CN104420865A - 一种石化井用一体化智能传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石化井用一体化智能传感器,包括显控部件、变送器壳体、M12标准连接器、变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板，其特征在于，所述变送器壳体一端设置显控部件，另一端设置M12标准连接器，变送器壳体内设置变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板。本发明借鉴国外先进技术，使结构小型化，集测温元件与信号转换放大功能于一体的新型传感器。通过敏感元件产生电信号，经变送器组件处理后，可输出4～20mADC的标准信号以及485信号,支持MODBUS或hart等常用通信协议，并且能与显示仪表、模拟调节仪表或计算机控制系统方便连接，主要应用于油田、井用及其他工业控制场合，对被测介质温度、压力进行检测或控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种石化井用一体化智能传感器。
背景技术
石化行业井下工作环境恶劣，面临富氢环境下的长使用寿命、精度和稳定性、多点感应、本质安全、极端表面温度等问题，对传感器设计带来很多挑战。同时，传统传感器在功能上的匮乏已经远远不能满足当今实际需要。
发明内容
为解决上述现有的缺点，本发明的主要目的在于提供一种实用的石化井用一体化智能传感器,采用了高性能微处理器来处理数据，能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，提高精度和性价比。实时进行系统的故障自检，并作出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的系统特性漂移，其数字信号处理方式又有效地减少元器件特性漂移对信号的影响，从而提高系统的稳定性。通过软件对传感元件采集到的信息进行有效处理，去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉对灵敏度的影响，保证在多参数影响情况下对目标参数测量的分辨力，获得高信噪比和高分辨率。可灵活适应多种不同的应用场合与使用要求。它能自动对采集到的信息进行处理，对通讯速率等进行优化；在要求输出信号形式改变的情况下，只需更改系统组态就可实现，无需修改硬件，从而增强了系统的适应能力。
为达成以上所述的目的，本发明的一种石化井用一体化智能传感器采取如下技术方案：
一种石化井用一体化智能传感器,包括显控部件、变送器壳体、M12标准连接器、变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板，其特征在于，所述变送器壳体一端设置显控部件，另一端设置M12标准连接器，变送器壳体内固定连接设置变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板。
采用如上技术方案的本发明，具有如下有益效果：
采用了高性能微处理器来处理数据，能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，提高精度和性价比。实时进行系统的故障自检，并作出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的系统特性漂移，其数字信号处理方式又有效地减少元器件特性漂移对信号的影响，从而提高系统的稳定性。通过软件对传感元件采集到的信息进行有效处理，去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉对灵敏度的影响，保证在多参数影响情况下对目标参数测量的分辨力，获得高信噪比和高分辨率。可灵活适应多种不同的应用场合与使用要求。它能自动对采集到的信息进行处理，对通讯速率等进行优化；在要求输出信号形式改变的情况下，只需更改系统组态就可实现，无需修改硬件，从而增强了系统的适应能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的内部结构示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
如图1和图2所示，本发明的一种石化井用一体化智能传感器,包括显控部件1、变送器壳体2、M12标准连接器3、变送器模拟电路板4、数字转换板5和显示控制板6，变送器壳体2一端设置显控部件1，另一端设置M12标准连接器3，变送器壳体2内固定连接设置变送器模拟电路板4、数字转换板5和显示控制板6。显控部件1、变送器壳体2、M12标准连接器3一体化组成，通体不锈钢设计，以提高IP防护等级、增强在恶劣环境下的工作能力，内部包括变送器模拟电路板4、数字转换板5、显示控制板6三块印制电路板。在设计上打破了传统的传感器设计原理，缩小了传感器尺寸的同时，实现了灵活的安装方式、系统可靠性高、高精度等级测量和信息传输功能，项目的研制成功填补了国内市场空白，具有广阔市场应用前景。显示控制板6提供两个按钮用于快速菜单翻转与选择，Enter按钮用于修改的安全储存；传感器上体能够旋转，配以45倾角的清晰数显功能，满足各种安装要求；测量精度最高能够达到0.2K，仅使用少量不同的产品即可覆盖较大范围的温度传感器应用；通体不锈钢材料设计，加以高性能EMC特性和IP65防护等级，确保操作安全性。采用先进的半导体电子技术和集成电路技术，使得工作原理和结构都十分简单。