CN112857428A - 一种高精度多通道无线变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度多通道无线变送器，包括多通道发射器、无线接收器，所述多通道发射器包括电路容置壳体，所述电路容置壳体的内部固定安装有无线变送器电路，所述电路容置壳体的底部固定安装有传感器接线盒，所述传感器接线盒的另一侧固定安装有传感器引出线防水接头，所述多通道发射器可采集1路到4路温度、压力或液位传感器信号，通过无线信号将其采集到的信号发射至远端的无线接收器，无线接收器再通过通信接口将数据集中上传给上位机设备。本发明实现了在使用的过程中相对于传统变送器，无线变送器具有免于布线，安装简单的特点，相对于常规无线变送器，多通道无线变送器具有集成度高，相对成本更低的特点。

Description

一种高精度多通道无线变送器

技术领域

本发明涉及工业变送器技术领域，尤其涉及一种高精度多通道无线变送器。

背景技术

传感器是能够按照一定的规律将被测量转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成，如热电偶，变送器则是将传感器所产生的非标准电信号转换为标准电信号的设备，并将传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件，传感器和变送器相互配合一同构成自动控制的监测信号源。

工业变送器主要应用于石油、化工、冶炼等工业场景中，用于测量现场工业过程中的温度、压力、物位、流量等工程变量，传统工业变送器需要长距离的布线，包括供电线、信号线等，而实际工业应用场景中，存在一些复杂的工况，无法布线或不便于布线，随着近年来低功耗无线通信技术的快速发展，无线变送器也应运而生，本发明设计的无线变送器即为应对这样的工作环境，无需布线，实现远距离的过程监控，近年来无线变送器产品不断推陈出新，产品的成熟度得到进一步提高，也产生了更多新的需求。由于无线变送器的相对先进性，价格也相对较高，为了提高无线带宽的利用率，提高无线变送器产品的性价比，进一步增加无线变送器的集成度，兼容更多测量参数，增加通道数成为一种发展方向。

发明内容

为了解决现有市面上无线变送器产品集成度低，成本高，为了追求长续航精度相对较低的问题，本发明提供了一种高精度多通道无线变送器，具有高精度、多通道、配置灵活、安装方便、成本更低等特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高精度多通道无线变送器，包括多通道发射器、无线接收器，所述多通道发射器包括电路容置壳体，所述电路容置壳体的内部固定安装有无线变送器电路，所述电路容置壳体的一侧固定安装有天线，所述电路容置壳体的底部固定安装有传感器接线盒，所述传感器接线盒的另一侧固定安装有传感器引出线防水接头；

所述多通道发射器可采集1路到4路温度、压力或液位传感器信号，通过无线信号将其采集到的信号发射至远端的无线接收器，无线接收器再通过通信接口将数据集中上传给上位机设备。

优选的，所述无线变送器中的多通道发射器与无线接收器为星型组网，无线接收器为中心，每个无线接收器可连接多台发射器，所述无线变送器的无线通信协议可采用LoRa、Zigbee、WIA-PA、WirelessHART等。

优选的，所述无线接收器设有与上位机连接的接口：如RS485接口、4-20mA接口、以太网接口等，周期性的向组网的发射器发送同步帧，以保证网络的长时间有效组网。

优选的，所述多通道发射器可以同时测量1~4路温度、压力、液位等多种传感器的信号，并且每个测量通道的传感器种类可以灵活配置，工作的通道数目也可以灵活配置，所述多通道发射器满足IP67防护等级要求，所述多通道发射器下方设置有圆柱形接线盒，接线盒腔体内包含多路传感器接线端子，并通过防水接头引出传感器线缆。

优选的，所述变送器铝壳前部腔体包含无线发射器的主要电路，所述变送器铝壳后部腔体包含大容量锂电池，最大容量可以达到3.8Ah。

优选的，所述发射器电路板的发射器电路包含：电源电路、高精度ADC采样电路、通道切换电路、显示和按钮电路、无线收发电路，电路整体休眠功耗低于20μA，采样时功耗低于2mA，发射时功耗低于100mA。

