CN106257255A

CN106257255A - 电动压力变送器

Info

Publication number: CN106257255A
Application number: CN201610372883.8A
Authority: CN
Inventors: 张可贵; 韩笑
Original assignee: Dqing Meilong Measurement And Control Technology Co Ltd
Current assignee: MAGNESIUM DAQING HUA INSTRUMENT WEIGHING LIMITED
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-12-28

Abstract

一种电动压力变送器，该变送器包括后盖、前盖、壳体、出线口螺栓、密封丝堵以及传感器接头，壳体内设置有线路板，后盖和前盖分别相对设置在壳体的两侧，出线口螺栓和密封丝堵分别相对设置在壳体的另外两侧，在壳体的下方设置有传感器接头。传感器接头的插入壳体的一端中设置有充油芯体，充油芯体与壳体之间灌封了环氧树脂胶，传感器接头与壳体之间的内接触面为螺纹隔爆接合面，所述线路板上的电路包括压力变送模块、信号处理模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块。该电动压力变送器操作方便，适应性广，而成本较低，不但可以现场读取监测数据，还可以通过无线收发模块和天线，将监测数据实时发送至控制中心，实现数字化生产。

Description

电动压力变送器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及电动压力变送器。

背景技术

变送器作为现代工业自动化生产中重要的组成元件，是采集现场信息的基本来源。目前，伴随着工业仪表技术的发展，作为底层测控仪表的变送器也经历了从模拟型、智能数字型到智能现场总线型三个主要的发展阶段。

二十世纪六七十年代，工业仪表逐渐使用了4-20mA的DC（直流）标准信号，直到现今此信号的电动单元组合仪表依然在自动化生产领域广泛地应用。伴随着微处理器技术的快速发展，分布式控制系统DCS开始在自控行业逐渐推广，传统的DCS系统并不在控制层组成数字通信网络，现场仪表使用标准直流信号传送模式和中控室进行通信，由于DCS系统没有统一的行业标准，不同系列的产品缺少兼容性，因此系统不能对外开放，导致用户使用的诸多不便，并阻碍了DCS系统的发展进程。

步入二十世纪八十年代中期，依托微处理器技术，通过将集成电路芯片以及部分外围电路嵌入现场仪表中，并将传感器的模拟信号经过离散化处理，再由数据运算单元处理后，将信号传送到中控室。采用数字信号的传输方式可以很好地改善在传统的模拟信号传输中存在的抗干扰能力差、信号变化缓慢、精度降低等问题，极大地提高了信号的转换精度和传输可靠性。

伴随着控制技术、计算机技术、通信技术的迅速发展以及计算机集成制造系统(简称CIMS )的发展需求，促进了现场总线技术的产生与快速发展，推动着工业控制系统和仪器仪表向着现场总线控制系统和总线型仪表的迈进。传统的模拟仪表采用4-20mA的传输方式由能够同时传输多台现场仪表信号的现场总线方式所替代。现场总线不仅可以使仪表传输线得以简化，节约布线消耗，而且可以利用光纤、同轴线、双绞线等多种传输介质，使信号在不同现场状况下的传输适应性极大地提高。现场总线型仪表与控制系统之间的数据传输不再是单向的，而是可以双向交互，极大地降低信号传输的误差，提升了现场仪表的纠错能力和控制精度。现场总线型仪表具备了自诊断和某些控制功能，提升了仪表的智能化，从而减轻了上位机的负担。同时上位机可以通过现场总线对总线上的智能仪表进行校验、组态和测试，从而改善了系统的实时性、可靠性。总之，现场总线仪表是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线一起组成FCS（Field Bus Control System，现场总线控制系统）的两个重要部分，将给传统的控制系统结构和方法带来革命性的变化。

目前市场上的电动压力变送器普遍存在一些不足之处：1）只能实现现场读数，不能实现监测数据的远程传送，难以适应现阶段数字化生产的需求；2）在对高温介质进行检测时，高温环境可能会对表头内的电路元件造成损坏，因此只能采用耐高温元件，但耐高温元件的价格较高，导致产品整体成本居高不下；3）设备开启或关闭时，突变压力的冲击会大大缩短压力传感器的寿命。因此自主开发研制一种可远程传送数据的、耐高温低成本的、可缓冲突变压力的电动压力变送器已成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明公开了一种结构简单合理、精度高性能稳定、传感器适应性广、量程可调、成本较低的电动压力变送器，以克服现有技术中的不足之处。

