CN109632119B - 带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计 - Google Patents
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Abstract
带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计,由双温度计支座、铠装热电偶杆、工作温度指示表头、环境温度指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、仪用步进电机本体组成，其要点在于：本发明基于PROFIBUS现场总线控制，既支持工作温度测量和环境温度测量，还同步支持工作温度和环境温度的数字指针指示，特别是工作温度指示表头和环境温度指示表头巧妙地将仪用步进电机本体和控制电路集成在一块PCB电路板上，通过内置嵌入式的拓扑设计，实现了PROFIBUS现场总线、工作温度指示表头、环境温度指示表头与铠装热电偶杆的一体化结构，便于大规模生产，实现了系统最省、整体最优，可以广泛应用各类分布式温度测量场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，主要用于分布式控制系统的工作温度测量和环境温度的测量及指示。
背景技术
传统的铠装式温度测量装置是将电偶丝和用于固定偶丝位置的陶瓷粉末装进不锈钢保护管套中，这种带铠装的温度测量装置基本不带指示仪表，而是通过4至20毫安电流变送器，再与温度调节器和显示仪表配套使用，以组成过程控制系统，直接测量或控制各种生产过程中流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。
这种带铠装的温度测量装置通常也不具备PROFIBUS现场总线DP从站接口，无法组网，因此缺乏对分布式控制系统的强有力的技术支持。
申请人通过市场调查还发现，带铠装又带显示功能的温度测量装置，基本上是采用LCD/LED指示屏，采用指针式的显示装置都是基于带游丝阻尼部件的模拟表头，而且大都为功能单一的温度指示。
发明内容
基于以上的背景材料，本发明提出了一款带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，这种装置具有以下的特点：
1．工作温度传感器为铠装式，环境温度传感器为三线I2C式,自带符合欧洲EN50170的现场总线标准的PROFIBUS总线接口，数据传输速率为96kbit/s～12Mbit/s，传输的数据容量为每个报文多达244 个字节，广泛应用于高速并且对于时间苛求的数据传输。
2. 不采用LCD/LED指示屏，而是采用基于仪表用步进电机驱动的数字指针驱动技术，独立的工作温度指示表头和环境温度指示表头，能同步指示实时工作温度和实时环境温度，而且其寿命远高于LCD/LED指示屏。
3. 所述的工作温度指示表头和环境温度指示表头与铠装式热电偶装置共为一体，工作温度指示表头和环境温度指示表头均支持PROFIBUS总线的DP从站接口。
据此，发明人提出如下的技术方案：
带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计,由双温度计支座、铠装热电偶杆、工作温度指示表头、环境温度指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、仪用步进电机本体组成，其要点在于：
所述的双温度计支座为T型状的空心圆柱体，一端带双温度计支座内螺纹A，另一端带双温度计支座内螺纹B，中间带有U形状的抱箍，抱箍上伸出一根铠装热电偶杆，铠装热电偶杆上带安装位置的调节螺丝；
所述的双温度计支座的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，所述的方形柱体一端为六边体堵头，另一端装配有PROFIBUS插座；
所述的工作温度指示表头由工作温度指示表头壳体、工作温度刻度面板、工作温度指针和PCB电路板组成，所述的工作温度指示表头壳体上带外螺纹，工作温度指示表头壳体外螺纹与双温度计支座内螺纹A相连；
所述的环境温度指示表头由环境温度指示表头壳体、环境温度刻度面板、环境温度指针和PCB电路板组成，所述的环境温度指示表头壳体上带外螺纹，环境温度指示表头壳体外螺纹与双温度计支座内螺纹B相连；
所述的工作温度指示表头壳体与环境温度指示表头壳体的内壁上均带四个具有弹性的卡簧，并有一圈上凸的圆形台阶，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头；
所述的PCB电路板上开有四个矩形缺口，安装工作温度指示表头中的PCB电路板时，将PCB电路板上的四个矩形缺口对准工作温度指示表头壳体中的四个矩形凸头，按下PCB电路板与上凸的圆形台阶相接触，圆形台阶上的矩形凸头嵌入PCB电路板的矩形缺口中，弹性的卡簧自动将PCB电路板卡住；
安装环境温度指示表头中的PCB电路板时，与安装工作温度指示表头中的PCB电路板操作相同；
所述的PCB电路板上，一面表贴焊接有ARM芯片、PROFIBUS总线收发接口芯片、微步距细分芯片，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器和偏置电阻；
所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、转动轴和励磁线圈包组成，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上，续流二极管与励磁线圈包两端相并联；
所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；
所述的ARM芯片为LQFP64封装，支持PROFIBUS协议，ARM芯片上的I/O引脚与PROFIBUS总线收发接口芯片相连，所述的微步距细分芯片的输入端与ARM芯片上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连，铠装热电偶的输出端与ARM芯片的A/D引脚相连, 环境温度传感器传来的信号直接送给ARM芯片的I2C引脚；
