CN1281928C - 微功耗光纤传输一体化贮罐用液位/压力/温度变送器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于过程控制中贮罐内的液位/压力/温度参数测量的变送器，其由现场检测探头、传输媒质光纤、终端器组成。现场检测探头包括分别用于测量液位、压力和温度的液位探测头、压力探测口和温度探测管。测得的液位和压力参数通过复合式差动电容敏感部件送至检测电路板，温度信号转换成电信号也送至检测电路板。检测转换后的电信号由信号处理电路板再转换成光脉冲信号输出。终端器接再将光脉冲信号转换成电脉冲信号，送至光信号接收解调处理电路，可在显示面板上测得的数据，或从信号输出端子处输出标准电流信号供其它控制设备使用。

Description

微功耗光纤传输一体化贮罐用液位/压力/温度变送器

技术领域

本发明涉及一种用于过程控制中贮罐内的液位/压力/温度参数测量的变送器。

技术背景

贮罐是一种在工业自动化控制中普遍使用的容器，用于贮藏各种液态或汽态的介质，有可能是贮藏易燃易爆的介质或是有毒有害的介质，为了保证贮罐的安全运行，需随时测量贮罐内的贮藏介质的液位、压力、温度参数，用于计算介质的容量及自动进行液位控制。通常对上述三个参数的测量需采用三台独立的4-20mA输出的液位、压力、温度变送器分别安装在三个不同的位置进行测量，并需在贮罐上开三个孔，不但安装麻烦也增大了泄漏的可能性，同时在控制室与现场之间需要用3对导线连接，在某些易燃易爆的现场还需要在控制室安装安全栅及采用本质安全型变送器，一般变送器使用的电源及测量值显示仪表还须另行配置，系统的构成比较复杂。本发明是针对上述的不足而综合利用传统的传感技术与先进的光通讯技术进行技术创新而提出的技术改进方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装简单、使用方便且更为安全的低功耗一体化贮罐用变送器。

为达成本发明的目的所采用的技术手段是，提供一种一体化罐用液位/压力/温度变送器，由现场检测探头，终端器以及传输媒质光纤构成，现场检测探头包括可插入贮罐内部的传感器壳体，以及分别用于测量液位、压力和温度的液位探测头、压力探测口和温度探测管，其中传感器壳体腔室内安装有电气连接的复合式差动电容敏感部件和检测电路板，液位探测头和压力探测口分别与复合式差动电容敏感部件相连接，将所测得的压力参数转换成相应的电容量变化并传输至检测电路板，复合式差动电容敏感部件一端设有参考压力引压口，而温度探测管中安装有温度探测芯片将检测到的温度信号转换成电信号直接传输至检测电路板；电子盒内安装有与检测电路板电气连接的电源组件和信号处理电路板，将检测转换后的电信号再转换成光脉冲信号经传输媒质光纤输出，以及通过大气参考压力引入导管与复合式差动电容敏感部件的参考压力引压口相连的大气参考压力入口；终端器包括连接传输媒质光纤的光探测器，将光脉冲信号转换成电脉冲信号，传送至安装在机壳内的光信号接收解调处理电路，经相关电路及微处理器运算，得到液位/压力/温度的测量数据。

上述的复合式差动电容敏感部件包括四个相同的圆环两两对称地设置在一连接件的两侧，各圆环内设有一片隔离膜片以及一个具有圆心通孔的玻璃绝缘金属座，玻璃绝缘金属座内各有一片带有金属引出线的金属球形电极构成电容器的固定电极，处与连接件同一侧的金属球形电极之间设置一片中心工作膜片构成电容器的共用电极，从而组成由电容CH1、CL1构成的A差动电容器，与电容CH2、CL2构成的B差动电容器，连接件采用焊接工艺将A差动电容器的负压输入端与B差动电容器的正压输入端密封连接起来，在中心工作膜片与金属座、隔离膜片之间密封充灌硅油，使得被测压力传递作用于中心工作膜片上使其产生位移，其中A差动电容器的CH1侧连接液位引压口，B差动电容器的CH2侧连接参考压力引压口，连接片上开有压力引入口。

上述的液位探测头安装在液位探测管前端，液位探测管通过压力传递管与液位引压口相连，压力传递管内注有导压硅油；压力探测口经引压管与压力引入口相连通；传感器壳体外侧焊有一法兰，用于将现场检测探头固定在贮罐顶部；法兰的中心安装有连接管，连接管的另一端由紧固螺母固定于电子盒，其中间有大气参考压力引入导管以及连接检测电路板和信号处理电路板的内引线通过。

