CN107664553A - 一种压力温度处理电路,尤其是具有它的压力温度计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压力温度处理电路,包括:用于测量压力和温度信号的压力温度测量单元;连接于压力温度测量单元,用于对压力温度测量单元测量的压力和温度信号进行处理的压力温度处理单元;连接压力温度处理单元,用于读取和计算压力温度处理单元处理后的压力和温度信号的主控单元。本发明还提供了一种压力温度计,包括压力温度处理电路和探棒、探头;本发明将压力和温度传感器集成为一个整体压力温度计,并通过电路设计,实现了对压力温度的同时检测和NPN、PNP开关量输出,电压、电流模拟量输出,且搭载自复位按钮,通过编程控制NPN、PNP开关量输出和电压、电流模拟量输出量参数,使其更有益于工业应用,易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及空气处理领域,具体涉及一种压力温度处理电路,尤其是具有它的压力温度计。
背景技术
在现有技术中,将温度和压力检测传感器结合于一个设备上,以便工业应用,给用户带来了接线简单、可靠性高的优点。申请号为200810196365.0的中国专利,公开了一种压力温度传感器,其电路部分为包括信号采集单元、MCU、显示单元和检测信号输出单元。所述信号采集单元包括采集温度信号的热敏电阻、采集压力信号的压力传感器、温度信号和压力信号的调理电路以及A/D转换电路;检测信号输出单元包括温度检测信号输出电路、压力检测信号输出电路;所述热敏电阻和压力传感器输出的温度和压力信号分别经过温度信号和压力信号的调理电路后,再经A/D转换传到MCU中;MCU把温度和压力信号处理后输出到显示单元,同时控制温度检测信号输出电路和压力检测信号输出电路的输出。其传感器将传统的温度传感器、压力传感器合二为一,同时具备压力传感器和温度传感器的所有功能,温度的检测同时作为压力的温漂抑制依据。其在传感器结构上:电路部分安装热敏电阻在主体内,探棒的一端和主体连接,热敏电阻和压力传感器设在探棒的另一端内;热敏电阻的周围填充热导体,热敏电阻的安装位置贴近压力传感器。其温度和压力处理电路设计不够可靠,尤其是温度值A/D转换部分电路设计不够合理,使得测量存在延时;同时探棒结构设置不合理,导致有效温度测量范围窄,且由于探棒结构使得温度和压力测量有滞后,温度压力显示不够实时精准;同时在抗震和使用稳定性上存在不足,迫切需要加以改进。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种压力温度处理电路,尤其是具有它的压力温度计。本发明将压力和温度传感器集成为一个整体压力温度计,并通过电路设计,实现了对压力温度的同时检测,使其在工业应用时更加方便;同时本发明的压力温度处理电路设计合理,实现了NPN、PNP开关量输出,电压、电流模拟量输出,且搭载自复位按钮,通过编程控制NPN、PNP开关量输出和电压、电流模拟量输出量参数,使其更有益于工业应用,易于推广。
为实现所述技术目的,本发明的技术方案是:一种压力温度处理电路,包括:
压力温度测量单元,用于测量压力和温度信号;
压力温度处理单元,连接于压力温度测量单元,用于对压力温度测量单元测量的压力和温度信号进行处理;
主控单元,连接压力温度处理单元,用于读取和计算压力温度处理单元处理后的压力和温度信号。
进一步,所述压力温度测量单元包括:
压力测量单元,采用压力陶瓷,用于对压力信号的测量;
温度测量单元,采用热敏电阻,用于对温度信号的测量。
进一步,所述压力温度处理单元包括:
压力信号处理单元,采用型号为ZMD31050的桥式传感器信号处理芯片,用于对压力陶瓷测量的压力信号进行A/D转换为压力信号值,所述压力陶瓷连接至ZMD桥式传感器信号处理芯片;
温度信号处理单元,采用三级运放电路,用于对热敏电阻测量的温度信号进行信号放大,所述热敏电阻接入三级运放电路中。
