CN104792359A - 无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能控制与智能检测技术领域，无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，包括核容器封闭壳体、容器内温度参数测量转换单元、容器内压力参数测量转换单元、容器内液位参数测量转换单元及磁指针测量变送单元，所述容器内温度参数测量转换单元与容器内压力参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的上方，所述容器内液位参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的一侧，可同时对温度、压力、液位参数进行测量。本发明通过对环境温度的补偿解决了线性Hall传感器的零点电压漂移对霍尔元件间精确插值定位的影响，从而解决了因外部磁指针测量变送单元与容器内测量转换单元距离远、磁指针磁场信号弱造成的精度下降甚至不可测量的问题。

Description

无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器

技术领域

本发明涉及一种无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，属于智能控制与智能检测技术领域。

背景技术

对于核原料生产，安全运行是重中之重。在核工业生产工艺流程的设计中，为保障系统安全，不允许在压力容器上设计用于安装物料参数检测变送器的安装开孔。这一“安全性约束”为系统安全监测和自动控制功能的设计带来了很大的麻烦。由于核工业的保密特性，国际核行业巨头对相关核心技术机密讳莫如深。目前我国核材料的生产环节，在密闭核压力容器内部参数非接触检测方面的实用技术还不够成熟。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器。

为了实现上述发明目的，解决现有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，包括采用不锈钢板制成的核容器封闭壳体、容器内温度参数测量转换单元、容器内压力参数测量转换单元、容器内液位参数测量转换单元及磁指针测量变送单元，所述容器内温度参数测量转换单元，包括双金属感温元件、第一指针轴、金属保护套、第一指针、第一磁铁，所述双金属感温元件的一端固定在金属保护套上，另一端与第一指针轴相连接，所述第一指针轴与第一指针采用刚性连接，所述容器内压力参数测量转换单元，包括压力膜盒、刻度板、调整螺母、弧形连杆、第二指针、膜片、曲柄、微调螺钉、拉杆、拐臂、指针固定套、固定轴、游丝、引压管接头及第二磁铁，所述压力膜盒左端与引压管一体固定在容器内压力参数测量转换单元上，压力膜盒右端通过轴承与弧形连杆连接，所述弧形连杆通过齿轮与曲柄相连，所述曲柄通过拉杆与拐臂相连接，所述第二指针采用指针固定套固定在固定轴上，拐臂和游丝也固定在固定轴上，所述调整螺钉压在膜片上，拐臂上设有可调孔眼，用以改变拐臂的长度，用于实现传动比粗调，传动比的细调是通过调整微调螺钉改变曲柄的短臂长度来完成，零位调整是通过调整螺母来进行的，所述容器内温度参数测量转换单元与容器内压力参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的上方，所述容器内液位参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的一侧，它们均焊接在第一白钢板上，所述核容器封闭壳体的内外两侧分别焊接第二、三白钢板，所述第一白钢板通过第一螺纹与第二白钢板固定连接，所述第三白钢板通过第二螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的铅板固定连接，所述铅板通过第三螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的磁指针测量变送单元固定连接，所述磁指针测量变送单元通过铜柱与内部的磁指针测量变送单元电路板加以固定，可同时对温度、压力、液位参数进行测量。

所述容器内液位参数测量转换单元包括浮球、连接杆及伞齿轮传动机构，所述伞齿轮传动机构包括浮球连接孔、旋转轴、第一、二、三轴承、第一、二伞齿轮、第二指针轴、第三指针及第三磁铁，其中：所述浮球通过不锈钢转接头与连接杆连接、所述连接杆通过两个螺纹与伞齿轮传动机构紧固、所述浮球连接孔与旋转轴通过焊接连接、所述旋转轴通过第一、二轴承固定在支架上，所述第一伞齿轮焊接在旋转轴上，所述第二伞齿轮焊接在第二指针轴上并通过第三轴承固定在支架上，所述第三指针与第二指针轴采用刚性连接。

所述容器内温度参数测量转换单元中的第一指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第一磁铁，用于给第一指针提供磁场。

所述容器内压力参数测量转换单元中的第二指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第二磁铁，用于给第二指针提供磁场。

所述容器内液位参数测量转换单元中的第三指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第三磁铁，用于给第三指针提供磁场。