上述的传输媒质光纤为普通通信用多模光纤。

上述的检测电路板由三个双路D触发器U1、U2、U3，电阻R1、R2、R4、R5与热敏电阻R3及差动电容CH1、CL1、CH2、CL2及电容器C1，两个六反向器U5、U6以及一个温度检测芯片U4构成液位、压力、温度参数脉宽转换式检测电路，其中电阻R1的一端与用于液位检测的A差动电容器21的电容CH1的固定电极端相连接，同时又连接至D触发器U1a的复位Ra端4脚，电阻R1的另一端与D触发器U1a的Qa端1脚相连接，同时又作为液位信号输出之一连接至反向器U5a的输入端1脚，反向器U5a的输出端2脚与反向器U5b的输入端3脚相连，则D触发器U1a的Qa端信号经反向器U5a、U5b的整形、延时在反向器U5b的输出端4脚输出；电阻R2的一端与用于液位检测的A差动电容器21的电容CLI的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U1b的Rb端10脚，电阻R2的另一端与D触发器U1b的Qb端11脚相连接，同时又连接至反向器U5c的输入端5脚；电阻R4的一端与用于压力检测的B差动电容器19的电容CH2的固定电极相连，同时又连接至D触发器U3a的Ra端4脚，电阻R4的另一端与D触发器U3a的Qa端1脚相连，同时又连接至反向器U6a的输入端1脚；电阻R5的一端与用于压力检测的B差动电容器19的电容CL2的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U3b的Rb端10脚，电阻R5的另一端与D触发器U3b的Qb端13脚相连接，同时又连接至反向器U6c的输入端5脚；热敏电阻R3的一端与电容器C1相连接，同时又连接至D触发器U2a的Ra端4脚，电阻R3的另一端与D触发器U2a的Qa端1脚相连接，同时又连接至反向器U6e的输入端13脚，其中，U5、U6两个六反向器中每两个反向器中的一个输出端与另一个输入端连接构成一组，使输入输出信号保持同相，即反向器U5a的输出端2脚连接反向器U5b的输入端3脚，反向器U5c的输出端6脚连接反向器U5d的输入端9脚，反向器U5e的输出端12脚连接反向器U5f的输入端11脚，反向器U6a的输出端2脚连接反向器U6b的输入端3脚，反向器U6c的输出端6脚连接反向器U6d的输入端9脚，反向器U6e的输出端12脚连接反向器U6f的输入端11脚；温度检测芯片U4将所测的绝对温度通过其4、5脚接高电平或接低电平四种组合设置，选择转换成四种不同的输出频率，温度检测芯片U4的信号输出端6脚，与反向器U5e的输入端13脚相连，表征所测温度的频率信号，经反向器U5e、U5f整形、延迟处理后通过其10脚输出。

上述的信号处理电路板由信号编码处理电路和信号电光转换电路组成，其中信号编码处理电路包括由一个六反向器U9、电阻R10、R11、和电容C4构成的RC振荡器电路，其中电阻R10一端连接六反向器U9的1脚，另一端连接电容C4的3端，同时又连接电阻R11的一端，六反向器U9的2脚与3脚相连接，4脚与5脚相连接，同时又与C4的另一脚相连接，6脚与9脚相连接，同时又与电阻R11的另一脚相连接，在六反向器U9的8脚输出时钟脉冲，与计数器U10的5脚相连，作为其计数脉冲输入；计数器U10被设置成16进制工作模式，在其Q13脚、Q22脚、Q36脚、Q47脚输出端取出地址信号，与两个16位模拟开关U7、U8的选通地址端口A10脚、B11脚、C14脚、D13脚相连接，即模拟开关U7的10脚与模拟开关U8的10脚同时又与计数器U10的3脚相连，模拟开关U7的11脚与模拟开关U8的11脚同时又与计数器U10的2脚相连，模拟开关U7的14脚与模拟开关U8的14脚同时又与计数器U10的6脚相连，模拟开关U7的13脚与模拟开关U8的13脚同时又与计数器U10的7脚相连接；在模拟开关U8的公共端1脚，连接电阻R6的一端，电阻R6另一端接电路中的高电平VCC，在模拟开关U8的9、7、5、3、23、21脚取出6路开关信号，分别与D触发器U1的3、11脚，温度检测芯片U4的1脚，D触发器U3的3、11脚，D触发器U2的3脚相连接，U1a、U1b、U2a、U2b、U3a等5个D触发器的Q端输出信号及温度检测芯片U4的输出端信号经反向器U5、U6整形、延时后被送至模拟开关U7的与模拟开关U8输出的触发信号一一相对应的六个开关的一端，在U7模拟开关的公共端1脚，生成按设定的顺序及时间间隔排列的各路检测信号的组合脉冲，完成多路检测信号编码调制任务。

