CN110568047A - 多功能测氧控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能测氧控制装置，其包括：前置放大电路模块，该前置放大电路模块的第一信号输入端连接至氧传感器的信号输出端，第一信号输出端输出放大后的氧电势信号；A/D转换模块，其输入端连接至前置放大电路模块的输出端；中央处理器，其输入端连接至A/D转换模块的输出端；以及显示模块，其由中央处理器控制，以对氧电势信号进行数字显示，前置放大电路模块还包括第二信号输入端，第二信号输入端连接至测量高温测氧传感器的温度的热电偶的信号输出端，前置放大电路的第一信号输入端能够分别连接至常温测氧传感器和高温测氧传感器。根据本发明的多功能测氧控制装置能够同时进行常温测氧和高温测氧，因此扩大了测氧控制装置的使用范围。

Description

多功能测氧控制装置

技术领域

本发明涉及测氧仪器领域，更具体地涉及一种能够实现不同工况下测氧的控制装置。

背景技术

目前，市场上常见的测氧控制装置分为采用电化学传感器的常温测氧装置，以及采用固体电解质氧化锆电池的高温测氧装置。测氧电控系统采用集成化设计，完成模拟信号的采集、转换、运算以及输出，现有测氧装置功能单一，通常只能满足常温测氧或高温测氧功能。常规模块化设计产品也是在单一测氧功能基础上的模块化，主要考虑到其维修更换的便利性以及能够增加辅助功能。

另外，市场同类产品在应用于工业现场时，由于现场大功率设备较多，干扰较为严重，在不具有经过针对性的抗干扰设计的情况下，在工业现场容易出现现场干扰引起的运行故障，影响用户设备的正常运行，造成维护成本高，生产效率低。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种多功能测氧控制装置，该多功能测氧控制装置包括：

前置放大电路模块，该前置放大电路模块的第一信号输入端连接至氧传感器的信号输出端，前置放大电路模块的第一信号输出端输出放大后的氧电势信号；

A/D转换模块，该A/D转换模块的输入端连接至前置放大电路模块的输出端；

中央处理器，该中央处理器的输入端连接至A/D转换模块的输出端；以及

显示模块，该显示模块由中央处理器控制，以对氧电势信号进行数字显示；

进一步地，前置放大电路模块还包括第二信号输入端，第二信号输入端连接至测量高温测氧传感器的温度的热电偶的信号输出端，前置放大电路的第一信号输入端能够分别连接至常温测氧传感器和高温测氧传感器。

根据本发明的多功能测氧控制装置的一个优选的实施例，多功能测氧控制装置还包括控制高温测氧传感器的温度的温度控制模块，温度控制模块基于热电偶的温度信号控制高温测氧传感器的温度。

在根据本发明的多功能测氧控制装置的另一个优选的实施例中，温度控制模块包括用于加热高温测氧传感器的加热炉和控制加热炉的功率的继电器，中央处理器根据热电偶的温度信号控制继电器的通断频率，从而控制加热炉的温度。

根据本发明的多功能测氧控制装置的再一个优选的实施例，多功能测氧控制装置还包括数据选择模块，数据选择模块设置在前置放大电路模块与A/D转换模块之间，用于使前置放大电路模块的模拟信号选择性地输入至A/D转换模块。

在根据本发明的多功能测氧控制装置的还一个优选的实施例中，多功能测氧控制装置还包括电源模块，电源模块为多功能测氧控制装置的各个模块供电，电源模块包括环形铁芯变压器。

根据本发明的多功能测氧控制装置的又一个优选的实施例，前置放大电路模块包括放大器、偏置电阻和电位器，电位器用于调节由偏置电阻产生的偏执电压的大小。

在根据本发明的多功能测氧控制装置的另一个优选的实施例中，多功能测氧控制装置还包括标准电流信号模块，标准电流信号模块的输入端连接至中央处理器，并输出标准电流信号。

根据本发明的多功能测氧控制装置的再一个优选的实施例，标准电流信号模块包括光耦隔离器、D/A转换器和V/I转换器，光耦隔离器用于接收来自中央处理器的氧电势信号，D/A转换器用于将氧电势信号转换成模拟信号，V/I转换器用于输出标准电流信号。

