压力量变换成标准的4-20mA直流电流信号输出的弹簧管智能压力变送器。

背景技术

工业生产过程中通常使用压力变送器将压力量变换成标准的4-20mA直流电流信号输出，进而对压力量进行检测、显示和控制。现代工业中广泛使用的智能压力变送器采用电容或半导体传感器，精度和分辨力都很高，并且有丰富的智能化功能，但由于制造成本高，在一些场合使用会增加不少的费用。

传统的弹簧管式压力表指示精度和分辨力受原理和制造工艺限制都很低，而且它只能用作压力指示，但它使用可靠、价格低，所以得到了广泛的使用。

由此可见，使用传统的弹簧管式压力表技术制造性能可靠、价格低廉的智能压力变送器具有广泛的市场前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用弹簧管做测压敏感元件的两线制智能压力变送器(以下简称弹簧管智能压力变送器)，在传统弹簧管(又称波登管)式压力表的基础上去掉机械传动的指针机构，将压力量产生的位移信号通过位移检测电路转换成为电参量，通过测量电参量从而等效的测出压力量的大小。电参量经A/D转换、微处理器数字处理后进行数字显示和4-20mA直流电流信号输出。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种弹簧管智能压力变送器，该压力变送器包括：

弹簧管和位移检测电路，用于将弹簧管压力量产生的位移信号转换成为电压信号；

模拟/数字转换电路，用于将位移检测电路检测的电压信号转换为数字信号送至微处理器；

微处理器和显示器，微处理器接受模拟/数字转换电路的数字量，并将经处理后的信号输送至显示器进行显示，同时微处理器产生数字/模拟转换电路所需的脉宽信号；

数字/模拟转换电路，接收微处理器产生的脉宽信号，将它转换成为电压信号；

电压供电和输出电路，由24V电压供电并接受数字/模拟转换电路的电压信号产生4-20mA直流电流信号输出；

所述弹簧管与位移检测电路相连，位移检测电路与模拟/数字转换电路相连，模拟/数字转换电路与微处理器相连，微处理器分别与显示器和数字/模拟转换电路连接，数字/模拟转换电路与电源供电和输出电路连接。

本发明进一步的特征在于：

所述位移检测电路包括两个电感、四个电容、四个电阻和两个三极管放大器；所述电感H1、电容C1和电感H2、电容C2构成两组LC谐振回路，两组LC谐振回路的共同节点接电源端V_cc；所述两组LC谐振回路分别与晶体管T1和晶体管T2相接；在两组LC谐振回路与晶体管T1和晶体管T2间并联连接有基极偏置电阻R1、R2和振荡反馈耦合电容C3、C4；所述晶体管T1的基极与基极偏置电阻R1和振荡反馈耦合电容C3节点相连，晶体管T1的集电极接所述第一LC谐振回路输出端，晶体管T1的发射极接电阻R3；所述晶体管T2的基极与基极偏置电阻R2和振荡反馈耦合电容C4节点相连，晶体管T2的集电极接所述第二LC谐振回路输出端，晶体管T2的发射极接电阻R4；所述电阻R3、R4节点接地。

所述模拟/数字转换电路使用16位微功耗A/D转换芯片AD7171。

所述中微处理器采用MSP430F41X型号的微处理器；微处理器连接有显示器，所述显示器采用带白色背光的LCD液晶显示器。

所述电源供电和输出电路采用24V电压供电，并接受数字/模拟转换电路的输出电压信号，产生4-20mA直流电流信号输出。

所述电源供电和输出电路包括：24V电源正极与二极管D1阳极连接；D1阴极与三极管T3发射极连接；T3集电极连接发光二极管LED1阳极；LED2阴极和电阻R7连接；R7连接到24V电源负级。电阻R7与误差放大器U1正极相连；所述三极管T3集电极与发光二极管LED1之间的节点与低压差稳压器LDO U2的IN端连接；低压差稳压器U2的OUT端与前端电路相连；低压差稳压器U2与发光二极管LED2、电阻R7的节点端接地。所述误差放大器U1通过电阻R6与三极管T3基极连接，三极管T3发射极接所述二极管D1的负极，三极管T3集电极接所述发光二极管LED1正极。误差放大器U1负极连接电阻R5与数字/模拟转换电路相连。

所述电源供电和输出电路采用两线制变送器的供电和输出方式，利用自身的输出电流流过发光二级管产生了显示背光，同时利用流过发光二级管产生的电压降给其它电路进行供电。

传统弹簧管(又称波登管)式压力表的显示压力采用机械传动的指针机构，由于传动齿轮有间隙，会带来很大的回滞误差。本发明去掉机械传动的指针机构，采用电子感应式非接触的位移检测电路将压力量产生的位移信号转换成为电参量，彻底去除了传动齿轮间隙带来的回滞误差。