本发明所采用的技术方案是：

一种电动压力变送器，该变送器包括后盖、前盖、壳体、出线口螺栓、密封丝堵以及传感器接头，壳体内设置有线路板，后盖和前盖分别相对设置在壳体的两侧，出线口螺栓和密封丝堵分别相对设置在壳体的另外两侧，在壳体的下方设置有传感器接头，其特征在于：

传感器接头的一端插入壳体中，并通过压紧螺丝与壳体相连接，传感器接头的插入壳体的一端中设置有充油芯体，充油芯体与壳体之间灌封了环氧树脂胶，灌封长度≥20mm；传感器接头与壳体之间的内接触面为螺纹隔爆接合面，该接合面的啮合扣数≥6扣、啮合长度≥8mm，在螺纹隔爆接合面的外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈，传感器接头与壳体之间设置有开槽锥端紧定螺钉；

后盖、前盖与壳体之间的内接触面均为螺纹隔爆接合面，该接合面的啮合扣数≥6扣、啮合长度≥8mm，在螺纹隔爆接合面的外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈；出线口螺栓插入壳体中，出线口螺栓与壳体之间灌封了环氧树脂胶，灌封长度≥20mm，灌封层与出线口螺栓之间设置有金属垫圈，密封丝堵与壳体接触面外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈；

所述线路板上的电路包括压力变送模块、信号处理模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块，该压力变送模块与信号处理模块连接，信号处理模块与处理器连接，由压力变送模块采集到的信号经过信号处理模块调整后送入处理器，显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块分别与处理器连接；

其中，压力变送模块由采集、转换、线性度调整几个部分组成，其中，采集部分由接线端、电容和电阻组成，转换部分由温度-电流变送器芯片XTR105内部电路完成，线性度调整部分由可调电阻和固定电阻组成；

所述接线端依次包括0+、E-、E+、E-、0-五个接线点，其中接线点E+连接该变送器芯片的第1脚，接线点0+连接该变送器芯片的第13脚，同时连接电容C4后接地，该电容C4采用瓷片电容103，接线点0-连接该变送器芯片的第2脚，同时连接电容C5后接地，该电容C5采用瓷片电容103，两个接线点E-分别连接可调电阻Z的定片引脚，可调电阻Z为50欧；

三极管Q采用BD139，三极管Q的基极、集电极和发射极分别连接变送器芯片的第9脚、第10脚和第8脚，该变送器芯片的第10脚和第7脚之间并联有滤波电容C1、C2、C3，其中C2、C3串联后与C1并联，滤波电容C1、C2、C3均采用瓷片电容103；

该变送器芯片的第10脚和第7脚之间并联有二极管D2，并且10脚串联二极管D1和电阻R1后与24V直流电源接入点VCC连接，其中二极管D1采用4007、二极管D2采用4753，电阻R1为1K欧；该变送器芯片的第3脚和第4脚之间串联有可调电阻S 201以及电阻R3，其中R3为39欧；该变送器芯片的第13脚和第2脚之间并联有电容C6，该电容C6采用瓷片电容103；该变送器芯片的第6脚接地，电阻R4和电容C8并联后分别与可调电阻Z的动片引脚和该变送器芯片的第6脚串联，其中电阻R4为1K欧，该电容C8采用瓷片电容103。

优选的，所述信号处理模块包括前置放大电路和电压放大电路，所述前置放大电路为差分放大电路，所述电压放大电路为比例放大电路。

优选的，所述处理器采用8位微控制器芯片MC9S08DZ60。

优选的，所述无线传输模块采用无线射频收发芯片NRF905。

优选的，所述CAN通信模块采用CAN总线收发器芯片PCA82C251。

优选的，所述显示模块采用液晶显示控制及驱动器HD44780。

本发明的电动压力变送器所能获得的有益效果是：

1）该电动压力变送器可以对PT100, PT1000, NTC等传感器进行测量，只需调整变阻器阻值，操作方便，适应性广，而成本较低，仅为市场价格的1/3左右.电路中所使用芯片XTR105可对铂电阻中的二次项进行线性化补偿，从而使RTD的非线性大大改善；