工作时，ARM芯片采集铠装热电偶信号和环境温度传感器信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片将采集到的铠装热电偶信号和环境温度传感器信号，解析为步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向工作温度刻度面板和环境温度刻度面板输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。
进一步地，双温度计支座、工作温度指示表头壳体和环境温度指示表头壳体均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成，采用高压锻造工艺一体化成型，表面工艺采用阳极处理。
进一步地，所述的PROFIBUS插座为9针专用航空插座。
进一步地，所述的永磁转子体为六齿结构，采用钕铁硼材料。
进一步地，所述的第一传动从动轮、第二传动从动轮和第三传动从动轮均采用尼龙66材料。
进一步地，仪用步进电机本体上的转动轴采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。
进一步地，所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。
进一步地，所述的铠装热电偶杆为不锈钢管，不锈钢管内置偶丝并灌装了固定偶丝位置的耐热陶瓷粉末。
附图说明
图1带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计外形视图一；
图2带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计外形视图二；
图3带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计外形视图三；
图4带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计外形视图四；
图5带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图一；
图6带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图二；
图7带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图三；
图8带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图四；
图9带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图五；
图10带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计分解图六；
图11工作温度指示表头正面视图；
图12工作温度指示表头背面视图；
图13工作温度指示表头分解图一；
图14工作温度指示表头分解图二；
图15环境温度指示表头正面视图；
图16环境温度指示表头分解图一；
图17环境温度指示表头分解图二；
图18环境温度指示表头分解图三；
图19PCB电路板图一；
图20PCB电路板图二。
标号说明：
1 双温度计支座
11 六边体堵头
2 铠装热电偶杆
21 调节螺丝
22 抱箍
3 工作温度指示表头壳体
31 工作温度刻度面板
32 工作温度指针
33 工作温度指示表头壳体外螺纹
34 双温度计支座内螺纹A
4 环境温度指示表头壳体
41 环境温度刻度面板
42 环境温度指针
43 环境温度指示表头壳体外螺纹
44 双温度计支座内螺纹B
47 卡簧
48 凸头
49 台阶
5 PROFIBUS插座
6 PCB电路板
60 矩形缺口
61 ARM芯片
62 PROFIBUS总线收发接口芯片
63 微步距细分芯片
65 环境温度传感器
66 偏置电阻
70 铁芯体
71 永磁转子体
72 第一传动从动轮
73 第二传动从动轮
74 第三传动从动轮
75 转动轴
76 励磁线圈包
77 续流二极管
具体实施方式
为了使本技术领域的工程技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明实施例中的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计,由双温度计支座1、铠装热电偶杆2、工作温度指示表头、环境温度指示表头、PROFIBUS插座5、PCB电路板6、仪用步进电机本体组成，其要点在于：
所述的双温度计支座1为T型状的空心圆柱体，一端带双温度计支座内螺纹A 34，另一端带双温度计支座内螺纹B 44，中间带有U形状的抱箍22，抱箍22上伸出一根铠装热电偶杆2，铠装热电偶杆上带安装位置的调节螺丝21，带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计通过抱箍22可与其它固定体相连；
所述的双温度计支座1的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，以便于走线，所述的方形柱体一端为六边体堵头11，另一端装配有PROFIBUS插座5；
所述的工作温度指示表头由工作温度指示表头壳体3、工作温度刻度面板31、工作温度指针32和PCB电路板6组成，所述的工作温度指示表头壳体3上带外螺纹，工作温度指示表头壳体外螺纹31与双温度计支座内螺纹A 34相连；
所述的环境温度指示表头由环境温度指示表头壳体4、环境温度刻度面板41、环境温度指针42和PCB电路板6组成，所述的环境温度指示表头壳体上带外螺纹，环境温度指示表头壳体外螺纹43与双温度计支座内螺纹B 44相连；
所述的工作温度指示表头壳体3与环境温度指示表头壳体4的内壁上均带四个具有弹性的卡簧47，并有一圈上凸的圆形台阶49，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头48；