上述的信号电光转换电路经模拟开关U7公共端1脚输出的编码信号，送至双路单稳态触发器U11的触发输入端5、12脚，双路单稳态触发器U11的2脚连接电容C2的一端，同时又连接电阻R7的一端，双路单稳态触发器U11的1脚连接C2的另一端，双路单稳态触发器U11的3脚连接电阻R7的另一端，双路单稳态触发器U11的14脚连接C3的一端，同时又连接电阻R8的一端，双路单稳态触发器U11的13脚连接电阻R8的另一端，双路单稳态触发器U11的15脚连接电容C3的另一端，双路单稳态触发器U11的5脚连接双路单稳态触发器U11的12脚同时又连接模拟开关U7的公共端1脚及电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地；双路单稳态触发器U11Q端6、10脚分别与U12或门电路的1脚和2脚连接，其输出端3脚连接晶体管Q1基极；电阻R12一端与晶体管Q1的发射极相连接，另一端与晶体管Q1的基极相连接，晶体管Q1的发射极同时与LED光发射管D1的阳极相连接，LED光发射管D1的阴极与电源组件内的锂电池B1的负极相连接，同时作为整个电路的电源地，锂电池B1的正极连接电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接电阻R14的一端，R14的另一端与晶体管Q1的集电极相连接，同时连接电容器C5并作为整个电路的正电源VCC，电容器C5的另一端接地；由或门电路U12的3脚输出的信号驱动晶体管Q1，驱使LED光发射管D1转换输出为光脉冲信号，耦合至光纤37输出。

上述的信号接收解调处理电路包括一端与光探测器的输出端连接的电容器C6、电容器C6的另一端连接至晶体管Q2的基极进行放大，基极同时又连接至电阻R15的一端，晶体管Q2的反射极与电阻R16的一端连接，电阻R15、电阻R16的另一端连接负电源地，电阻R17的一端连接正电源V+，晶体管Q2的集电极同电阻R17的另一端连接，在晶体管Q2的集电极取出放大的倒相脉冲信号，同时与单稳态触发器U13的触发端8脚或6脚相连接；单稳态触发器U13的3脚与1脚间连接定时电容C7，3脚与2脚间连接定时电阻R18，在单稳态触发器U13的Q端10脚，取出脉冲信号，连接至J-K触发器U14的时钟端3脚，在其Qa端1脚获得与测量信号脉宽相等的同时按设定的顺序排列的编码脉冲，脉冲信号由J-K触发器U14的Qa端输出至异或门电路U15，其中U15a、U15b两个门的输入端1、4脚与J-K触发器U14的Qa端1脚相连接，U15a门的另一个输入端2脚接地、U15b门的另一个输入端5脚连接电阻R19的一端，同时连接电容C8的一端，电阻R19的另一端连接至U15a的输出端3脚，电容器C8的另一端接地，在U15b门的6脚输出端输出与现场探测器检测发送的编码脉冲完全相同的脉冲，然后送至微处理器CPU的中断端口由计算机软件处理。

与现有产品相比，本发明采用了一体化的结构进行液位/压力/温度的测量，安装简单，整个装置伸入贮罐内的直径不大于90mm；电气线路部分大多采用COMS器件，通过脉冲方式发送信号，总的平均工作电流小于90μA，并采用一节10Ah容量的锂电池供电，无需外接电源，使用方便并且功耗低。

以下结合附图进一步详细说明本发明的具体结构和特征。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的包括安装在现场具有一体化结构检测发送探头，传输媒质光纤，安装在控制室的接收终端器组成整个变送器结构示意图。

图2为图1的用于液位/压力测量的复合式差动电容敏感部件的截面示意图。

图3为本发明测量发送探头的电路原理图。

图4为本发明接收终端器光信号解调处理电路原理图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的贮罐液位/压力/温度光纤传输变送器46，由一体化结构的现场检测探头6，传输媒质光纤37、终端器45组成。现场检测探头6包括分别用于测量液位、压力和温度的液位探测头1、压力探测口33和温度探测管3。

液位探测头1安装在液位探测管34的前端，将感测到的贮罐内的液位参数经压力传递管36中的导压硅油35传送至复合式差动电容敏感部件7的液位引压口4转换成相应的电容量变化，经导线束30送至检测电路板29。压力探测口33将贮罐内的压力参数经引压管31传递至复合式差动电容敏感部件7的压力引压口5同样转换成相应的电容量变化后经导线束30送至检测电路板29。温度探测管3中安装的温度探测芯片2将检测到的温度信号转换成电信号经导线束30也送至检测电路板29。

复合式差动电容敏感部件7、检测电路板29安装在传感器壳体32腔室中，其外侧与法兰9密封焊接构成了一个密封结构，连同液位探测管34、压力探测口33及温度探测管3一起被安装在贮罐内部，法兰9则可固定在贮罐的顶部。整个伸入贮罐内的装置直径不大于90mm，与贮罐内的介质处于相同的温度环境，可减少外部环境温度的影响以提高变送器的性能。

复合式差动电容敏感部件7另一端的引压口17连接大气参考压力引入导管8。法蓝9的中心安装连接管28，大气参考压力引入导管8及内引线10在其中通间过。大气参考压力引入导管8与电子盒24中的大气参考压力入口25相连、内引线10的一端与检测电路板29相连，另一端与电子盒中的信号处理电路板26相连，紧固螺母23、将连接管28与电子盒24紧固在一起，电子盒24内安装有信号处理电路板26与电源组件27将检测转换后的电信号再转换成光脉冲信号经传输媒质光纤37输出，电子盒24的盖子在正常使用时处于旋紧密封状态，以阻止外界潮气、尘埃的侵入。