作为本发明的优选,所述ZMD桥式传感器信号处理芯片外设置型号为LM73的内置温度传感芯片,LM73内置温度传感芯片连接至ZMD桥式传感器信号处理芯片,所述单片机使用LM73内置温度传感芯片检测到的温度对所述ZMD桥式传感器处理后的压力值进行温度补偿。
进一步,所述主控单元采用型号为PIC16F1518的单片机;
所述ZMD桥式传感器信号处理芯片将压力信号的A/D转换结果通过I2C总线连接至单片机,用于通过单片机读取A/D转换后的压力值;
所述三级运放电路将温度信号的放大结果通过串口连接至单片机,用于通过单片机内部A/D转换通道,将温度信号进行A/D转换为温度值。
进一步,所述主控单元外设置输出单元,所述输出单元包括开关量输出单元和模拟量输出单元;模拟量输出单元用于将A/D转换后的压力值和温度值以模拟量的形式输出;
开关量输出单元,包括:
PNP输出单元,通过Q9三极管连接至单片机,用于控制输出单元将所述压力值和温度值开关量输出形式以PNP输出;
NPN输出单元,通过Q15三极管连接至单片机,用于控制输出单元将所述压力值和温度值开关量输出形式以NPN输出。
进一步,所述PNP输出单元外设置第一输出保护单元,第一输出保护单元由Q10、Q11、Q12三个三极管组成,起到过载保护的作用;
所述NPN输出单元外设置第二输出保护单元,第二输出保护单元由Q16、Q17、Q18三个三极管组成,起到过载保护的作用。
进一步,所述模拟量输出单元包括:
D/A转换单元,采用型号为DAC101的D/A转换芯片,D/A转换芯片连接至单片机;
0~10V电压模拟量输出单元,连接至D/A转换芯片,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以0~10V电压信号进行模拟输出,且0~10V电压模拟量输出单元连接至单片机,由单片机控制0~10V电压模拟量输出单元是否工作;
4~20mA电流模拟量输出单元,连接至D/A转换芯片,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以4~20mA电流信号进行模拟输出,且4~20mA电流模拟量输出单元连接至单片机,由单片机控制4~20mA电流模拟量输出单元是否工作。
作为本发明的优选,所述主控单元外设置显示单元和外部控制单元;
所述显示单元包括至少三个七段数码显示管,用于显示单片机内的压力值和温度值;
所述外部控制单元包括至少两个自复位按键,用于调整开关量输出单元为NPN输出模式或PNP输出模式的一种,用于调整模拟量输出单元的电压模拟量或电流模拟量输出范围。
一种压力温度计,包括上述压力温度处理电路和探头、探棒;
所述探棒焊接于探头上,探头内卡置温度处理PCB板,所述热敏电阻一端外填充导通导热体置于探棒内,热敏电阻另一端连接至温度处理PCB板;
所述探头上开设盲孔,盲孔内设置阻尼螺丝顶触压力陶瓷,所述压力陶瓷上下设置垫圈顶触至压力处理PCB板,且所述压力陶瓷电连接至压力处理PCB板。
进一步,所述温度处理PCB板305上设置温度信号处理单元;
所述压力处理PCB板上设置压力信号处理单元;
所述探头连接壳体,壳体内通过塑胶件卡置主控PCB板,所述温度处理PCB板和压力处理PCB板分别电连接至主控PCB板;所述主控PCB板上设置主控单元和外部控制单元、开关量输出单元、输出保护单元、D/A转换单元、模拟量输出单元。
进一步,所述探棒长度不小于20mm,探棒直径为3∽10mm,探棒厚度为0.3∽1.0mm。
本发明的有益效果在于:
本发明将压力和温度传感器集成为一个整体压力温度计,并通过电路设计,实现了对压力温度的同时检测,使其在工业应用时更加方便;同时本发明的压力温度处理电路设计合理,实现了NPN、PNP开关量输出,电压、电流模拟量输出,且搭载自复位按钮,通过编程控制NPN、PNP开关量输出和电压、电流模拟量输出量参数;本发明的探棒和探头结构设置合理,在结构上弥补了温度和压力的测量显示滞后和误差问题,同时使其具有更宽的测量范围,更有益于工业应用,易于推广。
附图说明
图1是本发明压力温度处理电路的电路模块原理图;
图2是本发明压力信号处理单元的电路原理图;
图3是本发明温度信号处理单元的电路原理图;
