CN106404204A - 一体化温度变送器 - Google Patents

Abstract

一种一体化温度变送器，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，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，传感器通过传感器接头插入壳体下方。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电源模块、信号处理模块、模数转换模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块。该一体化温度变送器操作方便，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

一体化温度变送器

技术领域

本发明涉及温度变送器，特别是涉及一体化温度变送器。

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。

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，工业中被广泛应用于对温度的测量与控制。现代工业要求对工业过程进行精密控制，需要通过设置多个温度测点来检测温度，使其性能达到最佳。然而这些温度测点的设置通常比较传统，需要分别安装测量仪表，进行调试与提供维护。

温度的测量一般存在着监测点分散、需远程控制等特点，若采用有线通信的方式，监控中心与现场之间需要铺设大量的电缆，大大增加了系统成本，降低了系统的灵活性、可维护性与扩展性。随着信息技术的迅速发展，特别是物联网技术的不断发展，传统的温度变送器己不能满足用户对变送器设备的移动性、灵活性、可扩展性等特征的需求。

经过市场调研发现，国外生产的温度变送器多数均支持多通道温度采集，并且已经完全智能化和数字化，可以根据用户或系统的要求，选择传统的4-20 mA模拟通信技术，或使用包括Profibus和FF在内的多种现场总线通信技术。国内生产的温度变送器大多不支持多通道温度采集，或仅支持HART通信协议。

因此自主开发研制一种使用灵活、重复利用率高、稳定性好且成本较低的一体化温度变送器已成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明公开了一种使用灵活、重复利用率高、稳定性好且成本较低的一体化温度变送器，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：

一种一体化温度变送器，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，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，传感器通过传感器接头插入壳体下方，其特征在于：

传感器接头插入壳体中，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电源模块、信号处理模块、模数转换模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块；信号处理模块、模数转换模块、处理器依次连接，由传感器采集到的信号经过信号处理模块、模数转换模块后送入处理器，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；

所述传感器包括传感器接头、电缆、弹簧管组件、螺钉、聚四氟乙烯套管、玻璃纤维套管、螺母、支柱组件、四孔瓷管、热电偶丝以及玻璃粉，传感器中包括并联的两组热电偶丝，四孔瓷管、玻璃纤维套管使热电偶丝之间隔离并绝缘，玻璃粉用来固定热电偶丝。

优选的，所述信号处理模块采用芯片AD595。

优选的，所述模数转换模块采用芯片AD7795。

优选的，所述处理器采用微控制器芯片MSP430F4250。

优选的，所述无线传输模块采用无线射频收发芯片SIA2420。

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。

本发明的温度变送器所能获得的有益效果是：

1）该温度变送器可以对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；

2）该温度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为本发明中处理器的电路示意图；

图3为本发明中电源模块的电路示意图；

图4为本发明中模数转换模块的电路示意图；

图5为本发明中信号处理模块的电路示意图

图6为本发明中无线传输模块的电路示意图；

图7为本发明中CAN通信模块的电路示意图；

图8为本发明中传感器的结构示意图；

图9为本发明的一体化温度变送器的总装配示意图；

图10为本发明的一体化温度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示出了本发明的温度变送器的系统结构示意图。如图1所示，该温度变送器中包括传感器、电源模块、信号处理模块、模数转换模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块。传感器将采集到的信号经过信号处理模块调整后送入模数转换模块，经过模数转换后再送入处理器，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。

图2为本发明中处理器的电路示意图。处理器是变送器的核心，如图2所示，本发明的处理器采用TI公司的16位低电压微功耗MSP430F4250单片机，该型号单片机工作电压 1.8V～3.6V，具有16K FLASH程序存储器，256字节随机存储器，256字节非易失数据存储器，内置高稳定度可供内部转换和外部参考的电压参考源，支持56段液晶显示，具备可利用外置 32768Hz钟表晶振稳频的内置RC振荡器，可实现低功耗高精度定时和快速运算能力的统一。处理器采用精简指令集结构，其片内外围丰富，程序和数据存储区也比较大，是目前大多数低功耗产品首选的微处理器。

采用32768Hz晶体作为辅助时钟，内部RC振荡器采用75倍频，稳定于 2.45MHz。为减小空间占用，将标准双排14线JTAG接口简化为8线单排接口。按MSP430F4250数据手册要求12脚外接104电容为恒流源电路提供高稳定度参考电压。其中，45-48脚提供4位LCD数字显示的位信号、31-38脚提供8段信号、25-28脚提供4个按键信号。LCD 接口电路和按键电路省略。