所述的PCB电路板6上开有四个矩形缺口60，安装工作温度指示表头中的PCB电路板6时，将PCB电路板6上的四个矩形缺口60对准工作温度指示表头壳体3中的四个矩形凸头48，按下PCB电路板6与上凸的圆形台阶49相接触，圆形台阶49上的矩形凸头48嵌入PCB电路板6的矩形缺口60中，弹性的卡簧47自动将PCB电路板卡住；
安装环境温度指示表头中的PCB电路板6时，与安装工作温度指示表头中的PCB电路板6操作相同；
应指出的是，所述的PCB电路板6设计为既适应工作温度测量指示，又适应环境温度测量指示，PCB电路板6的一面表贴焊接有ARM芯片61、PROFIBUS总线收发接口芯片62、微步距细分芯片63，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器65和偏置电阻66；
所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体70、永磁转子体71、第一传动从动轮72、第二传动从动轮73、第三传动从动轮74、转动轴75和励磁线圈包76组成，铁芯体70的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包76分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包76的引脚分别焊接在PCB电路板6上，续流二极管77与励磁线圈包76两端相并联；
所述的永磁转子体71所处的位置是两个励磁线圈包76绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包76通电后，铁芯体70内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体71转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体71与第一传动从动轮72啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮72与第二传动从动轮73啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮73再与第三传动从动轮74啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴75与第三传动从动轮74同心同轴相连，保证第三传动从动轮74转动时同步带动转动轴75；
所述的ARM芯片61为LQFP64封装，ARM芯片61上的I/O引脚与支持PROFIBUS协议的PROFIBUS总线收发接口芯片72相连，所述的微步距细分芯片73的输入端与ARM芯片61上的I/O引脚相连，微步距细分芯片73的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连，铠装热电偶的输出端与ARM芯片61的A/D引脚相连, 环境温度传感器65传来的信号直接送给ARM芯片61的I2C引脚；
工作时，ARM芯片61采集铠装热电偶信号和环境温度传感器信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座5输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片61将采集到的铠装热电偶信号和环境温度传感器65信号，解析为步进电机转动轴75的角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片73推动励磁线圈包76，向工作温度刻度面板31和环境温度刻度面板41输出当前步进电机转动轴75需指示的角位移信号，从而达到转动轴75带动其指针准确定位的目的。
双温度计支座1、工作温度指示表头壳体3和环境温度指示表头壳体4均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成，采用高压锻造工艺一体化成型，表面工艺采用阳极处理。
所述的PROFIBUS插座5为9针专用航空插座。
所述的永磁转子体71为六齿结构，采用钕铁硼材料。
所述的第一传动从动轮72、第二传动从动轮73和第三传动从动轮74均采用尼龙66材料。
仪用步进电机本体上的转动轴75采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。
所述的铁芯体70采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。
所述的铠装热电偶杆2为不锈钢管，不锈钢管内置偶丝并灌装了固定偶丝位置的耐热陶瓷粉末。
应指出的是，本实施例中，工作温度刻度面板31和环境温度刻度面板41的刻度值可以根据实际应用情况而作出调整改变，ARM芯片61的内置软件通过工程量变换的方式即可放大或缩小转动轴的角位移量。
还应指出的是，PROFIBUS现场总线在欧洲是一个相当成熟的总线标准，对于本行业的技术人员来说，属于公知技术，这并非是本发明的内容；但是如何将PROFIBUS现场总线与铠装热电偶的温度测量和仪表用步进电机驱动的数字指针驱动技术相结合，如何做成一体化结构，则构成了本发明的肇始，因为发明人实际上提出了一种新型的温度测量显示电路与结构之间的拓扑关系，这并非公知内容。
总之，本发明提出的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计有如下有益效果：
本发明是一款既支持铠装热电偶测量，又支持工作温度显示和环境温度显示的一体化数字仪表，所述的工作温度指示表头和环境温度指示表头与铠装热电偶杆共为一体，其中工作温度传感器为铠装热电偶式，环境温度传感器为三线I2C式,自带符合欧洲EN50170的现场总线标准的PROFIBUS总线接口，数据传输速率为96kbit/s～12Mbit/s，传输的数据容量为每个报文多达244个字节，广泛应用于高速并且对于时间苛求的数据传输；而环境温度的测量为工作对象的温度测量提供了背景校准的依据。
