CN110764546B - 两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表，用于与PLC控制器或DCS系统或电磁阀、接触器等设备连接，实现对温度的监视、远传、控制、报警和设备保护，本发明使温度仪表从低功耗(毫安级)跨入微功耗(微安级)，将引起温度仪表的可靠性和稳定性的根本性提高，实现了对温度的就地监视和4‑20mA远传、控制和报警，把现场的设备温度信号远传到DCS系统或PLC控制器，完成工业、交通等各种行业的设备的监视、控制、报警与保护；本发明将温度变送器、温控开关、数显功能三合一，实现了变送器的微功耗1‑5mA信号模式和电气隔离模式，实现了温度控制器两线制，不再需要单独供电(市面上常见的为三线制温控器)，而是通过信号回路供电，做到无条件替代机械式温控器，解决了长期以来机械式温控器不能替代的瓶颈，解决了使用机械式控制器卡涩和漂移带来的保护失灵(误动和拒动)，解决了机械式温控器不能监控带来保护系统不可控的安全隐患，从而提高了保护系统的可靠性。

Description

两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表

技术领域

本发明涉及智能温度仪表技术领域，具体为两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表。

背景技术

长期以来机械式温度控制器精度差，卡涩、漂移时有发生，引起各种设备保护的误动、拒动，导致事故的发生和设备损坏。而三线制温度控制器需要单独供电，供电电源的管理，电源可靠性难以保证，由于长距离供电的线路压降等原因，不符合工业控制的干触点要求，形成了工业上被机械温度控制器霸占，特别是被进口机械温度控制器霸占的状况。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表，用于与PLC控制器或DCS系统连接实现温度变送器、温控开关以及数显功能，所述PLC控制器或DCS系统均设有AI输入端口、DI输入端口，本发明包括恒流源、温度传感器、仪表放大器、A/D转换器、单片机、变送器、控制器、冗余电源模块、按键模块、数显模块，所述恒流源、温度传感器、仪表放大器、A/D转换器、单片机依次连接，所述单片机通过所述变送器与所述AI输入端口连接，所述单片机通过所述控制器与所述DI输入端口连接，所述变送器、控制器均通过所述冗余电源模块与所述单片机连接，所述单片机分别与所述按键模块、数显模块连接。

在优选的实施方案中，所述变送器包括电磁隔离芯片、D/A转换器、V/I转换器、第一整流滤波共模电路、第一线性稳压器、变压器驱动电路、隔离变压器、第二线性稳压器，所述单片机依次通过所述电磁隔离芯片、D/A转换器、V/I转换器、第一整流滤波共模电路与所述AI输入端口连接，所述AI输入端口依次通过所述第一整流滤波共模电路、第一线性稳压器、变压器驱动电路、隔离变压器、第二线性稳压器与所述冗余电源模块连接，所述第一线性稳压器分别与所述D/A转换器、V/I转换器连接，所述第二线性稳压器与所述电磁隔离芯片连接。

在优选的实施方案中，所述控制器包括开关驱动电路、IGBT开关、第二整流滤波共模电路、降压LDO、升压LDO、升压/降压切换电路，所述单片机依次通过所述开关驱动电路、IGBT开关、第二整流滤波共模电路与所述DI输入端口连接，所述第二整流滤波共模电路分别通过所述降压LDO、升压LDO与所述升压/降压切换电路连接，所述升压/降压切换电路与所述冗余电源模块连接。

在优选的实施方案中，所述恒流源采用50uA微功耗恒流源，用于为所述温度传感器提供50uA供电电流。

在优选的实施方案中，所述仪表放大器采用50uA微功耗仪表放大器。

在优选的实施方案中，所述单片机采用50uA工作电流单片机。

在优选的实施方案中，所述显示模块采用10uA微功耗显示器。

本发明的有益效果为：

1、本发明将温度变送器、温控开关、数显功能三合一，实现了变送器的微功耗1-5mA信号模式和电气隔离模式，实现了温度控制器两线制，不再需要单独供电(市面上常见的为三线制温控器)，而是通过信号回路供电，做到无条件替代机械式温控器，解决了长期以来机械式温控器不能替代的瓶颈，解决了使用机械式控制器卡涩和漂移带来的保护失灵(误动和拒动)，解决了机械式温控器不能监控带来保护失控的可能性，从而提高了保护系统的可靠性。

