CN114166385A - 变送器电路装置、压力变送器及其应用和压力仪表 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种变送器电路装置、压力变送器及其应用和压力仪表。在变送器电路装置中，调零组件(22)构造为桥式平衡调零电路，包括连接于传感器电路(21)正输出端的第一调零电路(22‑1)和连接于传感器电路(21)负输出端的第二调零电路(22‑2)，所述第一调零电路(22‑1)和第二调零电路(22‑2)具有相同的电路特性。本申请提出的压力变送器和压力仪表包含所述变送器电路装置，特别适合应用于核辐射环境，可提高压力测量的准确性、稳定性和安全性。

Description

变送器电路装置、压力变送器及其应用和压力仪表
技术领域
本发明涉及感测装置技术领域，特别是针对核安全级压力变送器领域，具体涉及一种变送器电路装置、一种压力变送器及其应用和一种压力仪表。
背景技术
核电设备的安全运行离不开自动控制系统，而热工仪表则是核电站自动控制系统中的重要设备，其中压力变送器又是实践中被大量采用的热工仪表之一。尤其对于核辐射环境下的压力测量作业，应采用核级压力变送器。对此，目前主要是使用以金属电容式传感器为基础的压力变送器，并匹配模拟型电路部件，来满足核辐射等事故工况的要求。然而，金属电容式传感器由于其自身的结构特点，在使用过程中经常会出现：准确度、耐静压、重复性和灵敏性变差等情形，导致后期非常高昂的维修或更换成本。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出适宜的改进措施，以满足压力变送器尤其是在核辐射环境下的使用要求，提高压力测量的准确性、稳定性和安全性，并降低系统的配置和使用成本。
按照本发明的第一方面，在此提供一种变送器电路装置，包括：
传感器电路，该传感器电路将传感器采集的测量参量以电信号形式输出；
调零组件，该调零组件连接于所述传感器电路的输出端；和
信号处理及电流输出电路，该信号处理及电流输出电路接收经所述调零组件调整后的电信号，并将该调整后的电信号转换为可继续传输的4-20mA之间的模拟电流信号；
其中，所述调零组件构造为桥式平衡调零电路，包括连接于传感器电路正输出端的第一调零电路和连接于传感器电路负输出端的第二调零电路，所述第一调零电路和第二调零电路具有相同的电路特性。
适宜的是，所述传感器电路的输出端具有一对用于传输差分电压信号的差分传输线，以形成所述传感器电路正输出端和负输出端。
优选地，所述第一调零电路和第二调零电路具有相同的电路温度特性，当温度变化时产生相同的变化量，该变化量在输入到所述信号处理及电流输出电路时被作为共模信号抵消。
优选地，所述第一调零电路和第二调零电路使用具备相同温度特性的元器件，并具有对称的或相同的电路设计。
按照本发明的第二方面，提供一种压力变送器，其包括传感器和如上所述的变送器电路装置，所述传感器为单晶硅压力传感器或者单晶硅差压传感器。
在一些实施例中，所述压力变送器配置有金属壳体，该金属壳体形成至少三个腔室：
电路板固定腔室，用于固定和容纳至少一个电路板以及相应的连接线路，所述电路板包含所述变送器电路装置的至少一部分元器件；
信号转换腔室，设有用以安装电源及信号端子的第一接口；以及
传感器连接腔室，设有用以安装所述传感器的第二接口。
在此，有利的是，除所述第一接口和第二接口之外，所述金属壳体其余部分构造为封闭的罩壳。
依据一种具体而优选的实施方式，所述金属壳体由前盖、后盖和中轴构件拼装组成，所述电路板固定腔室形成于所述前盖与中轴构件之间，所述信号转换腔室形成于所述后盖与中轴构件之间并且所述第一接口构造在所述后盖上或者所述中轴构件上，所述传感器连接腔室形成于中轴构件并且所述第二接口构造在所述中轴构件上。
优选地，所述金属壳体由316L不锈钢材料制成。
适宜的是，在一些实施例中，压力变送器构造为法兰式远传型变送器。
按照本发明的第三方面，提供一种压力仪表，其包括如上所述的压力变送器。
按照本发明的第四方面，提供一种如上所述的压力变送器的应用，其中，所述压力变送器安装于核辐射环境中用以测量介质的压力。
不言而喻，根据本发明第一方面提供的变送器电路装置和根据本发明第二方面提供的压力变送器的特征和优点同样适用于本发明第三方面提供的压力仪表以及本发明第四方面提供的压力变送器的应用。概括而言，本发明的基本设计要点和相应有益效果包括：
(1)本发明采用单晶硅压力/差压传感器。特别是，如上文所述，以往基于金属电容式传感器设计和构造的核级压力变送器无法很好地满足测量要求，为此，本发明提出采用单晶硅压力/差压传感器，其原理上属于电阻式压力测量，测量精度、耐静压、灵敏性以及稳定性非常好，可以很好地弥补电容传感器的不足。
