CN111474228A - 一种高性能氧量变送器 - Google Patents

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贾铁军
邢志国
尹卫
韩晓滨
张谦
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China Institute of Atomic of Energy
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/22—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element being a thermocouple

Abstract

本发明涉及一种高性能氧量变送器，包括：主控模块，用于将氧电势和热电偶模拟电压信号转换为数字信号后进行运算处理，将氧含量及加热温度运算结果输出至显示模块，根据当前加热温度运算输出温度控制量至PID温控模块，氧含量数字信号通过D/A单元转换为模拟信号，输出至信号输出模块；显示模块，用于显示氧含量及加热温度运算结果；输入模块，用于参数调整；PID温控模块，用于调节加热电阻丝功率；信号输出模块，用于将模拟信号转换为电流信号输出；电源模块，用于供电。本发明的有益效果如下：本发明通过采用数字技术代替电位器实现调节过程，能够避免电位器机械故障隐患和温度漂移问题，提高可靠性和稳定性。

Description

一种高性能氧量变送器
技术领域
本发明属于分析仪器测量领域，具体涉及一种高性能氧量变送器。
背景技术
氧量变送器是能够测量含氧量并将测量结果输出的仪器，广泛应用于电力、冶金、石化、轻工、等工业操作系统。
目前市场上生产的氧量变送器有各种结构形式，大多采用线性电源，数码管显示，传统分立元件组合而成；测量两路输入不隔离，导致显示相互影响，甚至容易受到外部干扰。普遍存在有明显缺陷是：其一，显示信息量少，用户界面效果不好，功耗高，效率低；其二，稳定性差，寿命低，精度不高；其三，生产复杂，故障率高，精度低。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高性能氧量变送器，该技术方案能够采用数字技术代替电位器，能够准确测量含氧量，避免电位器机械故障隐患和温度漂移问题，提高可靠性和稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种高性能氧量变送器，包括：
主控模块，用于将氧电势和热电偶模拟电压信号转换为数字信号后进行运算处理，将氧含量及加热温度运算结果输出至显示模块，根据当前加热温度运算输出温度控制量至PID温控模块，氧含量数字信号通过D/A单元转换为模拟信号，输出至信号输出模块；
显示模块，用于显示来自主控模块的氧含量及加热温度运算结果；
输入模块，用于主控模块的参数调整；
PID温控模块，用于根据温度控制量调节加热电阻丝功率，以获得恒定温度；
信号输出模块，用于将来自主控模块的模拟信号转换为电流信号输出；
电源模块，用于给主控模块、PID温控模块、显示模块和/或信号输出模块供电。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，还包括输入保护单元，所述氧电势和热电偶模拟电压信号经过所述输入保护单元处理后再输入所述主控模块。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，所述电源模块将220V交流电依次进行整流滤波、交直流转换、滤波稳压和三端稳压后输出直流电压。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，所述信号输出模块，将来自主控模块的模拟信号经过光耦隔离及V/I变换转换为标准信号输出。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，所述主控模块通过PID算法控制PMW波形的输出控制所述PID温控模块的可控硅通断时间，从而调节加热电阻丝功率，以获得恒定的温度。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，所述热电偶模拟电压信号来自采用K型热电偶采集的温度信号；该热电偶采集炉温信号时，信号输出端用热敏电阻进行冷端补偿，以通过测量环境温度消除该温度变化对热电偶测温结果的影响。
进一步地，上述的高性能氧量变送器，所述显示模块为128×64点阵液晶屏，能够显示的参数包括氧量测量值、温度值、加热状态和报警标志。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过采用数字技术代替电位器实现调节过程，能够避免电位器机械故障隐患和温度漂移问题，提高可靠性和稳定性。
2、采用单芯片技术，集成度高，外围元件少，进一步提高可靠性。
3、电源模块负载量高且功耗小，输出直流工作电压，既能避免元器件过热缩短使用寿命和温度漂移，也降低能源消耗，提高稳定性。
附图说明
图1为本发明的高性能氧量变送器的结构框图。
图2为本发明的电源模块的示意图。
图3为本发明的PID温控模块的示意图。
图4为本发明的信号输出模块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种高性能氧量变送器，包括：主控模块，用于将氧电势和热电偶模拟电压信号转换为数字信号后进行运算处理，将氧含量及加热温度运算结果输出至显示模块，根据当前加热温度运算输出温度控制量至PID温控模块，氧含量数字信号通过D/A单元转换为模拟信号，输出至信号输出模块；显示模块，用于显示来自主控模块的氧含量及加热温度运算结果；输入模块，用于主控模块的参数调整；PID温控模块，用于根据温度控制量调节加热电阻丝功率，以获得恒定温度；信号输出模块，用于将来自主控模块的模拟信号转换为电流信号输出；电源模块，用于给主控模块、PID温控模块、显示模块和/或信号输出模块供电。