在根据本发明的多功能测氧控制装置的还一个优选的实施例中，显示模块包括非边沿触发的八通道缓冲驱动器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)根据本发明的多功能测氧控制装置能够同时实现高温状态测氧和常温状态测氧。在高温状态测氧时，需要采集多组模拟信号，即温度信号和氧电势信号，并能够实现对高温测氧传感器的加热控制。常温测氧时，前置放大电路模块和数据选择模块接入一组氧电势模拟信号并对其进行放大，多功能测氧控制装置可实现常温氧量测量以及氧量的显示输出。因此，根据本发明的多功能测氧控制装置能够根据需要实现常温测氧和高温测氧，克服了现有技术中的测氧装置仅能进行常温测氧或高温测氧的单一功能的缺陷，扩大了测氧装置的使用范围，提高了利用率。

(2)在抗干扰设计方面，电源模块采用环形铁芯变压器设计，电源输入部分和电流输出部分分别加入滤波及隔离器件，从而有效滤除和降低工业现场干扰源对测氧装置的干扰。

(3)显示模块采用非边沿触发的八通道缓冲驱动器，可有效防止由现场干扰所引起的“锁死”现象。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明的多功能测氧控制装置的结构示意图。

图2为根据本发明的多功能测氧控制装置的数据选择模块的引脚图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明针对目前市场上测氧控制装置功能单一的问题，通过模块化设计使测氧控制装置即能实现常温测氧，也能实现高温测氧。另外，本发明针对工业现场环境复杂的现实情况，在电源模块以及输出模块中增加滤波和隔离设计，在显示模块设计时，采用不容易被大功率设备干扰引起锁死的显示驱动模块，通过针对性的抗干扰设计，可以达到有效降低测氧装置的干扰故障的目的。

根据本发明的多功能测氧控制装置主要包括电源模块、前置放大电路模块、A/D转换模块、中央处理器、数据选择模块、标准电流信号输出模块、显示模块以及温度控制模块等组成部分。以下参照附图对根据本发明的多功能测氧控制装置的各个组成部分进行详细说明。

如图1所示，示出根据本发明的多功能测氧控制装置10的组成结构示意图。本发明的多功能测氧控制装置10主要包括前置放大电路模块12、A/D转换模块14、中央处理器16以及显示模块18，通过前置放大电路模块12对来自传感器的信号进行放大，以便进行后续处理，通过A/D转换模块14将来自前置放大电路模块12的模拟信号转变成数字信号，中央处理器16可以对数字信号进行处理，以便于对其进行后续操作，中央处理器16可以将经过处理后的数字信号显示在显示模块18，由此可以直观地显示氧电势信号的大小。

前置放大电路模块12的第一信号输入端122连接至氧传感器42的信号输出端422，前置放大电路模块12的第一信号输出端124输出放大后的氧电势信号。A/D转换模块14的输入端142连接至前置放大电路模块12的输出端。中央处理器16的输入端162连接至A/D转换模块14的输出端144。根据本发明的多功能测氧控制装置10的前置放大电路模块12还包括第二信号输入端126，第二信号输入端126连接至测量高温测氧传感器的温度的热电偶44的信号输出端442，前置放大电路模块12的第二信号输出端128输出放大后的温度信号。前置放大电路模块12的第一信号输入端122能够分别连接至常温测氧传感器和高温测氧传感器，常温测氧传感器比如为电化学氧传感器，高温测氧传感器比如为氧化锆氧传感器。

在此，由于前置放大电路12既能够连接至常温测氧传感器，也能够连接至高温测氧传感器，因此可以根据实际需求使前置放大电路12与常温测氧传感器连接或者与高温测氧传感器连接，从而能够进行灵活地选择和配置，以使根据本发明的多功能测氧控制装置10既能够用于常温测氧，也能够用于高温测氧，大大提高了测氧设备的适用范围，从而克服了现有技术中的测氧设备仅能用于单一测量环境的缺陷。另外，由于前置放大电路模块12的第二信号输入端126连接至测量高温测氧传感器的温度的热电偶44，因此，中央处理器16能够对高温测氧传感器的温度进行实时监控，以使高温测氧传感器始终处于最佳的工作状态。

在此，多功能测氧控制装置10还包括控制高温测氧传感器的温度的温度控制模块26，温度控制模块26基于热电偶44的温度信号控制高温测氧传感器的温度。由于比如为氧化锆氧敏感元件的高温测氧传感器的工作温度一般为600℃左右，温度过高或过低都将影响氧化锆氧敏感元件的测量精度，因此需要对高温测氧传感器的氧敏感元件进行加热控制，以使其工作在最佳温度范围内。