一体化结构现场探测探头6中的检测电路板29、信号处理电路板26大部分采用COMS器件，并采用脉冲方式发送信号，使总的平均工作电流小于90μA，采用一节10Ah容量的锂电池供电，理论计算连续工作时间可达10年以上。

终端器45包含用于连接传输媒质光纤37的光探测器38，将光脉冲信号转换成电脉冲信号，送至安装在机壳43内的光信号接收解调处理电路39。经相关电路及微处理器运算，可在测量参数显示面板42上显示液位/压力/温度的测量数据，在信号输出端子44处可以同时输出三路表征各测量结果的4-20mA标准电流信号供其它控制设备使用。在测量显示面板42上安装有组态按钮40及电源开关41用于开启终端器的电源及进行变送器的组态设置。

用于液位/压力测量的复合式差动电容敏感部件7的一个实施例如图2所示。

复合式差动电容敏感部件7焊接固定在传感器壳体32内的底板上。根据本发明的复合式差动电容敏感部件7结构包括四个相同的圆环11两两对称地设置在连接件20的两侧。各圆环11内设有一片隔离膜片12以及一个具有圆心通孔的玻璃绝缘金属座16。玻璃绝缘金属座16内各有一片带有金属引出线14的金属球形电极13，处与连接件20同一侧的金属球形电极13之间设置一片中心工作膜片15。每一个圆环11、每一个隔离膜片12、每一个金属座16采用焊接工艺组合成一个电容器的固定电极，从而共组成四个固定电极，分成两组与两片中心工作膜片15采用焊接工艺组成A差动电容器21与B差动电容器19。连接件20采用焊接工艺将A差动电容器21的负压输入端与B差动电容器19的正压输入端密封连接起来，在中心工作膜片15与金属座16、隔离膜片12之间密封充灌硅油18，使得被测压力传递作用于中心工作膜片15上使其产生位移。两片中心工作膜片15的圆平面作为电容器的四个电极(共用电极)与金属座16的四片金属球形电极13之间分别形成四个电容CH1、CL1、CH2、CL2，各引压口输入的压力将通过隔离膜片12、硅油18传递至中心工作膜片15(共用电极)上，使其产生位移改变共用电极与固定电极之间的距离，使电容量CH1、CL1、CH2、CL2发生变化，完成将压力参数变化转变为电容变化的功能，供后续电路进行处理。

在A差动电容器21的CH1侧连接液位引压口4，在B差动电容器19的CH2侧连接参考压力口17，与外贮罐外部大气压连通，用于检测贮罐内的压力与外部大气压之间的差值。在连接件20上开有压力引入口5，分别与A差动电容器21的CL1侧与B差动电容器19的CH2侧相通，贮罐内的压力即液位的负压通过压力引入口5传输至A差动电容器21的CL1侧与B差动电容器19的CH2侧，贮罐内的压力变化只为引起CH2、CL2的电容量变化，贮罐内的液位变化通过探测头1、压力传递管36、导压硅油35经液位引压口4将压力传递至A差动电容器21的工作膜片15上，贮罐内的液位变化产生的压差变化仅能使CH1、CL1的电容量变化。整个复合式差动电容敏感部件7共有10条圆周形焊环22连接而成。

复合式差动电容敏感部件7的中心工作膜片15(共用电极)在电气上与贮罐内的被测介质直接1接，同时也会通过金属贮罐的外壳或专用接线与大地相连接。

由复合式差动电容敏感部件7输出的表征贮罐内的液位、压力变化的电容量CH1、CL1、CH2、CL2变化信号，由温度探头2将检测到的表征贮罐内的温度变化的频率信号，送至检测电路板29、信号处理电路板26进行信号处理调制成光信号输出，其工作原理如下。

参见图3，图面右侧部分为检测电路板29的电路，左侧部分为信号处理电路板26的电路。检测电路板29，由三个双路D触发器U1、U2、U3，电阻R1、R2、R4、R5与热敏电阻R3及差动电容CH1、CL1、CH2、CL2及电容器C1，两个六反向器U5、U6以及一个专用温度检测芯片U4构成液位、压力、温度参数脉宽转换式检测电路。在本实施例中，双路D触发器U1、U2、U3采用CD4013，六反向器U5、U6采用CD4069。而专用温度检测芯片U4采用MAX6577用于贮罐内的温度检测，将贮罐内的温度转换为频率信号输出，其优点在于温度与频率有确定的对应关系，便于计算。