2、本发明使温度仪表从低功耗(毫安级)跨入微功耗(微安级)，将引起温度仪表的可靠性和稳定性的根本性提高，实现了对温度的就地监视和4-20mA远传、控制和报警，把现场的设备温度信号远传到DCS系统或PLC控制器，完成工业、交通等各种行业的设备的监视、控制、报警与保护。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表的框架结构图。

图中：

1、恒流源；2、温度传感器；3、仪表放大器；4、A/D转换器；5、单片机；6、按键模块；7、显示模块；8、变送器；801、电磁隔离芯片；802、D/A转换器；803、V/I转换器；804、第一整流滤波共模电路；805、第一线性稳压器；806、变压器驱动电路；807、隔离变压器；808、第二线性稳压器；9、控制器；901、开关驱动电路；902、IGBT开关；903、第二整流滤波共模电路；904、降压LDO；905、升压LDO；906、升压/降压切换电路；10、冗余电源模块；11、AI输入端口；12、DI输入端口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例的两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表，用于与PLC控制器或DCS系统连接实现温度变送器、温控开关以及数显功能，PLC控制器或DCS系统均设有AI输入端口11、DI输入端口12，本发明包括恒流源1、温度传感器2、仪表放大器3、A/D转换器4、单片机5、变送器8、控制器9、冗余电源模块10、按键模块6、数显模块7，所述恒流源1、温度传感器2、仪表放大器3、A/D转换器4、单片机5依次连接，单片机5通过变送器8与AI输入端口11连接达到温度变送器功能，单片机5通过控制器9与DI输入端口12连接达到温控开关功能，变送器8、控制器9均通过冗余电源模块10与单片机5连接，单片机5分别与按键模块、数显模块连接；

恒流源1采用50uA微功耗恒流源，用于为温度传感器2提供50uA供电电流；

温度传感器2用于检测外界温度得到模拟电压信号，并发送至仪表放大器3；常规温度传感器的供电电流为1mA,传感器桥臂电阻4k，功耗为160mw，由于功耗，传感器自热引起扩散硅桥臂电阻的阻值变化产生的温度漂移；本发明采用供电电流为50uA的微功耗温度传感器，功耗为0.8mW,功耗大大的减小，导致传感器发热大大减小，克服了传感器发热引起的漂移。

仪表放大器3采用50uA微功耗仪表放大器，功耗低，稳定性好，仪表放大器3对模拟电压信号进行放大，并发送至A/D转换器4；

A/D转换器4即模数转换器，用于将模拟电压信号转换为数字信号，并发送至单片机5；

单片机5采用50uA工作电流单片机，用于接收A/D转换器发送的数字信号，同时接收按键模块5输入的设定值，一方面将数字信号发送至变送器8达到温度变送器功能；一方面单片机5内部设有与门逻辑电路，通过将数字信号与设定值比较后发送至控制器9达到温控开关功能；同时将数字信号和设定值发送至显示模块7进行实时温度显示和设定值显示；

具体的实施例中，变送器8包括电磁隔离芯片801、D/A转换器802、V/I转换器803、第一整流滤波共模电路804、第一线性稳压器805、变压器驱动电路806、隔离变压器807、第二线性稳压器808，单片机5依次通过电磁隔离芯片801、D/A转换器802、V/I转换器803、第一整流滤波共模电路804与AI输入端口11连接实现温度变送器功能，AI输入端口11依次通过第一整流滤波共模电路804、第一线性稳压器805、变压器驱动电路806、隔离变压器807、第二线性稳压器808与冗余电源模块10连接达到回路供电功能，第一线性稳压器805分别与D/A转换器802、V/I转换器803连接，第二线性稳压器808与电磁隔离芯片801连接；

单片机5将接收的数字信号发送至电磁隔离芯片801，电磁隔离芯片801为现有技术，并将数字信号发送至D/A转换器802；

D/A转换器802即数模转换器，用于接收电磁隔离芯片801传递的数字信号，将数字信号转换为模拟电压信号，并发送至V/I转换器803；

V/I转换器803用于将模拟电压信号转换为4-20mA的模拟电流信号并经过第一整流滤波共模电路804发送至AI输入端口11，被PLC控制器或DCS系统获取，进而实现温度变送器功能；

本发明实施例中，AI输入端口11输入的24V电压(24V电压由PLC控制器或DCS系统提供)经第一整流滤波共模电路804、第一线性稳压器805输出为3V电压，供变压器驱动电路806使用，同时第一线性稳压器805用于向D/A转换器802和V/I转换器803提供3V电压，变压器驱动电路806产生400KHz交流信号输出到隔离变压器807初级，隔离变压器807次级输出5V电压经第二线性稳压器808至冗余电源模块10，同时第二线性稳压器808用于向电磁隔离芯片801提供电压；

