CN109633084B - 空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，包括数据处理单元，以及与数据处理单元分别连接的气路单元、传感器MV信号处理单元、供电单元、显示存储操作单元、信号输出单元、报警单元。本发明可满足用户在现场查询历史趋势和进行信号远传的需求，可存储12个月的数据查询，同时在测量气氧含量超过设定值时，可以自动切断进入氧传感器的测量气，实现自我保护，并进行报警，避免造成氧传感器损坏。提高传感器的使用寿命。
Description
技术领域
本专利申请属于空分系统百分氧检测的在线分析仪表技术领域，尤其是一种空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪。
背景技术
空气分离制氧机（以下简称制氧机），生产过程中需要对氩馏份、空气中含氧、污氮氧含量等气体介质的百分氧含量进行在线测量，并且要求在设备现场能够查看历史数据、形成趋势图、对比分析氧含量的变化，从而判断制氧机的氩工况、氮工况等，以指导操作工进行操作调整，其是制氧机的眼睛，需要实时反映出工艺生产状况。
上述操作一般通过氧分析仪实现。目前国内的氧分析仪，只能简单的显示，无趋势查询功能，并且存在测量精度低、受环境温度影响测量数据波动大等缺点，在制氧机出现停机故障的情况下，氧含量会严重超标，低压力污染的气体会进入检测器，从而损坏氧分析仪的传感器，不能及时自动切断传感器进出口，大大缩短传感器的使用寿命，无法满足现场的使用要求。
依据用户的实际需要，亟需研发出一种在线氧分析仪，以实现用户在现场查询历史趋势和信号远传的功能，并可进行数据查询和自我保护传感器，避免传感器损坏。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种在线氧分析仪，以实现用户在现场查询历史趋势和信号远传的功能，并可进行数据查询和自我保护传感器，避免传感器损坏。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，包括数据处理单元，以及与数据处理单元分别连接的气路单元、传感器MV信号处理单元、供电单元、显示存储操作单元、信号输出单元，其中：
数据处理单元包括CPU处理芯片；
气路单元包括与测量气和零点气以及量程气均连通的四通阀、与四通阀连接的减压阀、与减压阀连接的过滤阀、与过滤阀分别连接的旁通流量计和电磁阀、与电磁阀连接的测量流量计、连接入测量池的传感器，测量流量计也连接入测量池，传感器的探头、四通阀和电磁阀均与CPU处理芯片连接，四通阀和电磁阀均与传感器MV信号处理单元连接；
传感器MV信号处理单元包括与CPU处理芯片通信连接的A/D模块、D/A模块、与D/A模块连接的运算放大模块，A/D模块与传感器的探头连接，运算放大模块与显示存储操作单元和/或信号输出单元连接，运算放大模块还与气路单元的四通阀和电磁阀连接；
供电单元包括与交流电源连接的直流转换模块、与直流转换模块连接的防干扰模块，防干扰模块也与CPU处理芯片和显示存储操作单元连接；
显示存储操作单元为具有显示存储操作功能的触摸屏；
信号输出单元包括均与CPU处理芯片连接的用于与DCS系统进行通信的MODBUS-RTU接口和用于信号远传的模拟量4-20mA输出接口。
本发明技术方案的进一步改进在于：还包括与数据处理单元的CPU处理芯片连接的报警单元，报警单元为声光振动报警模式。
本发明技术方案的进一步改进在于：运算放大模块包括相互连接的低功耗运算放大器和功率放大输出管，低功耗运算放大器与D/A模块连接，功率放大输出管与气路单元的四通阀和电磁阀连接，功率放大输出管还与显示存储操作单元和/或信号输出单元连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：直流转换模块为直流电源，防干扰模块为直流滤波器，交流电源为220V。
本发明技术方案的进一步改进在于：传感器为氧浓度压力传感器，测量池排出口设有逆止阀。
本发明技术方案的进一步改进在于：CPU处理芯片为STM32F103C8T6控制主板芯片；显示存储操作单元为TPC7062TX型号操作显示触摸屏幕；传感器探头采用KD25-F3型号；减压阀型号为MOO4-ROO、压力规格为0-1.2MPA。