本发明中，主控模块采用先进SoC(System on Chip)芯片，控制各个模块输入或输出数据，对数据运算处理并输出。该芯片包含A/D转换、中央处理单元CPU、D/A转换和其他稳压和滤波外围元件。高性能氧量变送器还包括输入保护单元，所述氧电势和热电偶模拟电压信号经过所述输入保护单元处理后再输入所述主控模块。
本实施例中，电源模块5V输出与主控模块电压输入连接。主控模块2条电源线与电源模块，3条数据线连接PID加热控制模块，3条数据线连接4-20ma电流输出模块，6条数据线连接液晶显示模块，8条数据线连接按键输入模块。输入端氧信号经过输入保护部分和干扰滤波部分连接到主控模块。同理，输入端热电偶信号经过输入保护部分和干扰滤波部分连接到主控模块。
如图2所示，所述电源模块将220V交流电依次进行整流滤波、交直流转换、滤波稳压和三端稳压后输出直流电压。该直流电压为5V电压和3.3V电压。
如图4所示，所述信号输出模块将来自主控模块的模拟信号经过光耦隔离及V/I变换转换为标准信号输出。该信号输出模块可输出0-10mA或4-20mA直流电流信号、0-10V或1-5V直流电压信号、通信串口RS485/RS232信号或通信HART信号。出厂设置输出可为4-20mA直流电流信号，可根据用户需要更换输出模块为直流电压或通信输出。主控模块输出氧含量信号为PWM电压方波，该电压信号经过光耦隔离及V/I变换转换为标准4-20mA电流信号输出。采用光电隔离标准电流信号输出，有效隔绝电磁及接地干扰信号对系统造成影响。
如图3所示，所述主控模块通过PID算法控制PMW波形的输出控制所述PID温控模块的可控硅通断时间，从而调节加热电阻丝功率，以获得恒定的温度。
本发明中，所述热电偶模拟电压信号来自采用K型热电偶采集的温度信号；该热电偶采集炉温信号时，信号输出端用热敏电阻进行冷端补偿，以通过测量环境温度消除该温度变化对热电偶测温结果的影响。
显示模块为128×64点阵液晶屏，能够显示的参数包括氧量测量值、温度值、加热状态和报警标志。
输入模块的操作面板设置七位按键，可进入操作菜单选择参数进行数值设置或选择观察参数。主控模块定时扫描按键状态，根据按键状态进行变送器校准、氧量及温度上下限设置、温度控制PID参数调整、输出参数显示等功能实现。根据生产调试和用户现场使用需要，还可通过操作面板按键设置温度控制或氧量输出等过程控制参数，方便生产过程调试或变送器使用维护时故障判断。
针对氧化锆测氧电池温度变化快易损裂特点，本发明的变送器可通过设置温度控制参数调节升温时间或加热电压大小，有效延长氧化锆电池使用寿命。也可设置氧量上、下限报警,温度上、下限报警及多种故障信息提示。
本发明通过采用数字技术代替电位器实现调节过程，能够避免电位器机械故障隐患和温度漂移问题，提高可靠性和稳定性。采用单芯片技术，集成度高，外围元件少，进一步提高可靠性。电源模块负载量高且功耗小，输出直流工作电压，既能避免元器件过热缩短使用寿命和温度漂移，也降低能源消耗，提高稳定性。温度控制采用智能算法，控温精度高，稳定性好。模块化的设计稳定性高，可扩展性好，可根据需要更换输出模块，用户使用及维护简单方便。同时设置了多种控制过程观察参数，在生产调试或使用维护时易于进行故障判断。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种高性能氧量变送器，其特征在于，包括：
主控模块，用于将氧电势和热电偶模拟电压信号转换为数字信号后进行运算处理，将氧含量及加热温度运算结果输出至显示模块，根据当前加热温度运算输出温度控制量至PID温控模块，氧含量数字信号通过D/A单元转换为模拟信号，输出至信号输出模块；
显示模块，用于显示来自主控模块的氧含量及加热温度运算结果；
输入模块，用于主控模块的参数调整；
PID温控模块，用于根据温度控制量调节加热电阻丝功率，以获得恒定温度；
信号输出模块，用于将来自主控模块的模拟信号转换为电流信号输出；
电源模块，用于给主控模块、PID温控模块、显示模块和/或信号输出模块供电。
2.如权利要求1所述的高性能氧量变送器，其特征在于，还包括输入保护单元，所述氧电势和热电偶模拟电压信号经过所述输入保护单元处理后再输入所述主控模块。
3.如权利要求1所述的高性能氧量变送器，其特征在于，所述电源模块将220V交流电依次进行整流滤波、交直流转换、滤波稳压和三端稳压后输出直流电压。
4.如权利要求1所述的高性能氧量变送器，其特征在于，所述信号输出模块，将来自主控模块的模拟信号经过光耦隔离及V/I变换转换为标准信号输出。
5.如权利要求1-4任一所述的高性能氧量变送器，其特征在于，所述主控模块通过PID算法控制PMW波形的输出控制所述PID温控模块的可控硅通断时间，从而调节加热电阻丝功率，以获得恒定的温度。
6.如权利要求5所述的高性能氧量变送器，其特征在于，所述热电偶模拟电压信号来自采用K型热电偶采集的温度信号；该热电偶采集炉温信号时，信号输出端用热敏电阻进行冷端补偿，以通过测量环境温度消除该温度变化对热电偶测温结果的影响。
7.如权利要求1所述的高性能氧量变送器，其特征在于，所述显示模块为128×64点阵液晶屏，能够显示的参数包括氧量测量值、温度值、加热状态和报警标志。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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