所述第一、二、三磁铁分别与外部磁指针测量变送单元之间间距为40-60mm。

所述磁指针测量变送单元，包括电源管理模块、HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块，其中：所述电源管理模块分别与HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块相连、所述温度测量与补偿模块通过AD口与MCU测量与数据分析模块相连、所述HALL元件测量与放大调理模块分别通过AD口、I/O口与MCU测量与数据分析模块相连，所述MCU测量与数据分析模块中的SP1、UART1及UART2口分别与信号输出接口模块中的4-20ma、RS485及zigbee口相连。

所述Hall元件测量与放大调理子模块，包括12个线性、型号为SS95A1的Hall传感器，每隔30度均匀分布于半径为37mm的圆环上。

本发明有益效果是：无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，包括采用不锈钢板制成的核容器封闭壳体、容器内温度参数测量转换单元、容器内压力参数测量转换单元、容器内液位参数测量转换单元及磁指针测量变送单元，所述容器内温度参数测量转换单元，包括双金属感温元件、第一指针轴、金属保护套、第一指针、第一磁铁，所述双金属感温元件的一端固定在金属保护套上，另一端与第一指针轴相连接，所述第一指针轴与第一指针采用刚性连接，所述容器内压力参数测量转换单元，包括压力膜盒、刻度板、调整螺母、弧形连杆、第二指针、膜片、曲柄、微调螺钉、拉杆、拐臂、指针固定套、固定轴、游丝、引压管接头及第二磁铁，所述压力膜盒左端与引压管一体固定在容器内压力参数测量转换单元上，压力膜盒右端通过轴承与弧形连杆连接，所述弧形连杆通过齿轮与曲柄相连，所述曲柄通过拉杆与拐臂相连接，所述第二指针采用指针固定套固定在固定轴上，拐臂和游丝也固定在固定轴上，所述调整螺钉压在膜片上，拐臂上设有可调孔眼，用以改变拐臂的长度，用于实现传动比粗调，传动比的细调是通过调整微调螺钉改变曲柄的短臂长度来完成，零位调整是通过调整螺母来进行的，所述容器内温度参数测量转换单元与容器内压力参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的上方，所述容器内液位参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的一侧，它们均焊接在第一白钢板上，所述核容器封闭壳体的内外两侧分别焊接第二、三白钢板，所述第一白钢板通过第一螺纹与第二白钢板固定连接，所述第三白钢板通过第二螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的铅板固定连接，所述铅板通过第三螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的磁指针测量变送单元固定连接，所述磁指针测量变送单元通过铜柱与内部的磁指针测量变送单元电路板加以固定，可同时对温度、压力、液位参数进行测量。与已有技术相比，本发明通过对环境温度的补偿解决了线性Hall传感器的零点电压漂移对霍尔元件间精确插值定位的影响，从而解决了因外部磁指针测量变送单元与容器内测量转换单元距离大、磁指针磁场信号弱造成的精度下降甚至不可测量的问题，实现磁指针角度的40-60mm远距离检测(实现0-270度内的1-2％测量精度)。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明中的容器内温度参数测量转换单元结构示意图。