本发明技术方案的进一步改进在于：数据处理单元的CPU处理芯片上连接有485接口，485接口与显示存储操作单元（TPC7062TX型号操作显示屏幕）采用MODBUS的RTU协议通信连接。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：本发明可实现用户在现场查询历史趋势和信号远传功能，并可存储12个月的数据查询（根据存储周期变化）。采用温度补偿技术保证环境温度对仪器测量产生的误差最小，有效解决了仪器受环境温度测量数据波动大的问题，测量精度高、受环境温度影响测量数据波动小，具有现场查询氧含量变化曲线趋势的功能，可以在现场历史趋势查询报警；同时在测量气出现问题时，可以进行氧传感器的自我保护，避免造成氧传感器损坏。提高传感器的使用寿命，有效满足现场的使用要求。
本装置设计结构清晰，可分为5部分，第1部分用于处理输入MV信号；第2部分，用于输出自标定功能，和信号远传功能，保证与输入之间的线性关系，这样确保了测量系统输出数据的精度；第3部分，用于数据处理和显示存储，操作，标定部分，第4部分是系统的供电部分；第5部分是系统的气路部分，分模块设计，便于生产应用。
本装置将数据处理单元、传感器MV信号处理单元、信号输出单元合并到一块控制主板（PCB板）上，合理的设置布局和布置元器件，减小了PCB板的尺寸，适当增加元件间的接地线的面积以减少辐射和信号造成的干扰。
本发明为用于空分系统百分氧检测的在线分析仪表，压力使用范围0.05-0.6MPA，测量范围0-25%O2。
附图说明
图1为本发明的气路原理图；
图2为本发明的电路原理图；
其中，1、控制主板；
21、四通阀，22、减压阀，23、过滤阀，24、旁通流量计，25、电磁阀，26、测量流量计，27、测量池，28、传感器，29、逆止阀；
31、直流转换模块，32、防干扰模块；
4、显示存储操作单元；
51、MODBUS-RTU接口，52、模拟量4-20mA输出接口；
6、报警单元。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，参见图1、图2，包括数据处理单元，以及与数据处理单元分别连接的气路单元、传感器MV信号处理单元、供电单元、显示存储操作单元4、信号输出单元，其中：
数据处理单元包括CPU处理芯片，还包括总电源模块，与总电源模块连接并给CPU处理芯片供电的二级电源稳压模块、与信号输出单元连接并给信号输出单元供电的隔离电源模块。
气路单元包括与测量气和零点气以及量程气均连通的四通阀21、与四通阀21连接的减压阀22、与减压阀22连接的过滤阀23、与过滤阀23分别连接的旁通流量计24和电磁阀25、与电磁阀25连接的测量流量计26、连接入测量池27的传感器28，测量流量计26也连接入测量池27，传感器28的探头、四通阀21和电磁阀25均与CPU处理芯片连接，四通阀21和电磁阀25还与传感器MV信号处理单元连接；
减压阀22型号为MOO4-ROO，压力规格0-1.2MPA，它使来自测量气，零点气，或量程气的压力保持恒定，保证进入测量池27的流量恒定。
电磁阀25具备保护氧传感器28的功能，由数据处理单元（控制主板1），带动四通阀21，如果氧含量超过正常值25%以上，四通阀21会马上切除超标氧气，并自动控制通入零点（氮气），以保护氧传感器28，并进行报警，当测量值降到正常范围以内，并延时30分钟后，再次切入零点气，如果测量压力，超过设定值，会马上切断电磁阀25，以保护传感器28不超压。
传感器28为氧浓度压力传感器，测量池排出口设有逆止阀29。
传感器MV信号处理单元包括与CPU处理芯片通信连接的A/D模块、D/A模块、与D/A模块连接的运算放大模块，A/D模块与传感器28的探头连接，运算放大模块与显示存储操作单元4和/或信号输出单元连接，运算放大模块还与气路单元的四通阀21和电磁阀25连接；
运算放大模块包括相互连接的低功耗运算放大器和功率放大输出管，低功耗运算放大器与D/A模块连接，功率放大输出管与气路单元连接，功率放大输出管还与显示存储操作单元和/或信号输出单元连接。
供电单元包括与交流电源连接的直流转换模块31、与直流转换模块31连接的防干扰模块32，防干扰模块32也与CPU处理芯片和显示存储操作单元4连接；直流转换模块31为直流电源（本装置设计电压为24V），防干扰模块32为直流滤波器，交流电源为220V。