图3为本发明中电源模块的电路示意图。如图3所示，温度变送器采用电池供电，为了便于采购和充电，原型机采用4节AAA电池串联供电，无线传输模块部分的工作电压为6V，因此电源电路选用TPS5420 芯片，具有较宽的输入电压范围（5.5～36V），较宽的工作温度范围（-40～125℃），连续输出电流达2A，并拥有过流限制、过压保护、热关断等特点，其主要工作就是为其他电路提供5 V基准电压和24 V工作电压。由于MSP430F4250只能工作在1.8～3.6V电压，因此使用一片SP6201/3.3V低压差稳压芯片，为核心电路提供3.3V电源。SP6201具有关断功能，此电路中该功能用不到，EN脚直接接输入电源即可。

图4为本发明中模数转换模块的电路示意图。模数转换模块采用AD公司模数转换芯片AD7795，有效分辨率最高为23位，符合高精度的要求；６路差分模拟输入，可实现多通道测量；读写操作时钟间隔为几十纳秒，可以保证高速的数据采集；与处理器通信采用4线的SPI总线，能够快速稳定地传输数据，这些性能保证了仪表的低功耗与双通道测量。同时采用外部差分基准电压，输出数据速率通过软件编程设置为16.7Hz，通过芯片寄存器来控制和配置模拟数字转换器，然后将其结果存储在数据寄存器上。

如图4所示的芯片引脚配置图，其中CS为片选信号，由MSP430F4250置低选中该芯片；SCLK为外部时钟，该端口与处理器时钟信号相连；DIN为输入端口，处理器通过该口向该芯片写数据；DOUT/RDY置低表示数据转换完成，并通过该口向处理器传输数据。

图5为本发明中信号处理模块的电路示意图。信号处理模块用于对热电偶信号进行放大处理及冷端补偿。热电偶变换器的输入信号为热电偶在0～1000℃的电压信号即0～41.269mV，输出信号为0.1V～4.9 VDC。通过专用调理芯片AD595，对热电偶信号进行放大处理及冷端补偿，再由运算放大器进行比例缩放及偏置处理，调整为与实测温度成线性关系的电压信号。AD595是一个完整的仪用放大器，在与热电偶连接时可产生10 mV/℃的输出信号；并具有热电偶开路故障报警功能。其典型工作电流仅为160μA，可以最大程度地减小自热误差。AD595经过激光微调预校准，与热电偶的特性相匹配。

AD595的工作电压可以是+5～+30 V的单端电源，也可以是正负电源（至±15 V）。在+5 V供电时，可配合K型热电偶测量0～300℃；在工作电压升至15V时，测温范围扩展至1250℃。供电电压越低，自热误差越小。在使用双电源时，可测量从负到正的温度。AD595的内部频率补偿的反馈比率（相对于正常的信号增益）是75，若要获得更低的增益，可在管脚9与10之间、10与11之间分别接入300 pF、0.01μF的电容，进行附加的频率补偿，可以将噪声降至最小。

AD595的冷端补偿网络有正和负的温度系数，产生一个差分信号，这个值可以通过外部电阻来修正或校准。其在管脚3（+T）表现为正电压信号；在管脚3与4（CDM）之间接入电阻可以减小这个信号，在管脚3与管脚2（+C）之间接入上拉电阻可以增大该信号。补偿方案中改变正端会使零点偏离0℃，可以通过调整流入负端的电流来恢复：在管脚6（-C）与管脚5（-T）之间接入电阻产生电流以平衡在+T端的增加量，也可在-T端与CDM端接入电阻以偏移在+T端的增加量。补偿量根据不同的热电偶类型被调整，终端的输出电压将按比例增减。为了恢复10 mV/℃的标称输出，可调整增益以匹配新的补偿和热电偶输入特性。

图6为本发明中无线传输模块的电路示意图。如图6所示，为了保证工作的可靠性，射频电路以自主研发的无线通信模块SIA2420为主，该模块功耗小，适用于长期供电。同时其具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。

无线通信模块的24个引脚中，TCK、TMS、TDI和TDO用于模块程序的烧写，GND、VCC、TXD和RXD用于和用户设备的相应引脚相连。此无线通信模块提供了一个用于低功率嵌入式设备的接口，从而实现无线网络和上层网关进行数据通信，并且定时提供同步时间信息、本地配置信息和诊断等信息。