图3是本发明中的容器内压力参数测量转换单元结构示意图。

图4是本发明中的容器内液位参数测量转换单元结构示意图。

图5是本发明中的伞齿轮传动机构结构示意图。

图6是本发明中的磁指针测量变送单元电路板结构框图。

图7是本发明中的Hall传感器布局图。

图中：1、核容器封闭壳体，2、第一白钢板，2a、第二白钢板，2b、第三白钢板，3、第一螺纹，3a、第二螺纹，3b、第三螺纹，4、铅板，5、铜柱，6、磁指针测量变送单元电路板，7、磁指针测量变送单元，8、容器内温度参数测量转换单元，8a、固定端，8b、双金属感温元件，8c、第一指针轴，8d、金属保护套，8e、刻度盘，8f、第一指针，8g、第一磁铁，9、容器内压力参数测量转换单元，9a、压力膜盒，9b、刻度板，9c、调整螺母，9d、弧形连杆，9e、第二指针，9f、膜片，9g、曲柄，9h、微调螺钉，9i、拉杆，9j、拐臂，9k、指针固定套，9l、固定轴，9m、游丝，9n、引压管接头，9o、第二磁铁，10、容器内液位参数测量转换单元，10a、浮球，10b、连接杆，10c、伞齿轮传动机构，10c1、浮球连接孔，10c2、旋转轴，10c3、第一轴承，10c4、第二轴承，10c5、第三轴承，10c6、第一伞齿轮，10c7、第二伞齿轮，10c8、第二指针轴，10c9、第三指针，10c10、第三磁铁，11、核容器中的物料，12、支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，包括采用不锈钢板制成的核容器封闭壳体1、容器内温度参数测量转换单元8、容器内压力参数测量转换单元9、容器内液位参数测量转换单元10及磁指针测量变送单元7，所述容器内温度参数测量转换单元8与容器内压力参数测量转换单元9位于核容器封闭壳体1内的上方，所述容器内液位参数测量转换单元10位于核容器封闭壳体1内的一侧，它们均焊接在第一白钢板2上，所述核容器封闭壳体1的内外两侧分别焊接第二、三白钢板2a、2b，所述第一白钢板2通过第一螺纹3与第二白钢板2a固定连接，所述第三白钢板2b通过第二螺纹3a与设置在核容器封闭壳体外部的铅板4固定连接，所述铅板4通过第三螺纹3b与设置在核容器封闭壳体1外部的磁指针测量变送单元7固定连接，所述磁指针测量变送单元7通过铜柱5与内部的磁指针测量变送单元电路板6加以固定，可同时对温度、压力、液位参数进行测量。

如图2所示，容器内温度参数测量转换单元8，包括双金属感温元件8b、第一指针轴8c、金属保护套8d、第一指针8f、第一磁铁8g，所述双金属感温元件8b的一端固定在金属保护套8d上，另一端与第一指针轴8c相连接，所述第一指针轴8c与第一指针8f采用刚性连接，所述第一指针8f端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第一磁铁8g，用于给第一指针8f提供磁场。测量转换过程如下：本发明的温度参数测量转换单元，在传统的双金属温度计的指针部分强化了刚度，并在第一指针末端安放了第一铝铁硼磁铁。当温度变化时，双金属感温元件发生形变，并通过第一指针轴带动第一指针偏转，根据对第一指针角度的线性关系换算出当前容器内的温度。

如图3所示，容器内压力参数测量转换单元9，包括压力膜盒9a、刻度板9b、调整螺母9c、弧形连杆9d、第二指针9e、膜片9f、曲柄9g、微调螺钉9h、拉杆9i、拐臂9j、指针固定套9k、固定轴9l、游丝9m、引压管接头9n及第二磁铁9o，所述压力膜盒9a左端与引压管接头9n一体固定在容器内压力参数测量转换单元9上，压力膜盒9a右端通过轴承与弧形连杆9d连接，所述弧形连杆9d通过齿轮与曲柄9g相连，所述曲柄9g通过拉杆9i与拐臂9j相连接，所述第二指针9e采用指针固定套9k固定在固定轴9l上，拐臂9j和游丝9m也固定在固定轴9l上，所述微调螺钉9h压在膜片9f上，拐臂9j上设有可调孔眼，用以改变拐臂9j的长度，用于实现传动比粗调，传动比的细调是通过调整微调螺钉9h改变曲柄9g的短臂长度来完成，零位调整是通过调整螺母9c来进行的。所述第二指针9e端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第二磁铁9o，用于给第二指针9e提供磁场。测量转换过程如下：本发明在传统的膜盒压力转换装置的指针部分强化结构刚度，并在第二指针的末端安放了第二铝铁硼磁铁，膜盒压力表中的磁场分布随着指针的移动而改变，当外部压力作用于导压管引入到膜盒时，膜盒产生位移，由此而移动弧形连杆，带动曲柄、拉杆、拐臂，然后推动第二指针旋转，通过对第二指针角度的线性关系换算出当前容器内的压力。