(2)本发明采用模拟型电路，来匹配单晶硅压力/差压传感器。单晶硅压力/差压传感器近几年才开始在仪表行业研发应用，变送器多数以数字智能型为主，鉴于电子元器件的耐辐照要求，现有的变送器设计方案并不适合在核辐射环境条件下(例如在核电领域)应用。因此，本发明提出采用模拟型电路，来满足核辐射等事故工况的要求。
(3)本发明在模拟电路的设计上，结合实际需求，对调零组件进行特殊设计。单晶硅模拟型压力变送器的基本原理是：单晶硅传感器感受外界压力的变化，并产生与压力变化成正比的电信号，该电信号被传送到后面的电处理电路进行处理，进而输出与压力成正比的4-20mA电流信号。由于单晶硅传感器芯片的制造工艺限制，以及传感器制造工艺的差异性，使得传感器零点输出存在较大差异(例如，有的传感器零点为+10mV，有的传感器零点为-10mV，这些都是正常范围值。传感器在3V供电的前提下，最大压力时输出电压是50mV。因此，零点压力值对输出有较大影响，必须在使用时调零)。本发明提出采用一种桥式平衡调零电路，使得调零电路本身也不会受到温度变化的影响，从而，产品在不同温度下使用时都具有稳定的零点。
于是，本发明可以实现这样一种核级压力变送器，该变送器基于单晶硅压力/差压传感器，结合新型模拟电路，构造而成，其中同时整合了一种功能卓越的平衡零点调整机制，可得到例如K3鉴定等级的核级压力变送器。相比于现有技术，本发明提出的压力变送器能够很好地满足其在核辐射环境下的使用要求，提高了压力测量的准确性、稳定性和安全性，降低了系统的配置和使用成本。
附图说明
在附图中示出了本发明的示例性实施例。本文所公开的实施例和附图应被视作说明性的，而非限制性的。另外值得注意的是，为了图示清楚起见，在附图中对于部分结构细节并不是按照实际比例绘制的。
图1是传统的单晶硅模拟型压力变送器电路结构框图；
图2是按照本发明一种实施形式的变送器电路装置的结构框图；
图3是按照本发明一种实施形式的压力变送器的结构示意图；
图4是图3所示压力变送器的另一视图。
具体实施方式
下文的描述用于阐释本发明的技术方案，以便本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明精神和范围的其他技术方案。同时，值得注意的是，文中结合某一实施例描述的特征、结构或特性并不一定限于该特定的实施方式，也不表示与其他实施方式互斥，在本领域技术人员的能力范围内，可以考虑实现不同实施例中各个特征的不同组合方式。
在申请文本中，措辞“第一”、“第二”等等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”/“包含”和“具有”以及它们的任何变换措辞，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、产品或设备并不局限于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系而言的，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不意味着相应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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。另外，术语“一”应理解为“至少一个”或者“一个或多个”，即在某一实施例中，某一元件的数量可以为一个，而在另一实施例中，该元件的数量可以为多个，也就是说，术语“一”不能理解为对数量的限制。
除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)，均具有与本领域普通技术人员通常理解相同的含义，并可依据它们在相关技术描述上下文中的语境作具体解释。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1示出了传统的单晶硅模拟型压力变送器电路结构框图。该电路系统2P由单晶硅传感器电路21P、调零电路22P和信号处理及电流输出电路23P三部分组成。此系统的调零电路22P连接到传感器电路21P的正输出端，可以改变正输出端的电压大小，从而改变输入到后方信号处理及电流输出电路23P的输入电压，即起到调零目的。该电路系统结构简单，操作容易，在常温时能够很好地进行系统调零。但是，由于调零电路本身受温度影响，而使得调零成功的电路在温度变化后，零点发生较大偏差，造成不可修正的系统误差。