本发明的多功能测氧控制装置10还包括数据选择模块20，该数据选择模块20设置在前置放大电路模块12与A/D转换模块14之间，用于使来自前置放大电路模块12的模拟信号选择性地输入至A/D转换模块14。比如，在进行高温测氧时，需要同时采集热电偶44的温度信号和高温测氧传感器的氧电势信号，此时可以通过数据选择模块20对温度信号和氧电势信号进行选择，以便确定在某一时刻将两者中的哪一者进行A/D转换。

根据本发明的多功能测氧控制装置10还包括电源模块22，该电源模块22为多功能测氧控制装置10的各个模块提供工作电压。也就是说，电源模块22为多功能测氧控制装置10的前置放大电路模块12、A/D转换模块14、中央处理器16、显示模块18、数据选择模块20以及其他模块提供工作电压。上述模块的工作电压可以相同，也可以不同。在此，电源模块22可以设计成包括环形铁芯变压器，电源输入侧和电流输出侧均增加滤波和隔离器件，从而能够有效地滤除或降低工业现场干扰源对测氧控制装置的干扰。

有利地，前置放大电路12可以包括放大器、偏置电阻和电位器，电位器用于调节由偏置电阻产生的偏执电压的大小。本发明的多功能测氧控制装置10还可以包括标准电流信号模块24，该标准电流信号模块24的输入端连接至中央处理器16，并输出标准电流信号。该标准电流信号可以用于对外输出或者用于驱动其他部件，或者也可以将其转换成电压信号，用于输出电压信号或者驱动其他部件。该标准电流信号模块24可以包括光耦隔离器、D/A转换器和V/I转换器等器件，光耦隔离器用于接收来自中央处理器的氧电势信号，D/A转换器用于将氧电势信号转换成模拟信号，V/I转换器用于将电压模拟信号转换成标准电流信号，并输出该标准电流信号。

以下将对多功能测氧控制装置10的各个组成模块进行具体说明。

多功能测氧控制装置10的温度控制模块26包括用于加热高温测氧传感器的加热炉和控制加热炉的功率的继电器，中央处理器根据热电偶的温度信号控制继电器的通断频率，从而控制加热炉的温度。温度控制模块26可以通过PID控制算法控制PMW(脉宽调制)波形的输出，以控制开关驱动电路，调节加热电阻丝的功率，以获得恒定的温度，该温度控制模块26主要用于高温测氧功能，用于控制高温测氧传感器的温度。本文中的温度控制采用K型热电偶来采集高温测氧传感器的加热炉的温度信号，中央处理器16根据炉温经PID控制算法得到固态继电器的周期导通周波数，通过控制继电器周期内的通断率来控制220V交流电源对加热炉的输出功率，从而达到控制高温测氧传感器的温度的目的。其中，热电偶44采集加热炉的温度信号时，信号输出端利用感温电流源进行冷端补偿，通过测量环境温度消除温度变化对热电偶44测量炉温的影响。温度控制模块26的片选端子、数据输入端子以及时钟输入端子分别与中央处理其16的相应的输出端子连接。5V电压输入端子与电源模块22的相应的电压输出端子连接。

本发明的多功能测氧控制装置10的A/D转换模块14可以采用4位半双积分A/D转换器。将时钟频率设定为125K赫兹，由中央处理器16的ALE端子与读写端子RD、WR一起经过定时计数分频来实现。中央处理器16的时钟频率取为6M赫兹，则ALE端子的频率为1M赫兹，ALE端子的信号经过八分频输出125K赫兹作为A/D转换模块14的转换时钟频率。基准电压输入端采用电压基准源分压得到的精确基准电压。前置放大电路模块12的5V和-6V输出与A/D转换模块14的输入电压连接。A/D转换模块14的选通数据输出端与中央处理器16的外部中断INTO输出端连接，数据选择模块20的输出端与A/D转换模块14的数据输入端连接。A/D转换模块14的8位数据线与中央处理器16的8位数据线连接。

向该多功能测氧控制装置10的电源模块22输入220V交流电压，经过变压、整流以及稳压处理可以输出±8V、15V、5V以及±6V的直流电压，从而为各个部件提供不同的工作电压。±8V电压输出端以及±6V电压输出端分别与前置放大电路模块12的电压输入端连接。5V电压输出端和15V电压输出端分别与比如为4mA-20mA标准电流信号模块和0-10mA标准电流信号模块的标准电流信号模块的输入端连接。5V电压输出端与A/D转换模块14、中央处理器16、数据选择模块20、显示模块18以及温度控制模块26的电源端子连接。