MSP430F4250与无线通信模块之间通过异步串行UART进行数据通信，将 MSP430F4250的RXD0和TXD0分别接到无线通信模块的TXD和RXD，即可实现与无线通信模块的数据通信。在实际设计中，将具有数据采集功能的器件集成在一块PCB板上实现对信号的采集变换和处理，将射频电路和天线单独制作成一块PCB上，中间采用接插件连接，由此可避免射频模块的高频信号对数据采集部分的干扰，且可缩小整个系统的横向面积。

图7为CAN通信模块的电路示意图。如图5所示，该变送器的CAN 通信模块主要是利用处理器配以CAN总线收发器PCA82C251来实现与上位机和其它节点的通信功能。处理器通过PCA82C251和CAN总线相连。在处理器与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8为本发明中传感器的结构示意图。如图8所示，1为传感器接头、2为电缆、3为弹簧管组件、4为螺钉、5为聚四氟乙烯套管、6为玻璃纤维套管、7为螺母、8为支柱组件、9为四孔瓷管、10为热电偶丝、11为玻璃粉。

热电偶传感器采用标准化热电偶之一的K型热电偶，即镍铬-镍硅热电偶，测温范围0～1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电势较大（1300℃时热电势为52.398mV），灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强等优点。热电偶传感器选用Ⅱ级测量精度（≤±2.5℃或±0.75%|t|，t为被测温度，允许偏差以温度偏差值或被测温度绝对值的百分数表示，二者之中采用最大值）、直径Φ1的热电偶丝。传感器采用双余度设计，即并联两组热电偶丝，若其中一组开路，不影响其测温功能。如图8所示的热电偶传感器结构适用于管道内流体温度测量。测量端沿管道径向伸入，热电偶测点处于管腔中心位置；外套螺母起安装固定作用；74°锥面可与球面接触密封。热电偶测点由镍铬丝和镍硅丝经直流电弧焊瞬间接触熔融形成，焊点应光滑饱满，大小为热电偶丝直径的2倍，测量焊后的镍铬-镍硅丝，阻值应稳定。由四孔瓷管、玻璃纤维套管等使热电偶丝之间隔离并绝缘；玻璃粉用氢氧焊机加热熔融后冷却，用来固定热电偶丝。

图9为本发明的温度变送器的总装配示意图。在图9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10为本发明的温度变送器的结构示意图。在图10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9和10所示，该温度变送器包括后盖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。

所述线路板上的电路包括电源模块、信号处理模块、模数转换模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块；信号处理模块、模数转换模块、处理器依次连接，由传感器采集到的信号经过信号处理模块、模数转换模块后送入处理器，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MSP430F4250内嵌的LCD控制驱动器，实现4位数字温度值就地显示和标定菜单显示。设计了4个按键，配合4位数字LCD显示器，用于变送器的信号采集标定和（4～20）mA输出信号标定。

显示模块采用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 (7)

1.一种一体化温度变送器，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，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，传感器通过传感器接头插入壳体下方，其特征在于：

传感器接头插入壳体中，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电源模块、信号处理模块、模数转换模块、处理器、显示模块、无线传输模块以及CAN通信模块；信号处理模块、模数转换模块、处理器依次连接，由传感器采集到的信号经过信号处理模块、模数转换模块后送入处理器，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；

所述传感器包括传感器接头、电缆、弹簧管组件、螺钉、聚四氟乙烯套管、玻璃纤维套管、螺母、支柱组件、四孔瓷管、热电偶丝以及玻璃粉，传感器中包括并联的两组热电偶丝，四孔瓷管、玻璃纤维套管使热电偶丝之间隔离并绝缘，玻璃粉用来固定热电偶丝。

2. 根据权利要求1所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述信号处理模块采用芯片AD595。

3. 根据权利要求1-2所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述模数转换模块采用芯片AD7795。

4. 根据权利要求1-3之一所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述处理器采用微控制器芯片MSP430F4250。

5. 根据权利要求1-4之一所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述无线传输模块采用无线射频收发芯片SIA2420。

6. 根据权利要求1-5之一所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述CAN通信模块采用CAN总线收发器芯片PCA82C251。

7. 根据权利要求1-6之一所述的一体化温度变送器，其特征在于：所述显示模块采用液晶显示控制及驱动器HD44780。