具体的实施例中，控制器9包括开关驱动电路901、IGBT开关902、第二整流滤波共模电路903、降压LDO904、升压LDO905、升压/降压切换电路906，单片机5依次通过开关驱动电路901、IGBT开关902、第二整流滤波共模电路903与DI输入端口12连接达到温控开关功能，第二整流滤波共模电路903分别通过降压LDO904、升压LDO905与升压/降压切换电路906连接，升压/降压切换电路906与冗余电源模块10连接达到回路供电功能；

单片机5内部设有与门逻辑电路，通过比较设定值与数字信号，当数字信号代表的温度值大于设定值时，单片机5输出逻辑“1”至开关驱动电路901，开关驱动电路901控制IGBT开关902闭合；当数字信号代表的温度值小于或等于设定值时，单片机5输出逻辑“0”至开关驱动电路901，进而控制IGBT开关902断开；IGBT开关902的闭合或断开信号经过第二整流滤波共模电路903，随后通过DI输入端口21被PLC控制器或DCS系统获取，进而实现温控开关的功能；

值得说明的是，本发明实施例中DI输入端口12还可以替换为电磁阀、接触器等设备，即IGBT开关902的闭合或断开信号经过第二整流滤波共模电路903被电磁阀或接触器等设备获取，达到温控开关的功能。

DI输入端口12输入的24～220VAC/DC(24～220VAC/DC由PLC控制器或DCS系统提供)经第二整流滤波共模电路903处理后提供至降压LDO904或升压LDO905，降压LDO904即降压稳压器，为现有技术；升压LDO905即升压稳压器，为现有技术；升压/降压切换电路906用于选择降压LDO904或升压LDO905工作，电压信号经升压/降压切换电路906输出为5V电压至冗余电源模块10；

由变送器8回路提供的电压和控制器9回路提供的电压理论上均为5V，但实际中，两路电压在转换过程中均会有少量损失，冗余电源模块10用于选择实际电压高者通过，冗余电源模块10为现有技术，包括两个二极管，其中一个二极管的正极与第二线性稳压器808的输出端连接，另一个二极管的正极与升压/降压切换电路906的输出端连接，两个二极管的负极共线并与单片机5连接，冗余电源模块10的工作原理为两个二极管中电压高者通过，例如，由变送器8回路提供的实际电压大于控制器9提供的实际电压时，则变送器8回路提供的电压通过冗余电源模块10为单片机5供电，控制器9回路提供的电压被阻隔；同理，当控制器9回路提供的实际电压大于变送器8回路提供的实际电压时，控制器9回路提供的电压通过冗余电源模块10为单片机5供电，变送器8回路提供的电压被阻隔；

综上所述，本发明两线制数显智能温度仪表系统集温度变送器、温控开关、数显三种功能于一体，并将现有技术的三线制改为两线制，不再单独供电，而是通过回路供电，其中：

1、温度变送器功能，通过温度传感器2获取温度模拟电压信号，依次通过仪表放大器3、A/D转换器4对模拟电压信号进行放大处理并转换成数字信号发送至单片机5，然后，数字信号依次经过电磁隔离芯片801、D/A转换器802、V/I转换器803、第一整流滤波共模电路804，将数字信号转换成模拟电压信号，并将模拟电压信号转换为模拟电流信号输出至AI输入端口11，从而实现温度变送器功能；

2、温控开关功能，通过温度传感器2获取的温度模拟电压信号转换为数字信号发送至单片机5后，单片机5通过内部设置的与门逻辑电路，将数字信号与按键模块6输入的设定值进行比较，当数字信号代表的温度值大于设定值时，IGBT开关902闭合；当数字信号代表的温度值小于或等于设定值时，IGBT开关902断开；IGBT开关902的闭合或断开信号通过第二整流滤波共模电路903后，经DI输入端口12被PLC控制器或DCS系统获取，从而实现温控开关的功能；

3、数显功能，通过温度传感器2获取的温度模拟电压信号转换为数字信号发送至单片机5后，经由单片机5发送至显示模块7进行显示，同时显示按键模块6输入的设定值，本发明实施例中，显示模块7采用10uA微功耗显示器；