传统弹簧管(又称波登管)式压力表由于传动齿轮的齿数和表盘指示刻度有限，显示分辨率都很低。本发明采用位移检测电路将压力量产生的位移信号转换成为电参量，再将电参量转换成数字量进行显示，可将显示分辨率提高一个数量级以上。

现有的两线制变送器受功耗限制在使用液晶显示器时不能使用背光，这使得在光线不足时看不见显示。本发明采用自身的输出电流流过发光二级管产生了显示背光，保证在黑暗的环境下仪表的读数仍清晰可见。

该压力变送器将传统的弹簧管式压力表用现代技术进行改造，成为一种低成本的智能压力变送器。它与传统的弹簧管式压力表生产工艺基本一样，但其功能与智能压力变送器基本一样，在工业压力检测和控制领域具有广泛的用途。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是本发明弹簧管智能压力变送器的结构图；

图2是图1中弹簧管和位移检测电路的结构图；

图3是图1中电源供电和输出电路的结构图。

图中：1、弹簧管；2、位移检测电路；3、模拟/数字转换电路；4、显示器；5、微处理器；6、数字/模拟转换电路；7、电压供电和输出电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特性进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1是本发明实施例中弹簧管智能压力变送器的结构图。本发明实施例中该压力变送器包括：弹簧管1和位移检测电路2，用于将弹簧管1压力量产生的位移信号转换成为电压信号；模拟/数字转换电路3，用于将位移检测电路2检测的电压信号转换为数字信号送至微处理器5；微处理器5用于接收模拟/数字转换电路3的数字量，并将经处理后的信号输送至显示器4进行显示，同时微处理器5产生数字/模拟转换电路6所需的脉宽信号；数字/模拟转换电路6，接收微处理器5产生的脉宽信号，将它转换成为电压信号；电压供电和输出电路7，由24V电压供电并接受数字/模拟转换电路6的输出电压信号产生4-20mAD直流电流信号输出；弹簧管1与位移检测电路2相连，位移检测电路2与模拟/数字转换电路3相连，模拟/数字转换电路3与微处理器5相连，微处理器5分别与显示器4和数字/模拟转换电路6连接，数字/模拟转换电路6与电源供电和输出电路7连接。

本实施例中，在传统弹簧管(又称波登管)式压力表的基础上去掉机械传动的指针机构，将压力量产生的弹簧管位移信号通过位移检测电路转换成为电参量，通过测量电参量从而等效的测出压力量的大小。电参量经A/D转换、数字处理后进行数字显示和4-20mA直流电流信号输出。其中，弹簧管1和位移检测电路2将压力量产生的位移信号转换成为电压信号；模拟/数字转换电路3将电压信号转换成数字量送入微处理器5；微处理器5对数字量进行处理后送显示器4进行显示同时送数字量到数字/模拟转换电路6；数字/模拟转换电路6接受微处理器5的数字量，转换为电压信号送输出电路7成为4-20mA直流电流信号输出。

其中：图2是图1中弹簧管1和位移检测电路2。其核心就是一个由传统弹簧管(又称波登管)构成的压力检测装置。

该位移检测电路2包括两个电感、四个电容、四个电阻和两个三极管放大器；电感H1、电容C1和电感H2、电容C2构成两组LC谐振回路，两组LC谐振回路的共同节点接电源端V_cc；两组LC谐振回路分别与晶体管T1和晶体管T2相接；在两组LC谐振回路与晶体管T1和晶体管T2间并联连接有基极偏置电阻R1、R2和振荡反馈耦合电容C3、C4；晶体管T1的基极与基极偏置电阻R1和振荡反馈耦合电容C3节点相连，晶体管T1的集电极接第一LC谐振回路输出端，晶体管T1的发射极接电阻R3；晶体管T2的基极与基极偏置电阻R2和振荡反馈耦合电容C4节点相连，晶体管T2的集电极接所述第二LC谐振回路输出端，晶体管T2的发射极接电阻R4；电阻R3、R4节点接地。

其原理是，气体或液体介质的压力量经引压口送入C型弹簧管1，由于弹簧管1的微小变形，形成一定的环应力，此环应力会使弹簧管1向外延伸，由于弹性弹簧管1头部封闭且没有固定，其就会产生微小的变形，向外侧伸展而产生位移，和弹簧管相连接的金属片也产生相应的位移，此位移经位移检测电路产生相应的电压信号。(此部分主要的作用是将压力量产生的位移信号转换成为电压信号)。