其中电阻R1的一端与用于液位检测的A差动电容器21的电容CH1的固定电极端相连接，同时又连接至D触发器U1a的复位Ra端4脚，电阻R1的另一端与D触发器U1a的Qa端1脚相连接，同时又作为液位信号输出之一连接至反向器U5a的输入端1脚。而反向器U5a的输出端2脚与反向器U5b的输入端3脚相连，则D触发器U1a的Qa端信号经反向器U5a、U5b的整形、延时在反向器U5b的输出端4脚输出，其中电容CH1与电阻R1作为RC充放电定时元件，当D触发器设置为上升沿触发，在D触发器U1a的时钟端3脚输入触发脉冲，使D触发器U1a的Qa端由低电平跳变为高电平，通过电阻R1对电容CH1进行充电，电容CH1的电容量大小与被测的液位有关，电容CH1的另一端共用电极接电路公共端电源地，当CH1上的电压(即D触发器U1a4脚Ra端的电压)充至D触发器U1a的翻转电平时，Qa端立即由高电平翻转为低电平，完成了将电容CH1的电容量转换为Qa端高电平脉冲宽度的变化，构成脉宽检测电路。

同理，电阻R2的一端与用于液位检测的A差动电容器21的电容CL1的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U1b的Rb端10脚，电阻R2的另一端与D触发器U1b的Qb端11脚相连接，同时又连接至反向器U5c的输入端5脚。电阻R4的一端与用于压力检测的B差动电容器19的电容CH2的固定电极相连，同时又连接至D触发器U3a的Ra端4脚，电阻R4的另一端与D触发器U3a的Qa端1脚相连，同时又连接至反向器U6a的输入端1脚。电阻R5的一端与用于压力检测的B差动电容器19的电容CL2的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U3b的Rb端10脚，电阻R5的另一端与D触发器U3b的Qb端13脚相连接，同时又连接至反向器U6c的输入端5脚。热敏电阻R3的一端与电容器C1相连接，同时又连接至D触发器U2a的Ra端4脚，电阻R3的另一端与D触发器U2a的Qa端1脚相连接，同时又连接至反向器U6e的输入端13脚，其中，U5、U6两个六反向器中每两个反向器中的一个输出端与另一个输入端连接构成一组，使输入输出信号保持同相，即反向器U5a的输出端2脚连接反向器U5b的输入端3脚，反向器U5c的输出端6脚连接反向器U5d的输入端9脚，反向器U5e的输出端12脚连接反向器U5f的输入端11脚，反向器U6a的输出端2脚连接反向器U6b的输入端3脚，反向器U6c的输出端6脚连接反向器U6d的输入端9脚，反向器U6e的输出端12脚连接U6f的输入端11脚，温度检测探头用的测量芯片U4将所测的绝对温度通过其4、5脚接高电平或接低电平四种组合设置，选择转换成四种不同的输出频率，在本实施例中4脚接低电平、5脚接高电平，对应的输出频率为0.25HZ/°k。温度检测芯片U4的信号输出端6脚，与反向器U5e的输入端13脚相连，表征所测温度的频率信号，经反向器U5e、U5f整形、延迟处理后通过其10脚输出。

信号处理电路板26由信号编码处理电路和信号电光转换电路组成。信号编码处理电路包括由一个六反向器U9(本实施例中采用CD4069)、电阻R10、R11、和电容C4构成的RC振荡器电路。其中电阻R10一端连接六反向器U9的1脚，另一端连接电容C4的一端，同时又连接电阻R11的一端。六反向器U9的2脚与3脚相连接，4脚与5脚相连接，同时又与电容C4的另一脚相连接，6脚与9脚相连接，同时又与电阻R11的另一脚相连接，在六反向器的8脚输出时钟脉冲，与计数器U10(实施例中采用CD40193)的5脚相连，作为其计数脉冲输入。

计数器U10被设置成16进制工作模式，在其Q13脚、Q22脚、Q36脚、Q47脚输出端取出地址信号，与两个16位模拟开关U7、U8(实施例中采用CD4067)的选通地址端口A10脚、B11脚、C14脚、D13脚相连接，即在本实施例中模拟开关U7的10脚与模拟开关U8的10脚同时又与计数器U10的3脚相连，模拟开关U7的11脚与模拟开关U8的11脚同时又与计数器U10的2脚相连，模拟开关U7的14脚与模拟开关U8的14脚同时又与计数器U10的6脚相连，模拟开关U7的13脚与模拟开关U8的13脚同时又与计数器U10的7脚相连接。在模拟开关U8的公共端1脚，连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电路中的高电平VCC，当模拟开关U8上的某一路开关被选中时，该路开关输出端的状态将从低电平变为高电平，产生一个正跳变脉冲，该脉冲的宽度取决于时钟脉冲的频率，该脉冲的上升沿将去触发相对应的D触发器，使该D触发器的Q输出端产生与所接RC网络参数相对应的正脉冲，该脉冲的宽度与被测信号相对应，表征了测量值的大小。根据确定的编码方案选择对应的开关输出作为U1a、U1b、U2a、U2b、U3a五个D触发器的触发信号及温度检测芯片U4的工作电源。在实施例中，在模拟开关U8的9、7、5、3、23、21脚取出6路开关信号，分别与双路D触发器U1的3、11脚，温度检测芯片U4的1脚，双路D触发器U3的3、11脚，双路D触发器U2的3脚相连接，U1a、U1b、U2a、U2b、U3a五个D触发器的Q端输出信号及温度检测芯片U4的输出端信号经反向器U5、U6整形、延时后被送至模拟开关U7的与模拟开关U8输出的触发信号一一相对应的六个开关的一端。在实施例中，在模拟开关U7的9、7、5、3、23、21脚6路开关端子，分别与六反向器U5的4、8、10脚与六反向器U6的4、8、10脚相连接，在U7模拟开关的公共端1脚，生成按设定的顺序及时间间隔排列的各路检测信号的组合脉冲，完成多路检测信号编码调制任务。