为了克服上述传统电路设计的缺陷，本发明就此提出适宜的改进措施。图2示出了按照本发明一种实施形式的变送器电路装置的结构框图。具体而言，本发明提供这样一种变送器电路装置2，其类似地包括：传感器电路21，该传感器电路将传感器采集的测量参量以电信号形式输出；调零组件22，该调零组件连接于所述传感器电路21的输出端；和信号处理及电流输出电路23，该信号处理及电流输出电路接收经所述调零组件22调整后的电信号，并将该调整后的电信号转换为可继续传输的4-20mA之间的模拟电流信号，以继续传输，特别是可远程传输。按照本发明提出的技术方案，所述调零组件22构造为桥式平衡调零电路，包括连接于传感器电路21正输出端的第一调零电路22-1和连接于传感器电路21负输出端的第二调零电路22-2，所述第一调零电路22-1和第二调零电路22-2具有相同的电路特性。关于所说“桥式平衡调零电路”的概念，还将在下文进行详细阐释。
通常，所述传感器电路21的输出端可以设计为具有一对用于传输差分电压信号的差分传输线，以形成所述传感器电路21正输出端和负输出端。
在此，有利的是，所述第一调零电路22-1和第二调零电路22-2具有相同的电路温度特性，当温度变化时产生相同的变化量，该变化量在输入到所述信号处理及电流输出电路23时被作为共模信号抵消。优选地，所述第一调零电路22-1和第二调零电路22-2使用具备相同温度特性的元器件，并具有对称的或相同的电路设计。
于是，如图2所示，本发明的变送器电路装置实际上是由四部分组成：传感器部分亦即传感器电路21、第一调零电路22-1及第二调零电路22-2和信号处理及电流输出电路23。与上述传统电路设计相比，增加了一路调零电路，于是，调零组件总体上可称为“桥式平衡调零电路”。其中的第一调零电路22-1连接在传感器电路21的正输出端，第二调零电路22-2连接在传感器电路21的负输出端，这两路调零电路同时对传感器电路21的输出正负端子起作用。经过调零后的传感器输出信号被送到后面的信号处理及电流输出电路23中。如上所述，第一调零电路22-1和第二调零电路22-2使用相同温度特性的元器件，使用完全对称(即相同)的电路设计。这样，当温度变化时，两个调零电路具有相同的温度变化量，该变化量在输入到信号处理及电流输出电路23时被作为共模信号抵消掉。这样，就保证了调零电路不受温度影响，从而保证系统电路的零点不受温度影响。
本发明还提供一种压力变送器，图3示出了按照本发明一种实施形式的压力变送器的结构示意图；图4为图3所示压力变送器的另一视图。所述压力变送器包括传感器1和如上所述根据本发明设计的变送器电路装置2，所述传感器1为单晶硅压力传感器或者单晶硅差压传感器。
在本发明的压力变送器中，变送器电路装置的调零组件由两个结构完全对称、元器件电性能完全一致的电路组成。其中一路调零电路连接到单晶硅压力传感器的正向输出端子，另一路调零电路连接到单晶硅压力传感器的负向输出端子。经过两路调零电路调制后的传感器信号被送到后面的信号处理电路进行解算处理。与传统调零机制相比，本发明可以有效抑制温度变化时调零电路因温度特性对传感器零点的影响，使得产品在各种温度下使用，调零组件都能输出可靠稳定的调零电压。保证压力变送器乃至仪表整体的温度特性。
有利的是，所述压力变送器配置有金属壳体3，该金属壳体形成至少三个腔室：电路板固定腔室I，用于固定和容纳至少一个电路板201以及相应的连接线路，所述电路板包含所述变送器电路装置2的至少一部分元器件；信号转换腔室II，设有用以安装电源及信号端子4的第一接口301；以及传感器连接腔室III，设有用以安装所述传感器1的第二接口302。其中，除所述第一接口301和第二接口302之外，所述金属壳体3其余部分构造为封闭的罩壳。所述金属壳体3优选由316L不锈钢材料制成。
按照一种具体实施例，所述金属壳体3由前盖31、后盖32和中轴构件33拼装组成，所述电路板固定腔室I形成于所述前盖31与中轴构件33之间，所述信号转换腔室II形成于所述后盖32与中轴构件33之间并且所述第一接口301构造在所述后盖32上或者所述中轴构件33上，所述传感器连接腔室III形成于中轴构件33并且所述第二接口302构造在所述中轴构件33上。
按照一些实施例，所述压力变送器构造为法兰式远传型变送器。