测温元件为铂热电阻或铜热电阻的变送器，其线路由测量、放大、整形、调整和信号转换等几部分组成。在被测介质的温度发生变化时，测温元件的电阻值将发生相应的变化，此变化经测量线路转换为电信号，在经高稳定性运算放大器放大，线形化校正电路进行精确的线形补偿，最后输出一个与被测温度成线形关系的4～20mADC电流信号。对于测温元件为热电偶的变送器，其线路组成除此几部分外，还具有冷端补偿电路。作为压力传感器时，被测介质的压力直接作用于传感器的扩散硅膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。系统分为模拟信号采集/处理、数字信息处理及通讯、人机界面3个子系统。电路均采用模块化设计方法，具体划分为模拟电路板、数字电路板、显示控制板3个部分。模拟板将现场参量信号经过PT100(或其它类似传感元件，如Cu50、PT1000、压阻式压力传感器或差分应变电桥电路等等)进行转换，采用精准恒流源/恒压源驱动、全差分电桥测量方式，将温度（或压力、应变电信号等等，以下均以温度参量示例）信号转换为0.4～2V对应电压信号，并可进行VI转换----输出标准4～20mA模拟量电流，以方便连接二次仪表/设备；模拟板转换后的电压信号送至数字电路板进行AD转换并进行数字滤波处理，AD转换后的数值依据PT100分度表进行非线性转换，转换结果通过I2C接口控制显示输出,并可提供HART或MODBUS现场总线通讯,以便于现场总线控制。显示板接受来自数字板的数据并可通过对应按键对系统参数进行调整,以满足通用性/一致性要求。系统软件功能丰富，采用开机自检、满量程自标校、硬件错误告警、软件数据双备份自纠错、自动定时退出死循环等多项实用技术，确保现场环境下的产品功能及安全性。
本发明的一种石化井用一体化智能传感器,参考国内外最新技术的基础上，立足自主探索和技术攻关，采用了“精准恒流源/恒压源激励”、“全差分电桥检测”、“数字滤波”、“VI转换抗干扰”和“环境温度自适应补偿”等技术，有效解决了精度和稳定性问题；采用通体不锈钢设计和内部结构优化，实现了高防护等级，提升了在恶劣环境下的工作能力；依照MODBUS等现场总线通讯协议，定位于分布式现场测量、显示、操作，并有利于连接二次仪表及组网应用设计目标，直接利用现场总线控制原则进行开发，方便构建传感器网；同时，本项目具备开机自检、满量程自标校、软件失效安全自纠错等丰富功能，集传感信号采集、变送、显示、控制、报警及通讯于一身；本项目产品具备体积小、精度高、通用性高、互换性强等优点，技术水平处于国际先进、国内领先水平。模拟电路板采用“精准恒流源/恒压源驱动” 技术设计，可激励多种传感器敏感元件及驱动各种差分电桥类型电路，模拟量信号通过“全差分电桥检测”电路进行放大输出，后续电路采用“VI转换抗干扰”及“环境自适应温度补偿”技术，使其具有广泛的通用性及互换性，满足工业及民用现场对多种参量的测量、处理需要，并增加系统的通用性。模拟量信号对现场环境适应性差，其中尤以温度影响最大。设计现场安装型传感器必须考虑现场环境特别是温度对测量精度的影响。为尽量减少现场环境温度对系统的影响，本系统从两个方面进行了优化：分立元件，本系统所有分立元件使用高精度级别类型并进行严格老炼筛选，确保系统的一致性及可靠性；电路板布局，本系统电路板使用模块化设计方法，在电路板布局上将对温度最敏感的模拟电路板放置在底层，防止热源集中。采用“量程迁移”、“软件失效安全自纠错”、“数字滤波”技术对采集信号进行了优化，加强了适应性。同时，为避免现场环境的剧烈变化及考虑敏感元件的互换性，在软件设置上增加了误差补偿功能，以保证产品的可靠连续运行。反复优化结构设计，将多种功能集成在很小的外壳尺寸里，最终成型产品外形尺寸仅为￠36*140（圆径及长度）；采用316不锈钢外壳，提升了EMC及IP防护等级;敏感元件可通过连接电缆进行分体式安装，减少了恶劣环境影响;配套电缆和适配器实现了标准化、系列化，便于移植使用。
本发明的一种石化井用一体化智能传感器,采用了高性能微处理器来处理数据，能以很高的采样速率和很低的采样分辨率将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，提高精度和性价比。实时进行系统的故障自检，并作出异常情况的应急处理，避免因传感器系统本身故障而引起整个测控系统出错，大大提高可靠性。通过数据处理来自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的系统特性漂移，其数字信号处理方式又有效地减少元器件特性漂移对信号的影响，从而提高系统的稳定性。通过软件对传感元件采集到的信息进行有效处理，去除输入信号中夹杂的噪声，将有用信号提取出来，还可以消除多参数状态下交叉对灵敏度的影响，保证在多参数影响情况下对目标参数测量的分辨力，获得高信噪比和高分辨率。可灵活适应多种不同的应用场合与使用要求。它能自动对采集到的信息进行处理，对通讯速率等进行优化；在要求输出信号形式改变的情况下，只需更改系统组态就可实现，无需修改硬件，从而增强了系统的适应能力。
Claims (1)
1. 一种石化井用一体化智能传感器,包括显控部件、变送器壳体、M12标准连接器、变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板，其特征在于，所述变送器壳体一端设置显控部件，另一端设置M12标准连接器，变送器壳体内固定连接设置变送器模拟电路板、数字转换板和显示控制板。
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