信号电光转换电路经模拟开关U7公共端1脚输出的编码信号，送至U11双路单稳态触发器的触发输入端，实施例中采用CD14528的5、12脚，该双路单稳态触发器U11被分别设置为前后沿触发的两个单稳态触发器，其稳态时间由其外接的定时元件电阻R、电容C的参数决定。在实施例中，双路单稳态触发器U11的2脚连接电容C2的一端，同时又连接电阻R7的一端，双路单稳态触发器U11的1脚连接电容C2的另一端，双路单稳态触发器U11的3脚连接R7的另一端，双路单稳态触发器U11的14脚连接电容C3的一端，同时又连接电阻R8的一端，双路单稳态触发器U11的13脚连接电阻R8的另一端，双路单稳态触发器U11的15脚连接电容C3的另一端，双路单稳态触发器U11的5脚连接双路单稳态触发器U11的12脚同时又连接模拟开U7的公共端1脚及电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地，RC参数的选择使单稳态触发器在触发翻转时产生3μs左右的窄脉冲，将在双路单稳态触发器U11的5、12脚输入的每一脉冲信号转换为两个窄脉冲即脉位信号，在双路单稳态触发器U11的Q端6、10脚输出，该两个窄脉冲之间的时间间隔等于加在双路单稳态触发器U11的5、12脚输入的脉冲宽度，完成脉宽、脉位之间的转换，以降低信号发送时的能量损耗，满足微功耗的要求。经双路单稳态触发器U11Q端6、10脚输出的脉位信号送至或门电路U12输入端生成组合脉位信号在其Q端输出。在实施例中或门电路U12采用CD4071，其1脚连接双路单稳态触发器U11的6脚，其2脚连接双路单稳态触发器U11的10脚，在其输出端3脚生成编码脉位信号输出送至晶体管Q1基极。电阻R12一端与晶体管Q1的发射极相连接，另一端与晶体管Q1的基极相连接，使晶体管Q1工作在良好的开关状态。Q1的发射极同时与LED光发射管D1的阳极相连接，LED光发射管D1的阴极与电源组件27内的锂电池B1的负极相连接，同时作为整个电路的电源地，锂电池B1的正极连接电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接电阻的R14的一端，电阻R14的另一端与晶体管Q1的集电极相连接，同时连接电容器C5并作为整个电路的正电源VCC。电容器C5的另一端接地。

电源组件27内部有一节3.6V限流输出的锂电池B1、与两个限流电阻串接，并用环氧树脂罐封密闭在一个金属的容器中，以符合相关的防爆要求。由或门电路U12的3脚输出的信号驱动晶体管Q1，驱使LED光发射管D1转换输出为光脉冲信号耦合至光纤37输出。

光信号接收解调处理电路39的原理参见图4，光纤37采用普通通信用的62.5/125μm多模光纤传输信号，传输距离可达1200米以上。经光纤传输的光信号被送至安装在控制室的终端器中的光探测器38，其输出端获得微弱的电脉冲信号。

光探测器38的输出端连接至电容器C6的一端，电容器C6的另一端连接至晶体管Q2的基极进行放大，基极同时又连接至电阻R15的一端，晶体管Q2的发射极与电阻R16的一端连接，电阻R15、R16的另一端连接负电源地，电阻R17的一端连接正电源V+，晶体管Q2的集电极同电阻R17的另一端连接，在晶体管Q2的集电极取出放大的倒相脉冲信号，同时与单稳态触发器U13(在实施例中采用CD4047)的触发端8脚或6脚相连接。

单稳态触发器U13的3脚与1脚间连接定时电容C7，3脚与2脚间连接定时电阻R18，构成一个可由前沿或后沿触发的定时在5至25μs脉宽的单稳态触发器。单稳态触发器U13可将输入的窄脉冲展宽为5至25μs脉宽的较宽脉冲，并起到整形作用，作为时钟脉冲以稳定可靠地触发后续电路。在单稳态触发器U13的Q端10脚，取出脉冲信号，连接至J-K触发器U14的时钟端，在实施例中采用双J-K触发器CD4047，与其中一路U14a的时钟端3脚连接。在其Qa端1脚获得与测量信号脉宽相等的同时按设定的顺序排列的编码脉冲，但其输出的极性是不确定的。脉冲信号由J-K触发器U14的Qa端输出至异或门电路U15，在实施例中采用双输入端四异或门74LS86，其中U15a、U15b两个门的输入端1、4脚与J-K触发器U14的Qa端1脚相连接，U15a门的另一个输入端2脚接地、U15b门的另一个输入端5脚连接电阻R19的一端，同时连接电容C8的一端，电阻R19的另一端连接至U15a门的输出端3脚，电容器C8的另一端接地，通过选择合适的电阻R19与电容C8的参数以及编码方案，利用正、负极性脉冲的不同电平的平均值，在U15b门的6脚输出端能输出始终为正极性的脉冲，与现场探测器检测发送的编码脉冲完全相同的脉冲，从而完成了信号的恢复工作。