如图4、5所示，容器内液位参数测量转换单元10包括浮球10a、连接杆10b及伞齿轮传动机构10c，所述伞齿轮传动机构10c包括浮球连接孔10c1、旋转轴10c2、第一、二、三轴承10c3、10c4、10c5，第一、二伞齿轮10c6、10c7，第二指针轴10c8、第三指针10c9及第三磁铁10c10，其中：所述浮球10a通过不锈钢转接头与连接杆10b连接、所述连接杆10b通过两个螺纹与伞齿轮传动机构10c紧固、所述浮球连接孔10c1与旋转轴10c2通过焊接连接、所述旋转轴10c2通过第一、二轴承10c3、10c4固定在支架12上，所述第一伞齿轮10c6焊接在旋转轴10c2上，所述第二伞齿轮10c7焊接在第二指针轴10c8上并通过第三轴承10c5固定在支架12上，所述第三指针10c9与第二指针轴10c8采用刚性连接，所述容器内液位参数测量转换单元10中的第三指针10c9端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第三磁铁10c10，用于给第三指针10c9提供磁场。所述第一、二、三磁铁8g、9o、10c10分别与外部磁指针测量变送单元7之间间距为40-60mm。测量转换过程如下：浮球随着核反应容器中的物料液位变化而浮动，通过链接杆将液位变化传送给伞齿轮传动机构。再通过第一伞齿轮和第二伞齿轮将浮球的移动转化为第三指针的旋转，从而改变磁场的分布，并在第三指针的末端安放了第三铝铁硼磁铁，通过对第三指针角度的三角函数关系换算出当前核容器内的物料液位。

如图6所示，磁指针测量变送单元电路板6，包括电源管理模块、HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块，其中：所述电源管理模块分别与HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块相连、所述温度测量与补偿模块通过AD口与MCU测量与数据分析模块相连、所述HALL元件测量与放大调理模块分别通过AD口、I/O口与MCU测量与数据分析模块相连，所述MCU测量与数据分析模块中的SP1、UART1及UART2口分别与信号输出接口模块中的4-20ma、RS485及zigbee口相连。所述Hall元件测量与放大调理子模块，包括12个线性、型号为SS95A1的Hall传感器，每隔30度均匀分布于半径为37mm的圆环上。

所述电源管理模块包括9个可控电源管理芯片，型号为TPS78230。其中6个芯片用来控制12个线性Hall传感器的工作状态，即每个电源芯片控制2个线性Hall传感器。为了降低功耗，每次只让一组(2个)Hall传感器处于工作状态，并且我们每5s采集一次数据，让整体工作时间与轮空时间的比例保持在1：20。1个电源芯片给单片机以及其他芯片供电，1个电源芯片控制RS485接口，1个电源芯片控制zigbee接口。最后实际测量的该电路正常工作功耗为4ma，能够在一个100000ma/h的锂电池下工作接近3年。

所述Hall元件测量与放大调理模块包括12个线性Hall元件，每隔30度均匀分布于半径为37mm的圆环上，型号为SS95A1，该传感器的灵敏度为3.125±0.094mV/G，零点漂移±0.04％/℃，功耗为7mA在5VDC。在目前市场上属于低功耗、低温漂、高灵敏度的一款经济型线性Hall传感器。2个多路开关选择芯片，型号是CD74HCT4051，8选1，它开关转换时间为500ns，每个芯片连接6路线性Hall传感器。1个放大器，型号是ADA4500，它一款高输入阻抗，低噪声的运放，放大电路的作用是将多路开关的信号减去2.3v的电压并且将得到的电压值放大10倍传入到单片机的AD中。

所述温度测量与补偿模块模块由一个Pt1000和两个运放组成的处理电路构成。为了降低功耗，将一个30k的电阻R1与PT1000串联将Vref(2.5V)参考电压分压，PT1000的分压所得电压经过一个二级正反馈放大电路，第一级放大倍数为(1+R3/R2)＝1.122，第二级放大倍数为(1+R7/R6)＝41.816。另外用阻值为100K的R4与阻值为3K的R5串联将Vref(2.5V)参考电压分压，并将R5所得电压经过一个电压跟随器后又经过一个负反馈放大电路，放大倍数为-(R7/R6)＝-40.816。最后输入AD采样的信号为：

$\mathrm{Vref}[\left(\frac{\mathrm{Pt}1000}{\mathrm{Pt}1000+R1}\right)(1+\frac{R3}{R2})(1+\frac{R7}{R6})-\frac{R5}{R4}\frac{R7}{R6}]$

所述MCU测量与数据分析模块的主要功能是将Hall元件和环境的温度AD采样值进行处理分析，最后得出对应的角度，转化为标准的输出。

所述信号输出接口模块包括V/I转换接口(4-20MA)、RS485输出和zigbee输出3个可配置接口。将角度信号通过DA转化为0-5V在经过V/I转换模块输出4-20MA标准电流环信号，RS485用MODBUS协议，Zigbee用API模式。