于是，如图3和图4所示，本发明可以实现这样一种核级压力变送器，该变送器基于单晶硅压力/差压传感器，结合新型模拟电路，构造而成，其中同时整合了一种功能卓越的平衡零点调整机制。所述压力变送器包括：过程法兰5、传感器1(单晶硅压力/差压传感器)、变送器电路装置2(模拟电路部件)、金属壳体3、电源及信号端子4。单晶硅压力/差压传感器的两端设置有高低压测压膜片。两个高低压膜片测压端分别连接过程法兰，形成压力测量单元。单晶硅压力/差压传感器上设置有连接部件，用来连接于金属壳体3的第二接口302。金属壳体主要由中轴构件33、前盖31、后盖32组成，其材质为316L不锈钢，为消减核辐照射线干扰，壳体厚度可以作加厚设计。该金属壳体设置有电路板固定腔室I、信号转换腔室II、以及传感器连接腔室III。壳体上构造有第一接口301，可用以连接信号和/或电源接头。电路板固定腔室I主要用于固定和容纳模拟电路板，以及连接线路。信号转换腔室II主要用于信号和电源控制单元。传感器连接腔室III设有第二接口302，例如形成一种通过螺纹密封连接固定单晶硅传感器和壳体的结构。前盖31和后盖32分别在两侧密封地封闭电路板固定腔室I和信号转换腔室II。所述单晶硅压力/差压传感器主要是基于压阻式测量结构和原理，具体而言，就是利用传感器内部的测压电阻组成惠斯通电桥，电桥阻值随着压力的增大而变化，并通过模拟型电子电路进行信号转换，输出压力信号值，而模拟型电路可以经受核耐辐照信号干扰。
因此，本发明的压力变送器(以及包括该压力变送器的压力仪表)特别适合应用于核辐射环境，例如核电设备，用以测量介质的压力。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种变送器电路装置，包括：
传感器电路(21)，该传感器电路将传感器采集的测量参量以电信号形式输出；
调零组件(22)，该调零组件连接于所述传感器电路(21)的输出端；和
信号处理及电流输出电路(23)，该信号处理及电流输出电路接收经所述调零组件(22)调整后的电信号，并将该调整后的电信号转换为可继续传输的4-20mA之间的模拟电流信号；
其特征在于，所述调零组件(22)构造为桥式平衡调零电路，包括连接于传感器电路(21)正输出端的第一调零电路(22-1)和连接于传感器电路(21)负输出端的第二调零电路(22-2)，所述第一调零电路(22-1)和第二调零电路(22-2)具有相同的电路特性。
2.根据权利要求1所述的变送器电路装置，其特征在于，所述传感器电路(21)的输出端具有一对用于传输差分电压信号的差分传输线，以形成所述传感器电路(21)正输出端和负输出端。
3.根据权利要求1所述的变送器电路装置，其特征在于，所述第一调零电路(22-1)和第二调零电路(22-2)具有相同的电路温度特性，当温度变化时产生相同的变化量，该变化量在输入到所述信号处理及电流输出电路(23)时被作为共模信号抵消。
4.根据权利要求1至3之任一项所述的变送器电路装置，其特征在于，所述第一调零电路(22-1)和第二调零电路(22-2)使用具备相同温度特性的元器件，并具有对称的或相同的电路设计。
5.一种压力变送器，其特征在于，所述压力变送器包括传感器(1)和根据权利要求1至4之任一项所述的变送器电路装置(2)，所述传感器(1)为单晶硅压力传感器或者单晶硅差压传感器。
6.根据权利要求5所述的压力变送器，其特征在于，所述压力变送器配置有金属壳体(3)，该金属壳体形成至少三个腔室：
电路板固定腔室(I)，用于固定和容纳至少一个电路板(201)以及相应的连接线路，所述电路板包含所述变送器电路装置(2)的至少一部分元器件；
信号转换腔室(II)，设有用以安装电源及信号端子(4)的第一接口(301)；以及
传感器连接腔室(III)，设有用以安装所述传感器(1)的第二接口(302)。
7.根据权利要求6所述的压力变送器，其特征在于，除所述第一接口(301)和第二接口(302)之外，所述金属壳体(3)其余部分构造为封闭的罩壳。
8.根据权利要求7所述的压力变送器，其特征在于，所述金属壳体(3)由前盖(31)、后盖(32)和中轴构件(33)拼装组成，所述电路板固定腔室(I)形成于所述前盖(31)与中轴构件(33)之间，所述信号转换腔室(II)形成于所述后盖(32)与中轴构件(33)之间并且所述第一接口(301)构造在所述后盖(32)上或者所述中轴构件(33)上，所述传感器连接腔室(III)形成于中轴构件(33)并且所述第二接口(302)构造在所述中轴构件(33)上。
9.根据权利要求6所述的压力变送器，其特征在于，所述金属壳体(3)由316L不锈钢材料制成。
10.根据权利要求5所述的压力变送器，其特征在于，所述压力变送器构造为法兰式远传型变送器。
11.一种压力仪表，其特征在于，该压力仪表包括如权利要求5至10之任一项所述的压力变送器。
12.一种如权利要求5至10之任一项所述的压力变送器的应用，其特征在于，所述压力变送器安装于核辐射环境中用以测量介质的压力。
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