由U15b门的6脚输出的编码脉冲信号，送至微处理器CPU的中断端口INT0或INT1由计算机软件处理，将编码脉冲分离、量化成各测量值，然后进行所需的各种数学运算，通过相关的接口电路显示各测量值及转换成对应各测量参数的4-20mA的标准电流信号输出，完成变送器的最终功能。

虽然已经参考实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员而言应该认识到在形式上和细节上对其所作的各种变化、修改都在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化贮罐用液位/压力/温度变送器，由现场检测头、终端器以及传输媒质光纤构成，其特征在于现场检测探头(6)包括可插入贮罐内部的传感器壳体(32)，以及分别用于测量液位、压力和温度的液位探测头(1)、压力探测口(33)和温度探测管(3)，其中传感器壳体(32)腔室内安装有电气连接的复合式差动电容敏感部件(7)和检测电路板(29)，液位探测头和压力探测口分别与复合式差动电容敏感部件(7)相连接，将所测得的压力参数转换成相应的电容量变化并传输至检测电路板(29)，复合式差动电容敏感部件一端设有参考压力引压口(17)，而温度探测管中安装有温度探测芯片(2)将检测到的温度信号转换成电信号直接传输至检测电路板(29)；电子盒(24)内安装有与检测电路板电气连接的电源组件(27)和信号处理电路板(26)，将检测转换后的电信号再转换成光脉冲信号经传输媒质光纤(37)输出，以及通过大气参考压力引入导管(8)与复合式差动电容敏感部件的参考压力引压口(17)相连的大气参考压力入口(25)；终端器(45)包括连接传输媒质光纤(37)的光探测器(38)，将光脉冲信号转换成电脉冲信号，传送至安装在机壳(43)内的光信号接收解调处理电路(39)，经相关电路及微处理器运算，得到液位/压力/温度的测量数据。

2.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于复合式差动电容敏感部件(7)包括四个相同的圆环(11)两两对称地设置在一连接件(20)的两侧，各圆环(11)内设有一片隔离膜片(12)以及一个具有圆心通孔的玻璃绝缘金属座(16)，玻璃绝缘金属座(16)内各有一片带有金属引出线(14)的金属球形电极(13)，构成电容器的固定电极，处于连接件(20)同一侧的金属球形电极(13)之间设置一片中心工作膜片(15)构成电容器的共用电极，从而组成由电容CH1、CL1构成的A差动电容器(21)，与电容CH2、CL2构成的B差动电容器(19)，连接件(20)采用焊接工艺将A差动电容器(21)的负压输入端与B差动电容器(19)的正压输入端密封连接起来，在中心工作膜片(15)与金属座(16)、隔离膜片(12)之间密封充灌硅油(18)，使得被测压力传递作用于中心工作膜片(15)上使其产生位移，其中A差动电容器(21)的CH1侧连接液位引压口(4)，B差动电容器(19)的CH2侧连接参考压力引压口(17)，连接片(20)上开有压力引入口(5)。

3.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于液位探测头(1)安装在液位探测管(34)前端，液位探测管(34)通过压力传递管(36)与液位引压口(4)相连，压力传递管(36)内注有导压硅油(35)；压力探测口(33)经引压管(31)与压力引入口(5)相连通；传感器壳体(32)外侧焊有一法兰(9)，用于将现场检测探头(6)固定在贮罐顶部；法兰(9)的中心安装有连接管(28)，连接管(28)的另一端由紧固螺母(23)固定于电子盒，其中间有大气参考压力引入导管(8)以及连接检测电路板(29)和信号处理电路板(26)的内引线(10)通过。