优选的，所述高精度ADC电路的温度漂移控制在30ppm/℃，保证测量准确度达到0.1%的同时，输出速率可以达到50Hz。

优选的，所述通道切换电路选择导通电阻稳定的器件，各个通道经过出厂校准以后，每年电阻测量的漂移不超过50ppm，可以切换1~4路传感器的驱动端和测量端口。

优选的，所述显示和按钮电路通过按键唤醒电路，并且唤醒后，可以通过显示界面灵活配置无线参数和测量参数。

优选的，所述无线收发电路具有空中信号监测功能，以提高分时复用的性能，所述无线收发电路发射功率可调，以适应不同的距离和功耗要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相对于传统变送器，无线变送器具有免于布线，安装简单的特点。

2、相对于市面上已有的单通道无线变送器，多通道无线变送器具有配置灵活、集成度高、相对性价比更高的特点。

附图说明

图1为本发明提出的一种高精度多通道无线变送器的多通道发射器立体图；

图2为本发明提出的一种高精度多通道无线变送器的无线接收器外观图；

图3为本发明提出的一种高精度多通道无线变送器的发射器电源和显示按钮电路原理图；

图4为本发明提出的一种高精度多通道无线变送器的发射器无线收发器电路原理图；

图5为本发明提出的一种高精度多通道无线变送器的发射器模数转换和通道切换电路原理图。

图中：1、多通道发射器；2、无线接收器；3、电路容置壳体；4、天线；5、无线变送器电路；6、传感器接线盒；7、传感器引出线防水接头。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-5，一种高精度多通道无线变送器，包括多通道发射器1、无线接收器2，多通道发射器1包括电路容置壳体3，电路容置壳体3的内部固定安装有无线变送器电路5，电路容置壳体3的一侧固定安装有天线4，电路容置壳体3的底部固定安装有传感器接线盒6，传感器接线盒6的另一侧固定安装有防水接头7；

多通道发射器1可采集1路到4路温度、压力或液位传感器信号，通过无线信号将其采集到的信号发射至远端的无线接收器2，无线接收器2再通过通信接口将数据集中上传给上位机设备。

当本装置进行工作时，包括：多通道无线发射器1、无线接收器2，多通道发射器1由下列部件组成：电路容置壳体3、传感器接线盒6、无线变送器电路5、天线4，电路容置壳体3和传感器接线盒6材质为金属铝，其中电路容置壳体3分为前后两个腔体，分别用带有透明玻璃的前盖（用于显示）和后盖进行结合密封，前部腔体放置无线变送器电路5，后部腔体放置大容量锂电池，传感器接线盒6上部通过螺纹与电路容置壳体3进行接合，底部设置底盖，打开底盖可对传感器接线端子进行安装和拆卸操作，传感器接线盒6的侧面安装有防水接头7，用于引出传感器延长线，天线4也应当采用防爆天线，通过螺纹连接于电路容置壳体3的侧面电气接口上，上述所有螺纹接合处都设置有O型密封圈，加强密封，以达到防水防尘要求和隔爆要求；

当本装置进行工作时，无线接收器2由下列部件组成：接收器外壳、天线、无线收发电路、信号输出电路，一台发射器的测量电路可以同时测量1~4路传感器的信号，多通道无线发射器1与无线接收器2通过无线信号进行通信，主要通信模式是发射器向接收器上传传感器状态，一台无线接收器2可以配置为分时接收最多20台发射器数据，当配置为4通道时，可传输80个点的传感器数据，图3所示，本发明的具体实施方式中，无线发射器的电源接口处应当设置有限流保险丝，如图3中的F1，其作用在于，当电路发生未知故障，出现短路等情况下，及时熔断保险丝，防止电池电流过大发热甚至爆炸，图4所示，本发明的具体实施方式中，采用了SX1278 LoRa无线模组，实现了LoRa无线通信协议的收发，图5所示，本发明的具体实施方式中，采用了AD7793模数转换芯片进行传感器的模拟量测量，AD7793内部包含恒流源和带隙基准，可以较大程度降低电路的面积；