显示存储操作单元4为具有显示存储操作功能的触摸屏；
信号输出单元包括均与CPU处理芯片连接的用于与DCS系统进行通信的MODBUS-RTU接口51和用于信号远传的模拟量4-20mA输出接口52，MODBUS-RTU接口51、模拟量4-20mA输出接口52均与隔离电源模块连接，确保各分路信号输出单元输出的稳定、不受影响。
还包括与数据处理单元的CPU处理芯片连接的报警单元6，报警单元6为声光振动报警模式。
报警单元6的实现通过蜂鸣器和智能触摸屏统一完成。具体操作如下：设定阈值可以通过智能触摸屏，设定过程值的上下限报警功能，当测量值超过设定高限值或低于设定低限值时，CPU处理芯片控制内部逻辑判断，由程序改变某一地址数字位的0或1状态，代表报警信号，通过485接口传给智能触摸屏和蜂鸣器，智能触摸屏检测到这一地址数字位的状态，确定报警类型，并在智能触摸屏上进行闪烁显示，同时蜂鸣器上发出声音振动警示，提醒用户进行报警状态确认。报警单元也可以是声光振动报警器，比如具有闪烁功能的蜂鸣器，详情不再赘述。
实际应用中，会将数据处理单元、传感器MV信号处理单元、信号输出单元（MODBUS-RTU接口51、模拟量4-20mA输出接口52）整合成一个控制主板1（PCB）板进行各路元器件的连接，控制程序为自主编程，起着放大、运算、调校和分路输出作用。
CPU处理芯片为STM32F103C8T6控制主板1的芯片；显示存储操作单元4为TPC7062TX型号操作显示屏幕，负责测量数据的显示，趋势储存和操作；传感器28探头采用KD25-F3型号，在21%氧含量的情况下，输出信号12mV左右，进入数据处理单元（其实是控制主板1）进行处理，最终显示在显示存储操作单元4（智能触摸屏）上；减压阀22型号为MOO4-ROO、压力规格为0-1.2MPA。
CPU处理芯片与智能触摸屏（TPC7062TX型号操作显示屏幕）采用MODBUS的RTU协议通信连接。
气路原理：
测量气、零点气、量程气进入四通阀21后，进行切换，然后进入减压阀22，调整压力到20KPa，再经过滤阀23，分2路分别进入旁通流量计24，和测量流量计26，在测量流量计26前，设有1个电磁阀25，作为安全超压保护用，一量压力超过传感器28的最高式作压力，会自动切断气路，以保护系统，最后进入测量池27，由传感器28检测气体浓度的大小，输出MV信号，给控制主板1（PCB板），然后由排出口接入逆止阀29，以防仪器关闭时，外部气体进入检测器，造成检测器损坏。
电路原理：
经过Q1开关接入仪器220V电源，然后经直流转换模块31（直流电源）转换成24VDC供给仪器和触摸屏使用，分析仪的控制主板1（PCB板），接入传感器28输出的0-15MV范围内的信号，经过控制主板1处理，提供给触摸屏显示，或输出远传4-20mA信号给DCS系统（分散控制系统），另一路给检测器入口电磁阀25，在出现超压情况下，自动关闭检测气路。控制主板1提供485远传接口，将数据通过MODBUS的RTU协议传给智能触摸屏。
选择氧分析仪控制主板芯片STM32F103C8T6作为数据处理单元的主控芯片，MCP3421作为AD芯片，MCP4822作为DA芯片，选择LM321MF/NOPB为低功耗运算放大器，DGS2N三极管作为功率放大输出管，AMS1117作为电源稳压器，提供控制主板1（PCB板）的CPU芯片的供电，B0505LS作为隔离电源模块，MP2482DN作为总电源芯片，3152芯片作为485的通讯芯片，主要是以上这些芯片，构成控制主板1的电路，画出原理图，然后通过C语言开发，完成分析仪电路板的基本功能。
PCB板的模式1原理：
输出信号与输入信号相同，也就是说，输出跟踪输出信号，通过程序实现这部分功能。
PCB板的模式2原理：
输出信号与输入信号相互独立，也就是说，输出和输出没有任何关系，完全独立的2个信号，通过程序，实现这部分功能。
通过AD芯片MCP3421将采集到的信号，进行AD转换，然后送给CPU的42和43脚，然后进行软件的转换和计算，然后从CPU的2，3，4脚送给MCP4822，进行DA转换，然后通过带反馈的运放电路（运算放大模块），输出4-20mA模拟信号 。同时另一路，由CPU的19，21，22输出给485转换芯片，由MODBUS的RTU协议，向外输出数字量信号。其它的芯片，负责电源的调整，电源隔离，光隔离等作用，保证了PCB板的抗干扰性和稳定性。