本发明采用基于仪表用步进电机驱动的数字指针驱动技术，独立的工作温度指示表头和环境温度指示表头能同步指示实时工作温度和环境温度，工作温度指示表头和环境温度指示表头均支持PROFIBUS总线的DP从站接口，满足分布式控制系统，特别易于组网。
更重要的是，所述的工作温度指示表头和环境温度指示表头通过内置嵌入式的拓扑结构设计，采用极简的工艺安装，便于大规模生产。
上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计,由双温度计支座、铠装热电偶杆、工作温度指示表头、环境温度指示表头、PROFIBUS插座、PCB电路板、仪用步进电机本体组成，其特征在于：
所述的双温度计支座为T型状的空心圆柱体，一端带双温度计支座内螺纹A，另一端带双温度计支座内螺纹B，中间带有U形状的抱箍，抱箍上伸出一根铠装热电偶杆，铠装热电偶杆上带安装位置的调节螺丝；
所述的双温度计支座的上部还横凸出一个方形柱体，内部挖空成圆柱体，所述的方形柱体一端为六边体堵头，另一端装配有PROFIBUS插座；
所述的工作温度指示表头由工作温度指示表头壳体、工作温度刻度面板、工作温度指针和PCB电路板组成，所述的工作温度指示表头壳体上带外螺纹，工作温度指示表头壳体外螺纹与双温度计支座内螺纹A相连；
所述的环境温度指示表头由环境温度指示表头壳体、环境温度刻度面板、环境温度指针和PCB电路板组成，所述的环境温度指示表头壳体上带外螺纹，环境温度指示表头壳体外螺纹与双温度计支座内螺纹B相连；
所述的工作温度指示表头壳体与环境温度指示表头壳体的内壁上均带四个具有弹性的卡簧，并有一圈上凸的圆形台阶，圆形台阶上再伸出四个矩形凸头；
所述的PCB电路板上开有四个矩形缺口，安装工作温度指示表头中的PCB电路板时，将PCB电路板上的四个矩形缺口对准工作温度指示表头壳体中的四个矩形凸头，按下PCB电路板与上凸的圆形台阶相接触，圆形台阶上的矩形凸头嵌入PCB电路板的矩形缺口中，弹性的卡簧自动将PCB电路板卡住；
安装环境温度指示表头中的PCB电路板时，与安装工作温度指示表头中的PCB电路板操作相同；
所述的PCB电路板上，一表面焊接有ARM芯片、PROFIBUS总线收发接口芯片、微步距细分芯片，另一面装配有仪用步进电机本体、环境温度传感器和偏置电阻；
所述的仪用步进电机本体为内置两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，由铁芯体、永磁转子体、第一传动从动轮、第二传动从动轮、第三传动从动轮、转动轴和励磁线圈包组成，铁芯体的两个臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上，续流二极管与励磁线圈包两端相并联；
所述的永磁转子体所处的位置是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包通电后，铁芯体内的磁导变化将产生转矩，驱动永磁转子体转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体与第一传动从动轮啮合传动，组成一级减速传动结构；第一传动从动轮与第二传动从动轮啮合传动，组成二级减速传动结构；第二传动从动轮再与第三传动从动轮啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与第三传动从动轮同轴相连，保证第三传动从动轮转动时同步带动转动轴；
所述的ARM芯片为LQFP64封装，ARM芯片上的I/O引脚与支持PROFIBUS协议的PROFIBUS总线收发接口芯片相连，所述的微步距细分芯片的输入端与ARM芯片上的I/O引脚相连，微步距细分芯片的驱动引脚再与两个励磁线圈包的引脚相连，铠装热电偶的输出端与ARM芯片的A/D引脚相连, 环境温度传感器传来的信号直接送给ARM芯片的I2C引脚；
工作时，ARM芯片采集铠装热电偶信号和环境温度传感器信号，经数字滤波处理后，通过现场总线的PROFIBUS插座输出上传至核电站中央控制室；另一方面，ARM芯片将采集到的铠装热电偶信号和环境温度传感器信号，解析为步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，然后通过微步距细分芯片推动励磁线圈包，向工作温度刻度面板和环境温度刻度面板输出当前步进电机转动轴需指示的角位移信号，从而达到转动轴带动其指针准确定位的目的。
2.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：双温度计支座、工作温度指示表头壳体和环境温度指示表头壳体均由耐腐蚀的铸铝合金材料组成，采用高压锻造工艺一体化成型，表面工艺采用阳极处理。
3.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：所述的PROFIBUS插座为9针专用航空插座。
4.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：所述的永磁转子体为六齿结构，采用钕铁硼材料。
5.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：所述的第一传动从动轮、第二传动从动轮和第三传动从动轮均采用尼龙66材料。
6.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：仪用步进电机本体上的转动轴采用陶瓷材质，其硬度可以达到传统钢轴的3倍。
7.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：所述的铁芯体采用在弱磁场下有高磁导率的坡莫合金材料。
8.根据权利要求1所述的带铠装热电偶的一体化数字指针双温度计，其特征在于：所述的铠装热电偶杆为不锈钢管，不锈钢管内置偶丝并灌装了固定偶丝位置的耐热陶瓷粉末。
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