在本发明中，为了能准确测量出弹簧管管头的位移量，采用电子电路构成的位移检测电路将压力量产生的位移信号转换成为电参量。电子式位移检测电路是典型的自激型推挽振荡电路，电路参数对称，利用C型弹簧管管头上连接的金属片位移改变振荡电路上电感覆盖的磁通面积，从而产生的涡流损耗改变了电路的电流，改变的电流在电阻上所形成的电位差和金属片的位移有确定的关系，等效的也就和被测的压力量大小有着相对应的关系。

位移检测电路2是典型的自激型推挽振荡电路，电路参数对称。电路中T1，T2晶体管用于振荡回路放大；C1，C2，H1，H2是两个参数一致的独立LC谐振回路，R1、R2为晶体管的基极偏置电阻，C3、C4为振荡反馈耦合电容；R3、R4为每个支路的电流负反馈电阻，起稳定振荡之用，同时也作为输出信号的输出点。

振荡器正常工作时，由于电路参数对称，因此左和右臂支路电流I1，I2相等，则R3，R4上压降相等，输出电压Uout为零。由于电路中C1，C2，H1，H2构成的LC谐振回路Q值很高，所以谐振回路消耗能量很少，电源所补充的能量不需要很多就能维持振荡，所以I1和I2电流相对是较小的数值。

在C型弹簧管管头上连接的金属片在位移路径上恰好覆盖在H1和H2电感各自的磁回路中，为了使位移传感器具有最大的动态范围，设计为当压力输入为零时金属片偏向一支电感，比如H1，此时由于金属片覆盖了H1电感的磁通面积增加，金属片产生的涡流损耗增加，LC谐振回路Q值降低，此时左半臂的振荡损耗增加，由于电路负反馈稳定的作用，更多的能量将补充到左半臂振荡器中，此时I1电流增加，R3上的电压降增大。同理，右半臂金属片覆盖的磁通面积减少，R4上的电压降减少。当压力增加时，金属片向H2方向移动，R3上的电压降减少，R4上的电压降增加，那么R3与R4上的电压降之差就和金属片的位移有确定的关系，等效的也就和被测的压力量大小有着相对应的关系。

模拟/数字转换电路3将位移检测电路2检测的电位差转换为数字信号。A/D使用16位微功耗转换芯片AD7171，精度及分辨力均满足弹簧管智能压力变送器的要求。

微处理器5和显示器4中微处理器5处理模拟/数字转换电路3的数字量，送显示器4进行显示，微处理器5使用低功耗带液晶驱动的微处理器(MSP430F41X)同时具有16位PWM输出，用于产生D/A所需的脉宽信号，显示器4采用LCD液晶显示器，带白色背光。

数字/模拟转换电路6由有源二阶低通滤波器构成，它接受微处理器5的PWM(脉冲调宽)信号将其转换为电压信号送输出电路。该方法充分利用了微处理器的PWM功能，做到了低成本、低功耗、高精度、高分辨力。

图3是图1中电源供电和输出电路7。它与两线制变送器供电和输出方式基本相同，由24V电压供电并接受数字/模拟转换电路6的输出电压信号产生4-20mA直流电流信号输出。利用自身的输出电流流过发光二级管产生了显示背光，同时利用流过发光二级管产生的电压降给其它电路进行供电。

电源供电和输出电路7包括：24V电源正极与二极管D1阳极连接；D1阴极与三极管T3发射极连接；T3集电极连接发光二极管LED1阳极；LED1阴极连接LED2阳极，LED2阴极和电阻R7连接；R7连接到24V电源负级；电阻R7与误差放大器U1正极相连；三极管T3集电极与发光二极管LED1之间的节点与低压差稳压器LDO U2的IN端连接；低压差稳压器U2的OUT端与前端电路相连；低压差稳压器U2与发光二极管LED2、电阻R7的节点端接地；误差放大器U1通过电阻R6与三极管T3基极连接；误差放大器U1负极连接电阻R5与数字/模拟转换电路相连，与误差放大器U1来自D/A转换电路的负极电压信号平衡。

本发明采取两线制变送器的供电和输出方式，利用自身的输出电流流过发光二级管产生了显示背光，同时利用流过发光二级管产生的电压降给其它电路进行供电。

供电和输出电路由24V供电，输出电流流过二极管D1、三极管T3、发光二极管LED1、LED2和电阻R7，在电阻R7上产生的电压降反馈至误差放大器U1与来自D/A转换电路的电压信号平衡使输出电流稳定。输出电流在发光二极管LED1、发光二极管LED2产生的电压降连接到低压差稳压器(LDO)U2的输入端，低压差稳压器U2的输出端产生稳定的电压V_CC给前端电路供电。