Claims (7)
1.一种空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：包括数据处理单元，以及与数据处理单元分别连接的气路单元、传感器MV信号处理单元、供电单元、显示存储操作单元（4）、信号输出单元，其中：
数据处理单元包括CPU处理芯片；
气路单元包括与测量气和零点气以及量程气均连通的四通阀（21）、与四通阀（21）连接的减压阀（22）、与减压阀（22）连接的过滤阀（23）、与过滤阀（23）分别连接的旁通流量计（24）和电磁阀（25）、与电磁阀（25）连接的测量流量计（26）、连接入测量池（27）的传感器（28），测量流量计（26）也连接入测量池（27），传感器（28）的探头、四通阀（21）和电磁阀（25）均与CPU处理芯片连接，四通阀（21）和电磁阀（25）均与传感器MV信号处理单元连接；测量池排出口设有逆止阀（29）；
传感器MV信号处理单元包括与CPU处理芯片通信连接的A/D模块、D/A模块、与D/A模块连接的运算放大模块，A/D模块与传感器（28）的探头连接，运算放大模块与显示存储操作单元（4）和/或信号输出单元连接，运算放大模块还与气路单元的四通阀（21）和电磁阀（25）连接；
供电单元包括与交流电源连接的直流转换模块（31）、与直流转换模块（31）连接的防干扰模块（32），防干扰模块（32）也与CPU处理芯片和显示存储操作单元（4）连接；
显示存储操作单元（4）为具有显示存储操作功能的触摸屏；
信号输出单元包括均与CPU处理芯片连接的用于与DCS系统进行通信的MODBUS-RTU接口（51）和用于信号远传的模拟量4-20mA输出接口（52）；
本装置可实现用户在现场查询历史趋势和信号远传功能，并可存储12个月的数据查询；
电磁阀（25）具备保护传感器（28）的功能，由数据处理单元带动四通阀（21），如果氧含量超过正常值25%以上，四通阀（21）会马上切除超标氧气，并自动控制通入零点，以保护传感器（28），并进行报警，当测量值降到正常范围以内，并延时30分钟后，再次切入零点气，如果测量压力，超过设定值，会马上切断电磁阀（25），以保护传感器（28）不超压。
2.根据权利要求1所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：还包括与数据处理单元的CPU处理芯片连接的报警单元（6），报警单元（6）为声光振动报警模式。
3.根据权利要求1所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：运算放大模块包括相互连接的低功耗运算放大器和功率放大输出管，低功耗运算放大器与D/A模块连接，功率放大输出管与气路单元的四通阀（21）和电磁阀（25）连接，功率放大输出管还与显示存储操作单元（4）和/或信号输出单元连接。
4.根据权利要求1所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：直流转换模块（31）为直流电源，防干扰模块（32）为直流滤波器，交流电源为220V。
5.根据权利要求1所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：传感器（28）为氧浓度压力传感器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：CPU处理芯片为STM32F103C8T6控制主板芯片；显示存储操作单元（4）为TPC7062TX型号操作显示屏幕；传感器（28）探头采用KD25-F3型号；减压阀（22）型号为MOO4-ROO、压力规格为0-1.2MPA。
7.根据权利要求6所述的空分行业具有趋势和传感器自保护功能的氧分析仪，其特征在于：数据处理单元上设有485接口， 485接口与显示存储操作单元（4）采用MODBUS的RTU协议通信连接。
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