其中，无线变送器中的多通道发射器1与无线接收器2为星型组网，无线接收器2为中心，每个无线接收器2可连接多台发射器；

需要说明的是，无线变送器的无线通信协议可采用LoRa、Zigbee、WIA-PA、WirelessHART等。

其中，无线接收器2设有与上位机连接的接口：如RS485接口、4-20mA接口、以太网接口等；

需要说明的是，当本装置进行工作时，无线接收器2周期性的向组网的发射器发送同步帧，以保证网络的长时间维持有效组网。

其中，多通道发射器1可以同时测量1~4路温度、压力、液位等多种传感器的信号，并且每个测量通道的传感器种类可以灵活配置，工作的通道数目也可以灵活配置，多通道发射器1满足IP67防护等级要求，多通道发射器1下方设置有圆柱形接线盒，接线盒腔体内包含多路传感器接线端子，并通过防水接头引出传感器线缆；

需要说明的是，通过外壳的所有螺纹接合面和粘结结合面都必须满足隔爆要求和IP67防护等级，以适应大部分工况的安全性和防护要求。

其中，变送器铝壳前部腔体包含无线发射器的主要电路，变送器铝壳后部腔体包含大容量锂电池，最大容量可以达到3.8Ah；

需要说明的是，通过大容量电池可提供充足的续航时间。

其中，发射器电路板的发射器电路包含：电源电路、高精度ADC采样电路、通道切换电路、显示和按钮电路、无线收发电路，电路整体休眠功耗低于20μA，采样时功耗低于2mA，发射时功耗低于100mA；

需要说明的是，图3中的P2连接件为现实和按钮电路的柔性PCB连接件，采用柔性PCB连接的目的是，使得显示和按钮电路与变送器主电路能够实现旋转拼接，这样在现场安装时可以灵活调整显示电路的安装角度，实现0度到270度角的自由调节。

其中，高精度ADC电路的温度漂移控制在30ppm/℃，保证测量准确度达到0.1%的同时，输出速率可以达到50Hz；

需要说明的是，通过对高精度ADC电路的温度控制，以有效控制测量时长，降低功耗，本发明采用了AD7793模数转换芯片进行传感器的模拟量测量，AD7793内部包含恒流源和带隙基准，可以较大程度降低电路的面积，同时其有效精度可以达到20位，满足工业现场的高精度要求。

其中，通道切换电路选择导通电阻稳定的器件，各个通道经过出厂校准以后，每年电阻测量的漂移不超过50ppm，可以切换1~4路传感器的驱动端和测量端口；

需要说明的是，多通道无线变送器的发射器测量电路通过切换多个模拟量测量通道和驱动通道，来实现对多路传感器的高精度切换和测量，该电路经过校准和补偿以后，各个通道的测量准确度可以达到0.1级，对于电阻型的传感器，驱动源通常采用恒流源，电路上的模拟前端产生的恒流源有一定的温漂，因此对于恒流源的电流大小也应当进行测量，补偿温度带来的误差，对于热电偶这类主动元件，仅切换采样通道即可。

其中，显示和按钮电路通过按键唤醒电路，并且唤醒后，可以通过显示界面灵活配置无线参数和测量参数；

其中，无线收发电路具有空中信号监测功能，以提高分时复用的性能，无线收发电路发射功率可调，以适应不同的距离和功耗要求；

需要说明的是，采用了SX1278 LoRa无线模组，实现了LoRa无线通信协议的收发，这里的SX1278 LoRa无线模组还可以修改为Zigbee模组、4G模组或NBIOT模组等，以实现不同场合的无线收发需求。