本发明输出电路的特点是利用输出回路的4-20mA直流电流信号在两个串联的发光二级管产生的电压降供给LDO(低压差稳压器)，产生的稳定电压供给前面的电路(位移检测、A/D、CPU、D/A)使用，它的优点是仪表在不消耗额外功耗情况下显示带有背光，保证在黑暗的环境下仪表的读数仍清晰可见。

本发明的弹簧管智能压力变送器是传统技术与现代科技相结合的产物，它具有如下特点：

可靠性、精度、分辨力高：使用传统的弹簧管(波登管)做测压敏感元件，经过了上百年时间和无数使用场合的考验。采用数字处理技术使精度和分辨力高于普通指针压力表的数倍。

智能化功能：除了同普通弹簧管压力表可指示压力外也可像两线制变送器一样输出4-20mA直流电流。可方便的改变与输出零点和满度值对应的测量值，可调整显示零点，可方便的改变测量值的压力显示单位。

显示直观、信息丰富：采用LCD液晶显示器取代指针指示，显示直观、信息丰富，可数字显示测量的压力值或输出电流值，测量值的压力单位，同时以棒图显示输出的百分比值等等。

成本低：只有使用电容或半导体传感器的智能变送器几分之一的价格。

本发明非常适合弹簧管式压力表的生产厂家提高现有产品的技术含量，增加产品附加值，具有广泛的市场前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于，该压力变送器包括：

弹簧管和位移检测电路，用于将弹簧管压力量产生的位移信号转换成为电压信号；

模拟/数字转换电路，用于将位移检测电路检测的电压信号转换为数字信号送至微处理器；

微处理器和显示器，微处理器接收模拟/数字转换电路的数字量，并将经处理后的信号输送至显示器进行显示，同时微处理器产生数字/模拟转换电路所需的脉宽信号；

数字/模拟转换电路，接收微处理器产生的脉宽信号，将它转换成为电压信号；

电压供电和输出电路，由24V电压供电并接受数字/模拟转换电路的电压信号产生4-20mA直流电流信号输出；

所述弹簧管与位移检测电路相连，位移检测电路与模拟/数字转换电路相连，模拟/数字转换电路与微处理器相连，微处理器分别与显示器和数字/模拟转换电路连接，数字/模拟转换电路与电源供电和输出电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述位移检测电路包括两个电感、四个电容、四个电阻和两个三极管放大器；所述电感H1、电容C1和电感H2、电容C2构成两组LC谐振回路，两组LC谐振回路的共同节点接电源端V_cc；所述两组LC谐振回路分别与晶体管T1和晶体管T2相接；在两组LC谐振回路与晶体管T1和晶体管T2间并联连接有基极偏置电阻R1、R2和振荡反馈耦合电容C3、C4；所述晶体管T1的基极与基极偏置电阻R1和振荡反馈耦合电容C3节点相连，晶体管T1的集电极接所述第一LC谐振回路输出端，晶体管T1的发射极接电阻R3；所述晶体管T2的基极与基极偏置电阻R2和振荡反馈耦合电容C4节点相连，晶体管T2的集电极接所述第二LC谐振回路输出端，晶体管T2的发射极接电阻R4；所述电阻R3、R4节点接地。

3.根据权利要求1所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述模拟/数字转换电路采用16位微功耗A/D转换芯片AD7171。

4.根据权利要求1所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述中微处理器采用带液晶显示驱动的MSP430F41X；微处理器连接有显示器，所述显示器采用带白色背光的LCD液晶显示器。

5.根据权利要求1所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述电源供电和输出电路包括：24V电源正极与二极管D1阳极连接；D1阴极与三极管T3发射极连接；T3集电极连接发光二极管LED1阳极；LED1阴极连接LED2阳极，LED2阴极和电阻R7连接；R7连接到24V电源负级；电阻R7与误差放大器U1正极相连；所述三极管T3集电极与发光二极管LED1之间的节点与低压差稳压器LDO U2的IN端连接；低压差稳压器U2的OUT端与前端电路相连；低压差稳压器U2与发光二极管LED2、电阻R7的节点端接地。

6.根据权利要求5所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述误差放大器U1通过电阻R6与三极管T3基极连接。

7.根据权利要求5所述的一种弹簧管智能压力变送器，其特征在于：所述误差放大器U1负极连接电阻R5与数字/模拟转换电路相连。

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