根据本发明的多功能测氧控制装置10的中央处理器16控制各个模块输入数据或输出数据，对数据进行运算处理并输出，中央处理器16由中央处理单元、看门狗定时器、缓冲驱动器、8D锁存器、可编程逻辑阵列以及8D触发器等器件组成，电源模块22的5V电压输出端与中央处理器16的电压输入端连接。中央处理器16的8位数据线与温度控制模块24、显示模块18及A/D转换模块14的相应的8位数据线连接。

根据本发明的多功能测氧控制装置10的数据选择模块20对其所采集的多组模拟信号进行选择并输入A/D转换模块，比如从前置放大电路模块12中的温度信号和氧电势信号中选择其中之一。数据选择模块20采用多路选择开关CD4051，CD4051是8选1多路模拟开关，其由逻辑电平转换电路、8选1译码电路和8个CMOS开关单元三部分组成，其具有三位二进制地址输入端A、B、C，输入电平与TTL兼容，数据选择模块20的原理图如图2所示。INT是地址输入禁止端，为高电平时，地址输入无效。CD4051的地址输入端A、B、C为通道选择输入端，S0、S1、S2和S3端子为通道输入端，高温测氧时，可输入氧电势信号、温度信号和温度补偿室温信号。前置放大电路模块12的EMOUT端子和TC-OUT端子分别与数据选择模块20的S0端子和S1端子连接，分别用于向A/D转换模块14输入氧电势信号和温度信号。CH-A、CH-B和CH-C端子与中央处理器16的相应端子连接。CD4051的OUT端子与A/D转换模块14的INTI端子连接。CD4051的VSS端子和VDD端子分别与电源模块的±8V端子连接。常温测氧时，输入信号为一组氧电势信号，EMOUT端子与数据选择模块20的INTI端子连接，数据选择模块20的S1端子接地。

根据本发明的多功能测氧控制装置10的标准电流信号模块24可以包括4mA-20mA标准电流信号模块，标准电流信号模块24将氧电势的运算结果从数字信号转换为模拟电流信号并进行输出。标准电流信号模块24由12位串行输入D/A转换器、单路输入V/I转换器和光耦隔离器组成。4mA-20mA标准信号输出采用两线制V/I转换模式实现。先由D/A转换器将中央处理器16输出的氧含量数字信号转换为模拟电压信号，再经过V/I转换器将氧含量模拟电压信号转换为标准4mA-20mA电流信号输出。标准电流信号模块24的5V电压输入端和15V电压输入端与电源模块22的相应的电压输出端连接，标准电流信号模块24的LOAD1输入端子、LOAD2输入端子、SRI输入端子以及CLK输入端子分别与中央处理器16的相应的输出端子连接。

多功能测氧控制装置10的显示模块18可以为LED显示器，用于显示氧量值，还可以包括用于显示报警状态的LED指示灯。LED显示器由四位LED数码管、串入并出移位缓存器、八通道缓冲驱动器、机械触点按键和LED二极管组成。显示模块18与电源模块22的5V电压输出端子和接地输出端子连接，并与中央处理器16的8位数据线、RXD端子、TXD端子以及P1口的2位数据线连接。在此，显示模块18可以采用非边沿触发的八通道缓冲驱动器，能够有效防止由现场干扰所引起的“锁死”现象。

在根据本发明的多功能测氧控制装置10的制备过程中，首先可以根据该装置的原理图绘制印刷电路板的PCB图，并按照原理图准备相关电子元器件，进行插装焊接。然后，编制软件程序，模拟信号源输入以测试各模块的输出性能。

当应用于高温测氧时，前置放大电路模块12接入来自氧传感器42的氧电势信号E和来自热电偶44的温度电势信号T，前置放大电路模块12输出放大的信号Em和Tc接入数据选择模块20的S0端子和S1端子，前置放大电路模块12输出自检毫伏电势信号，接入数据选择模块20的S2端子。中央处理器16通过对数据选择模块20的CHA输入端子、CHB输入端子以及CHC输入端子的控制来分别控制信号Em、Tc或自检毫伏电势信号输入A/D转换模块14。为了控制高温氧传感器的工作温度，还需要接入温度控制模块26，温度控制模块26的一端连接220V电源，另一端连接加热炉。加热炉的电阻值在140欧姆至160欧姆之间。常温测氧时，前置放大电路模块12只需接入氧电势信号E即可，无需接入温度控制模块26。