在本发明的具体实施方式中，如图5，在测量电路中，通过模拟开关切换多路传感器的恒流驱动源和测量通道，从而实现对三路电阻类传感器的测量切换，对于电压类传感器，直接切换测量通道即可，不需考虑驱动源切换，由于模拟开关器件接通电阻和线路电阻产生的误差会对测量结果产生误差，所以每个通道应当单独对电阻进行校准；

测量电路可以测量多路的热电阻、热电偶、扩散硅压力、干簧管液位等多种电阻类和电压类的传感器；

作为上述实施例的可行实现方式，该电路进行一些简单的修改，即增加对U3模拟开关的Y3和X3通道的利用，可以实现对最多四路传感器的测量；

另外，通过对每一路的测量方案进行单独设置，即通过变送器主控单片机中的程序设置，可以实现每个通道测量不同类型的传感器，例如0通道测热电阻、1通道测热电偶、2通道测压力、3通道测液位，从而实现多通道多参量的无线变送器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，包括多通道发射器（1）、无线接收器（2），所述多通道发射器（1）包括电路容置壳体（3），所述电路容置壳体（3）的内部固定安装有无线变送器电路（5），所述电路容置壳体（3）的一侧固定安装有天线（4），所述电路容置壳体（3）的底部固定安装有传感器接线盒（6），所述传感器接线盒（6）的另一侧固定安装有传感器引出线防水接头（7）；

所述多通道发射器（1）可采集1路到4路温度、压力或液位传感器信号，通过无线信号将其采集到的信号发射至远端的无线接收器（2），无线接收器（2）再通过通信接口将数据集中上传给上位机设备。

2.根据权利要求1所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述无线变送器中的多通道发射器（1）与无线接收器（2）为星型组网，无线接收器（2）为中心，每个无线接收器（2）可连接多台发射器，所述无线变送器的无线通信协议可采用LoRa、Zigbee、WIA-PA、WirelessHART等。

3.根据权利要求1所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述无线接收器（2）设有与上位机连接的接口：如RS485接口、4-20mA接口、以太网接口等，周期性的向组网的发射器发送同步帧，以保证网络的长时间有效组网。

4.根据权利要求1所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述多通道发射器（1）可以同时测量1~4路温度、压力、液位等多种传感器的信号，并且每个测量通道的传感器种类可以灵活配置，工作的通道数目也可以灵活配置，所述多通道发射器（1）满足IP67防护等级要求，所述多通道发射器（1）下方设置有圆柱形接线盒，接线盒腔体内包含多路传感器接线端子，并通过防水接头引出传感器线缆。

5.根据权利要求3所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述变送器铝壳前部腔体包含无线发射器的主要电路，所述变送器铝壳后部腔体包含大容量锂电池，最大容量可以达到3.8Ah。

6.根据权利要求4所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述发射器电路板的发射器电路包含：电源电路、高精度ADC采样电路、通道切换电路、显示和按钮电路、无线收发电路，电路整体休眠功耗低于20μA，采样时功耗低于2mA，发射时功耗低于100mA。

7.根据权利要求4所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述高精度ADC电路的温度漂移控制在30ppm/℃，保证测量准确度达到0.1%的同时，输出速率可以达到50Hz。

8.根据权利要求5所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述通道切换电路选择导通电阻稳定的器件，各个通道经过出厂校准以后，每年电阻测量的漂移不超过50ppm，可以切换1~4路传感器的驱动端和测量端口。

9.根据权利要求5所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述显示和按钮电路通过按键唤醒电路，并且唤醒后，可以通过显示界面灵活配置无线参数和测量参数。

10.根据权利要求5所述的一种高精度多通道无线变送器，其特征在于，所述无线收发电路具有空中信号监测功能，以提高分时复用的性能，所述无线收发电路发射功率可调，以适应不同的距离和功耗要求。

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