2）该电动压力变送器不但可以现场读取监测数据，还可以通过无线收发模块和天线，将监测数据实时发送至控制中心，实现数字化生产。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为压力变送模块的电路示意图；

图3为信号处理模块的电路示意图；

图4为无线传输模块的电路示意图；

图5为CAN通信模块的电路示意图；

图6为本发明的电动压力变送器的总装配示意图；

图7为本发明的电动压力变送器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

图1示出了本发明的电动压力变送器的系统结构示意图。如图1所示，该电动压力变送器中包括压力变送模块、信号处理模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块。压力变送模块将采集到的信号经过信号处理模块调整后送入处理器，处理器对接收到的信号进行分析，将分析后的数据送入显示模块进行数据显示，送入无线传输模块中等待无线传输，送入CAN通信模块中等待通过现场CAN总线来发送数据。

处理器是智能变送器的核心。本发明的电动压力变送器中采用8位微控制器MC9S08DZ60作为主控制器。MC9S08DZ60带有CAN 总线通信接口，支持V2.0协议，可方便实现CAN总线的通信协议；具有2个SCI接口、1个SPI接口、1个I²C接口、1个6通道定时器模块、1个2通道定时器模块、1个8位模数计数器；功耗低、抗干扰能力强，适合于恶劣的工作环境；片内有60 KB的FLASH存储器，支持单线背景调试模式、片上及在线仿真（ICE），带总线实时捕获功能，开发成本低，具有丰富的指令系统；有24通道的12位数模转换器（ADC），可以满足高精度的测量要求，实现对压力放大信号的模数转换，简化了硬件电路，提高了系统精度。

图2为压力变送模块的电路示意图。如图2所示，该变送模块由采集、转换、线性度调整几个部分组成，其中，采集部分由接线端、电容和电阻组成，接线端连接传感器，随温度变化改变阻值，从而将电阻信号转换为电流进入芯片。转换部分由芯片IC1内部电路完成，芯片IC1采用美国BB 公司生产的XTR105芯片是一种温度-电流变送器芯片，可以将传感器阻值随温度的变化量转换为电流信号。

接线端依次包括0+、E-、E+、E-、0-五个接线点，其中接线点E+连接该变送器芯片的第1脚，接线点0+连接该变送器芯片的第13脚，同时连接电容C4后接地，该电容C4采用瓷片电容103，接线点0-连接该变送器芯片的第2脚，同时连接电容C5后接地，该电容C5采用瓷片电容103，两个接线点E-分别连接可调电阻Z的定片引脚，可调电阻Z为50欧。

三极管Q采用BD139，三极管Q的基极、集电极和发射极分别连接变送器芯片的第9脚、第10脚和第8脚，三极管Q为V/I转换使用，将电压信号转换为恒流源输出。该变送器芯片的第10脚和第7脚之间并联有滤波电容C1、C2、C3，其中C2、C3串联后与C1并联，滤波电容C1、C2、C3均采用瓷片电容103，以防止干扰。

该变送器芯片的第10脚和第7脚之间并联有二极管D2，并且10脚串联二极管D1和电阻R1后与24V直流电源接入点VCC连接，其中二极管D1采用4007、二极管D2采用4753，电阻R1为1K欧。二极管D1、D2以及电阻R1组成了防接线错误保护电路。该变送器芯片的第3脚和第4脚之间串联有可调电阻S 201以及电阻R3，其中R3为39欧。为了适应各种传感器的线性度，需要由线性度调整部来进行线性度调整，可调电阻S和电阻R3作为温度输出电流的线性度调整使用。该变送器芯片的第13脚和第2脚之间并联有电容C6，该电容C6采用瓷片电容103。该变送器芯片的第6脚接地。电阻R4和电容C8并联后分别与可调电阻Z的动片引脚和该变送器芯片的第6脚串联，其中电阻R4为1K欧，该电容C8采用瓷片电容103。

图3为信号处理模块的电路示意图，信号处理模块的主要功能在于对信号进行放大。如图3所示，信号处理模块中的放大电路分为前置放大电路和电压放大电路。集成运算放大器采用LM358，SO-8贴片封装。