图4是本发明主空单元的电路原理图;
图5是本发明PNP输出单元和第一输出保护单元的电路原理图;
图6是本发明NPN输出单元和第二输出保护单元的电路原理图;
图7是本发明0~10V电压模拟量输出单元的电路原理图;
图8是本发明4~20mA电流模拟量输出单元的电路原理图;
图9是本发明显示驱动单元的电路原理图;
图10是本发明显示单元的电路原理图;
图11是本发明压力温度计的整体结构示意图;
图12是本发明图11的剖面图;
图13是本发明的整体结构爆炸图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示,一种压力温度处理电路,包括:
压力温度测量单元,用于测量压力和温度信号;
压力温度处理单元,连接于压力温度测量单元,用于对压力温度测量单元测量的压力和温度信号进行处理;
主控单元,连接压力温度处理单元,用于读取和计算压力温度处理单元处理后的压力和温度信号。
进一步,所述压力温度测量单元包括:
压力测量单元,采用压力陶瓷J3,用于对压力信号的测量;
温度测量单元,采用热敏电阻,用于对温度信号的测量。
进一步,所述压力温度处理单元包括:
如图2所示,压力信号处理单元,采用型号为ZMD31050桥式传感器信号处理芯片,用于对压力陶瓷测量的压力信号进行A/D转换为压力信号值,所述压力陶瓷J3连接至ZMD桥式传感器信号处理芯片的VINN、VSS、VINP、VBR四个引脚处;
如图3所示,温度信号处理单元,采用U1A、U1B、U1D组成的三级运放电路,用于对热敏电阻测量的温度信号进行信号放大,所述热敏电阻接入三级运放电路中的Vpt-处。
作为本发明的优选,如图2所示,所述ZMD桥式传感器信号处理芯片外设置型号为LM73的内置温度传感芯片,LM73内置温度传感芯片连接至ZMD桥式传感器信号处理芯片的SDA、SCL两个引脚处,用于对ZMD桥式传感器信号处理芯片进行温度补偿。
作为本发明的优选,如图2所示,所述ZMD桥式传感器信号处理芯片外设置型号为LM73的内置温度传感芯片,LM73内置温度传感芯片连接至单片机的SDA、SCL两个引脚处,所述单片机使用LM73内置温度传感芯片检测到的温度对所述ZMD桥式传感器处理后的压力值进行温度补偿。
进一步,所述主控单元采用型号为PTC16F1518的单片机;
如图4所示,所述ZMD桥式传感器信号处理芯片将压力信号的A/D转换结果SDA、SCL两个引脚通过I2C总线连接至单片机的RC3和RC4两个引脚,用于通过单片机读取A/D转换后的压力值;
如图4所示,所述三级运放电路将温度信号的放大结果TC端通过串口连接至单片机的23号引脚处,用于通过单片机内部A/D转换通道,将温度信号进行A/D转换为温度值。
进一步,所述主控单元外设置输出单元,所述输出单元包括开关量输出单元和模拟量输出单元;模拟量输出单元用于将A/D转换后的压力值和温度值以模拟量的形式输出;
开关量输出单元,包括:
PNP输出单元,如图5所示,通过Q9、Q11两个三极管连接至单片机的RC7和RB4引脚,用于将所述压力值和温度值开关量输出形式以PNP输出为OUT1;
NPN输出单元,如图6所示,通过Q15、Q16两个三极管连接至单片机的RC6和RB5引脚,用于将所述压力值和温度值以开关量的形式输出OUT2。
进一步,所述PNP输出单元外设置第一输出保护单元,第一输出保护单元由Q10、Q11、Q12三个三极管组成,起到过载保护的作用;在出现输出短路时,三极管Q12导通,进一步Q10导通,从而整个PNP输出单元通过三极管Q11导通接地。
进一步,所述PNP输出单元外设置第一输出保护单元,第一输出保护单元由Q10、Q11、Q12三个三极管组成,起到过载保护的作用;在出现输出短路时,三极管Q10导通,进一步Q11导通,从而使得RB4变为低电平,使得单片机停止输出,达到保护作用。
所述NPN输出单元外设置第二输出保护单元,第二输出保护单元由Q16、Q17、Q18三个三极管组成,起到过载保护的作用。
进一步,所述模拟量输出单元包括:
D/A转换单元,采用型号为DAC101的D/A转换芯片,D/A转换芯片连接至单片机的RA1、RA2、RA3引脚;
0~10V电压模拟量输出单元,如图7所示,连接至D/A转换芯片的DA引脚,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以0~10V电压信号进行模拟输出为OUT3,且0~10V电压模拟量输出单元连接至单片机的CONV引脚,由单片机控制0~10V电压模拟量输出单元是否工作;
4~20mA电流模拟量输出单元,如图8所示,连接至D/A转换芯片的DA引脚,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以4~20mA电流信号进行模拟输出为OUT4,且4~20mA电流模拟量输出单元连接至单片机CONI引脚,由单片机控制4~20mA电流模拟量输出单元是否工作,也即可以通过单片机编程控制CONV和CONI引脚,进一步选择0~10V电压模拟量输出模式或4~20mA电流模拟量输出模式。
作为本发明的优选,所述主控单元外设置显示单元和外部控制单元;
如图9和10所示,所述显示单元包括至少三个七段数码显示管dig1、dig2、dig3,用于显示单片机内的压力值和温度值;所述三个七段数码显示管dig1、dig2、dig3通过显示驱动单元连接至单片机的RC1、RC2、RC3引脚,用以驱动显示。本发明还设置LED输出指示单元,包括OUT1指示灯和OUT2指示灯,其中OUT1指示灯表示开关量输出状态,当切换输出模式为开关量输出时,OUT1点亮;OUT2指示灯表示模拟量输出状态,当切换输出模式为模拟量输出时,OUT2点亮)。
所述外部控制单元包括至少两个自复位按键6,用于调整开关量输出单元为NPN输出模式或PNP输出模式的一种,用于调整模拟量输出单元的电压模拟量或电流模拟量输出范围,所述开关量输出单元还具有滞后功能、窗口功能和偏移校准功能。
如图11所示,一种压力温度计,包括上述压力温度处理电路和探头3、探棒316;
所述探棒316焊接于探头3上,探头3内卡置温度处理PCB板305,所述热敏电阻310一端外填充导通导热体置于探棒316内,热敏电阻另一端连接至温度处理PCB板305;
所述探头上开设盲孔312,盲孔312内设置阻尼螺丝315顶触压力陶瓷309,所述压力陶瓷309上下设置垫圈顶触至压力处理PCB板318,且所述压力陶瓷309电连接至压力处理PCB板318。
进一步,所述温度处理PCB板305上设置温度信号处理单元;
所述压力处理PCB板318上设置压力信号处理单元;
所述探头3连接壳体2,壳体2内通过塑胶件202设置主控PCB板201,所述温度处理PCB板305和压力处理PCB板318分别电连接至主控PCB板201;所述主控PCB板201上设置主控单元和外部控制单元、开关量输出单元、输出保护单元、D/A转换单元、模拟量输出单元。
进一步,所述探棒316长度不小于20mm,探棒316直径为3∽10mm,探棒316厚度为0.3∽1.0mm。在这个范围内的探棒,可以解决显示滞后问题,使显示数据同步,不用长时间等待才可以稳定,且本发明的探棒结构,使得有效的温度范围扩展至-40℃~150℃,这种测量范围的探头较传统应用于工业上的温度传感器具有更宽的测量范围,使其更加应适应于工业应用。作为本发明的一种实施例,探头3螺纹采用G1螺纹,探棒直径允许范围为3-5mm,考虑生产组装,最终采用直径为5mm探棒;探棒厚度0.3-1.0mm,应抗压强度需要达到300bar以上,最终采用0.5mm厚度探棒,在探棒长度选择上,通过设定标准温度为-40℃(如表1所示)、0℃(如表2所示)、150℃(如表3所示)下,测试多个探棒长度下的测试温度结果,将探棒长度设置为至少27mm。
表1
表2
表3
所述壳体2还设置插接件205,用于外接开关量输出单元的开关量输出或模拟量输出单元的模拟量输出;