高温测氧的工作过程如下，氧电势信号及温度信号经过前置放大电路模块12放大后，进入数据选择模块20，由中央处理器16控制选择输入A/D转换模块14的信号，并将其转变成数字信号，中央处理器16根据氧化锆测氧数学模型能斯特方程计算出氧量值，并将结果输出至显示模块18，同时将结果输出至标准电流信号模块24，比如为4mA-20mA标准电流信号模块或0-10mA标准电流信号模块，在标准电流信号模块中经过D/A转换(数字/模拟转换)以及V/I转换(电压/电流转换)，最终以模拟电流信号的形式输出。

根据本发明的多功能测氧控制装置能够同时实现高温状态测氧和常温状态测氧。在高温状态测氧时，需要采集多组模拟信号，即温度信号和氧电势信号，并能够实现对高温测氧传感器的加热控制。前置放大电路模块可以接入温度测量电势信号和氧电势信号，测氧控制装置可以接入温度控制模块，数据选择模块接入放大后的温度电势、放大后的氧电势模拟信号、室温电势信号以及自检电势模拟信号，通过以上各个模块，多功能测氧控制装置能够实现多路模拟信号的采集和放大，并能够输出温度控制的信号，实现氧化锆高温测氧。常温测氧时，前置放大电路模块和数据选择模块接入一组氧电势模拟信号并对其进行放大，多功能测氧控制装置可实现常温氧量测量以及氧量的显示输出。因此，根据本发明的多功能测氧控制装置能够根据需要实现常温测氧和高温测氧，克服了现有技术中的测氧装置仅能进行常温测氧或高温测氧的单一功能的缺陷。

在抗干扰设计方面，电源模块采用环形铁芯变压器设计，电源输入部分和电流输出部分分别加入滤波及隔离器件，从而有效滤除和降低工业现场干扰源对测氧装置的干扰。此外，显示模块采用非边沿触发的八通道缓冲驱动器，可有效防止由现场干扰所引起的“锁死”现象。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种多功能测氧控制装置，包括：

前置放大电路模块，所述前置放大电路模块的第一信号输入端连接至氧传感器的信号输出端，所述前置放大电路模块的第一信号输出端输出放大后的氧电势信号；

A/D转换模块，所述A/D转换模块的输入端连接至所述前置放大电路模块的输出端；

中央处理器，所述中央处理器的输入端连接至所述A/D转换模块的输出端；以及

显示模块，所述显示模块由所述中央处理器控制，以对所述氧电势信号进行数字显示；

其特征在于，所述前置放大电路模块还包括第二信号输入端，所述第二信号输入端连接至测量所述高温测氧传感器的温度的热电偶的信号输出端，所述前置放大电路的第一信号输入端能够分别连接至常温测氧传感器和高温测氧传感器。

2.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述多功能测氧控制装置还包括控制所述高温测氧传感器的温度的温度控制模块，所述温度控制模块基于所述热电偶的温度信号控制所述高温测氧传感器的温度。

3.根据权利要求2所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述温度控制模块包括用于加热所述高温测氧传感器的加热炉和控制所述加热炉的功率的继电器，所述中央处理器根据所述热电偶的温度信号控制所述继电器的通断频率，从而控制所述加热炉的温度。

4.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述多功能测氧控制装置还包括数据选择模块，所述数据选择模块设置在所述前置放大电路模块与所述A/D转换模块之间，用于使所述前置放大电路模块的模拟信号选择性地输入至所述A/D转换模块。

5.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述多功能测氧控制装置还包括电源模块，所述电源模块为所述多功能测氧控制装置的各个模块供电，所述电源模块包括环形铁芯变压器。

6.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述前置放大电路模块包括放大器、偏置电阻和电位器，所述电位器用于调节由所述偏置电阻产生的偏执电压的大小。

7.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述多功能测氧控制装置还包括标准电流信号模块，所述标准电流信号模块的输入端连接至所述中央处理器，并输出标准电流信号。

8.根据权利要求6所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述标准电流信号模块包括光耦隔离器、D/A转换器和V/I转换器，所述光耦隔离器用于接收来自所述中央处理器的氧电势信号，所述D/A转换器用于将所述氧电势信号转换成模拟信号，所述V/I转换器用于输出标准电流信号。

9.根据权利要求1所述的多功能测氧控制装置，其特征在于，

所述显示模块包括非边沿触发的八通道缓冲驱动器。