Claims (8)

1.无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，包括采用不锈钢板制成的核容器封闭壳体、容器内温度参数测量转换单元、容器内压力参数测量转换单元、容器内液位参数测量转换单元及磁指针测量变送单元，所述容器内温度参数测量转换单元，包括双金属感温元件、第一指针轴、金属保护套、第一指针、第一磁铁，所述双金属感温元件的一端固定在金属保护套上，另一端与第一指针轴相连接，所述第一指针轴与第一指针采用刚性连接，所述容器内压力参数测量转换单元，包括压力膜盒、刻度板、调整螺母、弧形连杆、第二指针、膜片、曲柄、微调螺钉、拉杆、拐臂、指针固定套、固定轴、游丝、引压管接头及第二磁铁，所述压力膜盒左端与引压管一体固定在容器内压力参数测量转换单元上，压力膜盒右端通过轴承与弧形连杆连接，所述弧形连杆通过齿轮与曲柄相连，所述曲柄通过拉杆与拐臂相连接，所述第二指针采用指针固定套固定在固定轴上，拐臂和游丝也固定在固定轴上，所述调整螺钉压在膜片上，拐臂上设有可调孔眼，用以改变拐臂的长度，用于实现传动比粗调，传动比的细调是通过调整微调螺钉改变曲柄的短臂长度来完成，零位调整是通过调整螺母来进行的，其特征在于：所述容器内温度参数测量转换单元与容器内压力参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的上方，所述容器内液位参数测量转换单元位于核容器封闭壳体内的一侧，它们均焊接在第一白钢板上，所述核容器封闭壳体的内外两侧分别焊接第二、三白钢板，所述第一白钢板通过第一螺纹与第二白钢板固定连接，所述第三白钢板通过第二螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的铅板固定连接，所述铅板通过第三螺纹与设置在核容器封闭壳体外部的磁指针测量变送单元固定连接，所述磁指针测量变送单元通过铜柱与内部的磁指针测量变送单元电路板加以固定，可同时对温度、压力、液位参数进行测量。

2.根据权利要求1所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述容器内液位参数测量转换单元包括浮球、连接杆及伞齿轮传动机构，所述伞齿轮传动机构包括浮球连接孔、旋转轴、第一、二、三轴承、第一、二伞齿轮、第二指针轴、第三指针及第三磁铁，其中：所述浮球通过不锈钢转接头与连接杆连接、所述连接杆通过两个螺纹与伞齿轮传动机构紧固、所述浮球连接孔与旋转轴通过焊接连接、所述旋转轴通过第一、二轴承固定在支架上，所述第一伞齿轮焊接在旋转轴上，所述第二伞齿轮焊接在第二指针轴上并通过第三轴承固定在支架上，所述第三指针与第二指针轴采用刚性连接。

3.根据权利要求1所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述容器内温度参数测量转换单元中的第一指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第一磁铁，用于给第一指针提供磁场。

4.根据权利要求1所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述容器内压力参数测量转换单元中的第二指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第二磁铁，用于给第二指针提供磁场。

5.根据权利要求2所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述容器内液位参数测量转换单元中的第三指针端部37mm处安放材质选自铝铁硼制成的第三磁铁，用于给第三指针提供磁场。

6.根据权利要求1或2所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述第一、二、三磁铁分别与外部磁指针测量变送单元之间间距为40-60mm。

7.根据权利要求1所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述磁指针测量变送单元电路板，包括电源管理模块、HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块，其中：所述电源管理模块分别与HALL元件测量与放大调理模块、温度测量与补偿模块、MCU测量与数据分析模块及信号输出接口模块相连、所述温度测量与补偿模块通过AD口与MCU测量与数据分析模块相连、所述HALL元件测量与放大调理模块分别通过AD口、I/O口与MCU测量与数据分析模块相连，所述MCU测量与数据分析模块中的SP1、UART1及UART2口分别与信号输出接口模块中的4-20ma、RS485及zigbee口相连。

8.根据权利要求7所述无开孔核容器用磁指针式非接触温度、压力、液位测量变送器，其特征在于：所述Hall元件测量与放大调理模块，包括12个线性、型号为SS95A1的Hall传感器，每隔30度均匀分布于半径为37mm的圆环上。