所述显示驱动单元和显示单元设置于显示电路PCB板106上,且显示电路PCB板106通过螺钉102固定于主控PCB板201上;壳体2上端设置上盖1,且上盖1和壳体2通过密封圈203和密封垫片204过盈配合固定,便于后续维修和维护。上盖1表面呈斜面状,上部设有一个“凸”型的视窗,下部设有2个按键101;同时,上盖1内部还设有压合片105、显示罩104、硅胶垫片103,压合片105正面设有卡槽,反面设有螺柱,显示罩104穿过压合片105卡在卡槽内,硅胶垫片103放在显示罩103表面,主要起到防水的作用,压合片104、显示罩103、硅胶垫片103通过焊接固定在上盖1内。
设置连接件303,连接件303上端通过密封圈一301和密封垫片一302和壳体2下端过盈配合,连接件303下端通过密封圈二304和探头3过盈配合。
所述探头3外部设置2个对称的拧扳手卡槽,便于后续安装维护,探头3下端是外螺纹的,外螺纹顶部设置平垫圈三317;在其中一个拧扳手卡槽的中心位置处设有一个透气孔,透气孔上面黏贴一个透气膜313,透气压盖314从透气膜313上部安装,与透气孔过盈配合固定。透气孔的设计使得压力陶瓷和热敏电阻工作环境稳定,方便热交换
所述盲孔312的顶部和底部各设有一个台阶,顶部的台阶放置有绝缘垫片306,底部的台阶放置平垫圈二311,压力陶瓷309放置在平垫圈二311上,设置平垫圈一308放置于压力陶瓷309上,设置压圈307通过螺纹将平垫圈二311、压力陶瓷309、平垫圈一308螺纹拧紧、固定。阻尼螺丝穿过平垫圈二311受力于压力陶瓷309,使得压力得到缓冲,同时这种多个垫圈套接的结构解决了热胀冷缩以及压力检测单元受力不均等因素的影响,且压力检测单元可以进行-1bar∽0.1/0.25/0.5/1/2/5/10/20/50/100/200/250/400/600bar多个范围的检测,可根据压力陶瓷的型号和软件来进行范围选择,尤其是还可以将0.1/0.25/0.5ba这种微压的测量也包含在内。
本发明的实施步骤如下:
通过探头3上的外螺纹,将本发明的探头安装至所需测量的气体测量现场或液体测量现场管道,使得探棒316和盲孔312位于气体测量现场或液体测量现场内,且管道通过平垫圈三317和探头压合,保证了气密性。通过显示电路106即可读取当前温度值和压力值,通过插接件206即可引出温度值和压力值的输出。
具体的,可选择的按下两个自复位按键6,实现如下功能:
1)开关量输出的模式、上下限、步距、滞后功能和串口功能的选择。
2)模拟量输出的模式、起始点、阻尼的选择。
3)压力输出的单位换算、偏移量校准、清零偏移量校准、压力最大值记录。
4)温度输出的单位换算、偏移量校准、最大最小直记录。
5)显示刷新频率、数码管显示方向(数码管正反向显示当前温度和压力数据,方便现场观察和监控)、温度/压力显示切换。
表4为本发明的两个自复位按键6的功能菜单:
表4
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种压力温度处理电路,其特征在于,包括:
压力温度测量单元,用于测量压力和温度信号;
压力温度处理单元,连接于压力温度测量单元,用于对压力温度测量单元测量的压力和温度信号进行处理;
主控单元,连接压力温度处理单元,用于读取和计算压力温度处理单元处理后的压力和温度信号。
2.根据权利要求1所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述压力温度测量单元包括:
压力测量单元,采用压力陶瓷,用于对压力信号的测量;
温度测量单元,采用热敏电阻,用于对温度信号的测量。
3.根据权利要求2所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述压力温度处理单元包括:
压力信号处理单元,采用ZMD桥式传感器信号处理芯片,用于对压力陶瓷测量的压力信号进行A/D转换为压力信号值,所述压力陶瓷连接至ZMD桥式传感器信号处理芯片;
温度信号处理单元,采用三级运放电路,用于对热敏电阻测量的温度信号进行信号放大,所述热敏电阻接入三级运放电路中。
4.根据根据权利要求3所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述主控单元采用PIC单片机。