上述前置放大电路为差分放大电路，其中R5、R6阻值为1 kΩ，R7、R8为反馈电阻，分别有4个可选阻值：10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。当R5=R6，R7=R8时，差分放大倍数A1=R7/R5。通过继电器进行R7、R8阻值的同步选择，实现4个档位10、50、100、500的倍数放大。C1减小系统的响应时间。R9、C2用来滤除LM358的斩波尖峰噪声。

上述电压放大电路为比例放大电路，主要是将电压值进行二次放大，实现多量程宽量程的灵活选择。其中R10、R11阻值为1 kΩ，R12为反馈电阻，R12、R13 分别有四个可选阻值1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ、10 kΩ。R11//R13组成平衡电阻，满足R10//R12=R11//R13，平衡电阻使得集成运放的两输入端对地直流电阻相等，从而保证偏置电流不会产生附加的失调电压。

比例放大倍数A2为：A2=R12/R10。通过继电器进行R12、R13阻值的同步选择，实现1、2、4、10的倍数放大和平衡输入电阻。C3减小系统的响应时间。R14取10Ω，C4取0.01μF，R14和C4组成输出RC滤波电路。D4、D5为钳位保护电阻，使得输出电压值箝位在0-3.3V之间，保护芯片不受损坏。

信号处理模块共有11个档位，放大倍数分别为：10、20、40、50、100、200、400、500、1000、2000、5000。处理器软件实现自动量程选择与切换，尽量将所测量值位于当前量程的中间1/3的数值范围内，提高分辨率和测量精度。

图4为无线传输模块的电路示意图。无线传输模块采用无线射频收发芯片NRF905。NRF905是挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体的芯片，工作电压为1.9-3.6V，可通过编程工作于433/868/915 MHz 3个ISM频段，使用SPI接口与处理器通信，配置非常方便。NRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表面滤波器，其外部连接元件包括一个基准晶振、RF偏压电阻等几个部分，是目前集成度较高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、开发简单等优点。

NRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控（GFSK）调制方式，抗干扰能力强，能很好的减少噪声环境对系统性能的影响。与幅移键控（ASK）和开关键控（On Off Keying）方式相比，GFSK的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合通信更加可靠，更适合工业现场控制场合。

无线传输模块中的NRF905采用单端输出典型应用电路。图4中涉及无线发射部分的器件均为高精度器件，晶体振荡器应选用温度系数较低产品，以保证设备无线通信相关参数的一致性。

图5为CAN通信模块的电路示意图。如图5所示，该电动压力变送器的CAN 通信模块主要是利用MC9S08DZ60自身集成的MSCAN 控制器模块，配以CAN总线收发器PCA82C251来实现与上位机和其它节点的通信功能。MSCAN通过PCA82C251和CAN总线相连。在MC9S08DZ60的TXCAN和RXCAN与PCA82C251的TXD和RXD之间连接了光耦6N137，以增强CAN总线节点的抗干扰能力，实现总线各节点间的电气隔离。

图6为本发明的电动压力变送器的总装配示意图。在图6中，1为环氧树脂胶，2为金属垫圈，3为出线口螺栓，4为O型橡胶密封圈Φ18*2.65，5为标牌，6为标牌铆钉Φ 3*5，7为密封丝堵。

图7为本发明的电动压力变送器的结构示意图。在图7中，8为后盖，9为开槽盘头螺钉M4*10，10为平垫圈d=4，11为线路板，14为接线端，15为壳体，16为O型橡胶密封圈Φ58.5*3.55，17为前盖，18为开槽锥端紧定螺钉M4*12，19为O型橡胶密封圈Φ24*2.65，20为传感器接头，21为充油芯体PC10，22为压紧螺丝，23为胶粘接合面L≥10，24、25为螺纹隔爆接合面，啮合扣数≥6扣，啮合长度≥8mm，26为灌封的704环氧树脂胶，灌封长度≥20mm。

如图6和7所示，该电动压力变送器包括后盖8、前盖17、壳体15、出线口螺栓3、密封丝堵7、传感器接头20，壳体15内设置有线路板11，后盖8和前盖17分别相对设置在壳体15的两侧，出线口螺栓3和密封丝堵7分别相对设置在壳体15的另外两侧，在壳体15的下方设置有传感器接头20。