4、两线制回路供电功能，本发明经由AI输入端口11和DI输入端口12分两路进行供电，并分别转换为5V电压，经由冗余电源模块10向单片机供电，由冗余电源模块10根据两路提供的实际电压进行选择，电压高者通过冗余电源模块10为单片机及本发明系统供电，电压低者被阻隔。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表，用于与PLC控制器或DCS系统连接实现温度变送器、温控开关以及数显功能，所述PLC控制器或DCS系统均设有AI输入端口、DI输入端口，其特征在于：包括恒流源、温度传感器、仪表放大器、A/D转换器、单片机、变送器、控制器、冗余电源模块、按键模块、数显模块，所述恒流源、温度传感器、仪表放大器、A/D转换器、单片机依次连接，所述单片机通过所述变送器与所述AI输入端口连接，所述单片机通过所述控制器与所述DI输入端口连接，所述变送器、控制器均通过所述冗余电源模块与所述单片机连接，所述单片机分别与所述按键模块、数显模块连接；

所述变送器包括电磁隔离芯片、D/A转换器、V/I转换器、第一整流滤波共模电路、第一线性稳压器、变压器驱动电路、隔离变压器、第二线性稳压器，所述单片机依次通过所述电磁隔离芯片、D/A转换器、V/I转换器、第一整流滤波共模电路与所述AI输入端口连接，所述AI输入端口依次通过所述第一整流滤波共模电路、第一线性稳压器、变压器驱动电路、隔离变压器、第二线性稳压器与所述冗余电源模块连接，所述第一线性稳压器分别与所述D/A转换器、V/I转换器连接，所述第二线性稳压器与所述电磁隔离芯片连接；

通过温度传感器获取温度模拟电压信号，依次通过仪表放大器、A/D转换器对模拟电压信号进行放大处理并转换成数字信号发送至单片机，然后，数字信号依次经过电磁隔离芯片、D/A转换器、V/I转换器、第一整流滤波共模电路，将数字信号转换成模拟电压信号，并将模拟电压信号转换为模拟电流信号输出至AI输入端口，从而实现温度变送器功能；PLC控制器或DCS系统为AI输入端口提供24V电压，AI输入端口输入的24V电压经第一整流滤波共模电路、第一线性稳压器输出为3V电压，供变压器驱动电路使用，同时第一线性稳压器用于向D/A转换器和V/I转换器提供3V电压，变压器驱动电路产生400KHz交流信号输出到隔离变压器初级，隔离变压器次级输出5V电压经第二线性稳压器至冗余电源模块，同时第二线性稳压器用于向电磁隔离芯片提供电压；

所述控制器包括开关驱动电路、IGBT开关、第二整流滤波共模电路、降压LDO、升压LDO、升压/降压切换电路，所述单片机依次通过所述开关驱动电路、IGBT开关、第二整流滤波共模电路与所述DI输入端口连接，所述第二整流滤波共模电路分别通过所述降压LDO、升压LDO与所述升压/降压切换电路连接，所述升压/降压切换电路与所述冗余电源模块连接；

单片机内部设有与门逻辑电路，通过比较设定值与数字信号，当数字信号代表的温度值大于设定值时，单片机输出逻辑“1”至开关驱动电路，开关驱动电路控制IGBT开关闭合；当数字信号代表的温度值小于或等于设定值时，单片机输出逻辑“0”至开关驱动电路，进而控制IGBT开关断开；IGBT开关的闭合或断开信号经过第二整流滤波共模电路，随后通过DI输入端口被PLC控制器或DCS系统获取，进而实现温控开关的功能；PLC控制器或DCS系统为DI输入端口提供24～220VAC/DC，DI输入端口输入的24～220VAC/DC经第二整流滤波共模电路处理后提供至降压LDO或升压LDO，升压/降压切换电路用于选择降压LDO或升压LDO工作，电压信号经升压/降压切换电路输出为5V电压至冗余电源模块；

所述两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表经由AI输入端口和DI输入端口分两路为其进行供电，并分别转换为5V电压，经由冗余电源模块向单片机供电，由冗余电源模块根据两路提供的实际电压进行选择，电压高者通过冗余电源模块为单片机及所述两线制回路供电数显智能温度控制器和变送器一体化仪表供电，电压低者被阻隔；

所述恒流源采用50uA微功耗恒流源，用于为所述温度传感器提供50uA供电电流；

所述仪表放大器采用50uA微功耗仪表放大器；

所述单片机采用50uA工作电流单片机；

显示模块采用10uA微功耗显示器。

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