5.根据权利要求4所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述ZMD桥式传感器信号处理芯片外设置型号为LM73的内置温度传感芯片,所述单片机使用内置温度传感芯片检测到的温度对所述ZMD桥式传感器处理后的压力值进行温度补偿。
所述ZMD桥式传感器信号处理芯片将压力信号的A/D转换结果通过I2C总线连接至单片机,用于通过单片机读取A/D转换后的压力值;
所述三级运放电路将温度信号的放大结果连接至单片机,用于通过单片机内部A/D转换通道,将温度信号进行A/D转换为温度值。
6.根据权利要求5所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述主控单元外设置输出单元,所述输出单元包括开关量输出单元和模拟量输出单元;模拟量输出单元用于将A/D转换后的压力值和温度值以模拟量的形式输出;
开关量输出单元,包括:
PNP输出单元,通过Q9三极管连接至单片机,用于控制输出单元将所述压力值和温度值开关量输出形式以PNP输出;
NPN输出单元,通过Q15三极管连接至单片机,用于控制输出单元将所述压力值和温度值开关量输出形式以NPN输出。
7.根据权利要求6所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,
所述PNP输出单元外设置第一输出保护单元,第一输出保护单元由Q10、Q11、Q12三个三极管组成,起到过载保护的作用;
所述NPN输出单元外设置第二输出保护单元,第二输出保护单元由Q16、Q17、Q18三个三极管组成,起到过载保护的作用。
8.根据权利要求6所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述模拟量输出单元包括:
D/A转换单元,采用型号为DAC101的D/A转换芯片,且D/A转换芯片连接至单片机;
0~10V电压模拟量输出单元,连接至D/A转换芯片,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以0~10V电压信号进行模拟输出,且0~10V电压模拟量输出单元连接至单片机,由单片机控制0~10V电压模拟量输出单元是否工作;
4~20mA电流模拟量输出单元,连接至D/A转换芯片,用于将D/A转换后的压力信号或温度信号以4~20mA电流信号进行模拟输出,且4~20mA电流模拟量输出单元连接至单片机,由单片机控制4~20mA电流模拟量输出单元是否工作。
9.根据权利要求8所述的一种压力温度处理电路,其特征在于,所述主控单元外设置显示单元和外部控制单元;
所述显示单元包括至少三个数码显示管,用于显示单片机内的压力值和温度值;
所述外部控制单元包括至少两个自复位按键,用于调整开关量输出单元为NPN输出模式或PNP输出模式的一种,用于调整模拟量输出单元的电压模拟量或电流模拟量输出范围。
10.一种压力温度计,其特征在于,包括权利要求1~9任一项所述的压力温度处理电路和探头、探棒;
所述探棒焊接于探头上,探头内卡置温度处理PCB板,所述热敏电阻一端外填充导通导热体置于探棒内,热敏电阻另一端连接至温度处理PCB板;
所述探头上开设盲孔,盲孔内设置阻尼螺丝顶触压力陶瓷,所述压力陶瓷上下设置垫圈顶触至压力处理PCB板,且所述压力陶瓷电连接至压力处理PCB板。
11.根据权利要求10所述的一种压力温度计,其特征在于,
所述温度处理PCB板上设置温度信号处理单元;
所述压力处理PCB板上设置压力信号处理单元;
所述探头连接壳体,壳体内设置主控PCB板,所述温度处理PCB板和压力处理PCB板分别电连接至主控PCB板。
12.根据权利要求11所述的一种压力温度计,其特征在于,所述根据权利要求1所述的一种压力温度传感器,其特征在于,所述探棒长度不小于20mm,探棒直径为3∽10mm,探棒厚度为0.3∽1.0mm。
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