其中传感器接头20的一端插入壳体15中，并通过压紧螺丝22与壳体15相连接，传感器接头20的插入壳体15的一端中设置有充油芯体21 PC10，充油芯体与壳体15之间灌封了704环氧树脂胶26，灌封长度≥20mm。传感器接头20与壳体15之间的内接触面为螺纹隔爆接合面，该接合面的啮合扣数≥6扣、啮合长度≥8mm，在螺纹隔爆接合面的外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈Φ24*2.65，传感器接头20与壳体15之间设置有开槽锥端紧定螺钉18。

后盖8、前盖17与壳体15之间的内接触面均为螺纹隔爆接合面，该接合面的啮合扣数≥6扣、啮合长度≥8mm，在螺纹隔爆接合面的外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈16 Φ58.5*3.55。出线口螺栓3插入壳体15中，出线口螺栓3与壳体15之间灌封了704环氧树脂胶26，灌封长度≥20mm，灌封层与出线口螺栓之间设置有金属垫圈。密封丝堵7与壳体接触面外侧边缘处设置有O型橡胶密封圈Φ18*2.65。

显示模块采用液晶显示控制及驱动器HD44780，其不仅可以作为控制器，而且还具有驱动40×16点阵液晶像素的能力，其显示缓冲区DDRAM及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内置在芯片中，另有两个寄存器直接与I/O缓冲器连接：一个为指令寄存器IR，用于存储指令代码。指令寄存器只能被处理器写入而不能被读出；另一个是数据寄存器DR，用于暂存单片机送入显示缓冲区 DDRAM的数据或者字符发生器CGRAM的数据。HD44780内部寄存器都通过 I/O缓冲器与单片机的数据总线连接，I/O缓冲器除了具有一般I/O接口的缓冲功能外，还具有8位数据传输和4位数据传输两种方式，与I/O缓冲器有联系的还有一位忙“BF”标志位和地址计数器AC的输出。

含有HD44780控制及驱动液晶模块供用户使用的接口功能定义：1引脚是GND接地端；2引脚是VCC电源端；3引脚VEE是液晶驱动电源；4引脚RS寄存器选择信号：L为指令寄存器、H为数据寄存器；5引脚R/W读写选择信号：L为单片机写操作，H为单片机读操作；6引脚E使能信号：在读状态时高电平有效，在写状态时下降沿有效；7- 14引脚DA0-DA7为数据总线；15引脚LED背光电源正；16引脚LED背光电源负。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电动压力变送器，该变送器包括后盖、前盖、壳体、出线口螺栓、密封丝堵以及传感器接头，壳体内设置有线路板，后盖和前盖分别相对设置在壳体的两侧，出线口螺栓和密封丝堵分别相对设置在壳体的另外两侧，在壳体的下方设置有传感器接头，其特征在于：

所述接线端依次包括0+、E-、E+、E-、0-五个接线点，其中接线点E+连接该变送器变送器芯片的第1脚，接线点0+连接该变送器芯片的第13脚，同时连接电容C4后接地，该电容C4采用瓷片电容103，接线点0-连接该变送器芯片的第2脚，同时连接电容C5后接地，该电容C5采用瓷片电容103，两个接线点E-分别连接可调电阻Z的定片引脚，可调电阻Z为50欧；

2. 根据权利要求1所述的电动压力变送器，其特征在于：所述信号处理模块包括前置放大电路和电压放大电路，所述前置放大电路为差分放大电路，所述电压放大电路为比例放大电路。

3. 根据权利要求2所述的电压力变送器，其特征在于：所述处理器采用8位微控制器芯片MC9S08DZ60。

4. 根据权利要求3所述的电压力变送器，其特征在于：所述无线传输模块采用无线射频收发芯片NRF905。

5. 根据权利要求4所述的电动压力变送器，其特征在于：所述CAN通信模块采用CAN总线收发器芯片PCA82C251。

6. 根据权利要求5所述的电动压力变送器，其特征在于：所述显示模块采用液晶显示控制及驱动器HD44780。