4.根据权利要求1、2或3所述的变送器，其特征在于传输媒质光纤(37)为普通通信用多模光纤。

5.根据权利要求1所述的变送器，其特征在于检测电路板(29)由三个双路D触发器U1、U2、U3、电阻R1、R2、R4、R5与热敏电阻R3及差动电容CH1、CL1、CH2、CL2及电容器C1、两个六反向器U5、U6以及一个温度检测芯片U4构成液位、压力、温度参数脉宽转换式检测电路，其中电阻R1的一端与用于液位检测的A差动电容器(21)的电容CH1的固定电极端相连接，同时又连接至D触发器U1a的复位Ra端4脚，电阻R1的另一端与D触发器U1a的Qa端1脚相连接，同时又作为液位信号输出之一连接至反向器U5a的输入端1脚，反向器U5a的输出端2脚与反向器U5b的输入端3脚相连，则D触发器U1a的Qa端信号经反向器U5a、U5b的整形、延时在反向器U5b的输出端4脚输出；电阻R2的一端与用于液位检测的A差动电容器(21)的电容CL1的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U1b的Rb端10脚，电阻R2的另一端与D触发器U1b的Qb端11脚相连接，同时又连接至反向器U5c的输入端5脚；R4的一端与用于压力检测的B差动电容器(19)的电容CH2的固定电极相连，同时又连接至D触发器U3a的Ra端4脚，电阻R4的另一端与D触发器U3a的Qa端1脚相连，同时又连接至反向器U6a的输入端1脚；电阻R5的一端与用于压力检测的B差动电容器(19)的电容CL2的固定电极相连接，同时又连接至D触发器U3b的Rb端10脚，电阻R5的另一端与D触发器U3b的Qb端13脚相连接，同时又连接至反向器U6c的输入端5脚；热敏电阻R3的一端与电容器C1相连接，同时又连接至D触发器U2a的Ra端4脚，电阻R3的另一端与D触发器U2a的Qa端1脚相连接，同时又连接至反向器U6e的输入端13脚，其中，U5、U6两个六反向器中每2个反向器中的一个输出端与另一个输入端连接构成一组，使输入输出信号保持同相，即反向器U5a的输出端2脚连接反向器U5b的输入端3脚，反向器U5c的输出端6脚连接反向器U5d的输入端9脚，反向器U5e的输出端12脚连接反向器U5f的输入端11脚，反向器U6a的输出端2脚连接反向器U6b的输入端3脚，反向器U6c的输出端6脚连接反向器U6d的输入端9脚，反向器U6e的输出端12脚连接反向器U6f的输入端11脚；温度检测芯U4将所测得绝对温度通过其4、5脚接高电平或接低电平四种组合设置，选择转换成四种不同的输出频率，温度检测芯片U4的信号输出端6脚，与反向器U5e的输入端13脚相连，表征所测温度的频率信号，经反向器U5e、U5f整形、延迟处理后通过反向器U5e10脚输出。

6.根据权利要求5所述的变送器，其特征在于信号处理电路板(26)由信号编码处理电路和信号电光转换电路组成，其中信号编码处理电路包括由一个六反向器U9、电阻R10、R11和电容C4构成的RC振荡器电路，其中电阻R10一端连接六反向器U9的1脚，另一端连接电容C4的一端，同时又连接电阻R11的一端，六反向器U9的2脚与3脚相连接，4脚与5脚相连接，同时又与电容C4的另一脚相连接，6脚与9脚相连接，同时又与电阻R11的另一脚相连接，在六反向器U9的8脚输出时钟脉冲，与计数器U10的5脚相连，作为其计数脉冲输入；计数器U10被设置成16进制工作模式，在其Q13脚、Q22脚、Q36脚、Q47脚输出端取出地址信号，与两个16位模拟开关U7、U8的选通地址端口A10脚、B11脚、C14脚、D13脚相连接，即模拟开关U7的10脚与模拟开关U8的10脚同时又与计数器U10的3脚相连，模拟开关U7的11脚与模拟开关U8的11脚同时又与计数器U10的2脚相连，模拟开关U7的14脚与模拟开关U8的14脚同时又与计数器U10的6脚相连，模拟开关U7的13脚与模拟开关U8的13脚同时又与计数器U10的7脚相连接；在模拟开关U8的公共端1脚，连接电阻R6的一端，R6的另一端接电路中的高电平VCC，在模拟开关U8的9、7、5、3、23、21脚取出6路开关信号，分别与D触发器U1的3、11脚，温度检测芯片U4的1脚，D触发器U3的3、11脚，D触发U2的3脚相连接，U1a、U1b、U2a、U2b、U3a 5个D触发器的Q端输出信号及温度检测芯片U4的输出端信号经反向器U5、U6整形、延时后被送至模拟开关U7的与模拟开关U8输出的触发信号一一相对应的六个开关的一端，在U7模拟开关的公共端1脚，生成按设定的顺序及时间间隔排列的各路检测信号的组合脉冲，完成多路检测信号编码调制任务。

7.根据权利要求6所述的变送器，其特征在于信号电光转换电路经模拟开关U7公共端1脚输出的编码信号，送至双路单稳态触发器U11的触发输入端5、12脚，双路单稳态触发器U11的2脚连接电容C2的一端，同时又连接电阻R7的一端，双路单稳态触发器U11的1脚连接电容C2的另一端，双路单稳态触发器U11的3脚连接电阻R7的另一端，双路单稳态触发器U11的14脚连接电容C3的一端，同时又连接电阻R8的一端，双路单稳态触发器U11的13脚连接电阻R8的另一端，双路单稳态触发器U11的15脚连接电容C3的另一端，双路单稳态触发器U11的5脚连接双路单稳态触发器U11的12脚同时又连接模拟开关U7的公共端1脚及电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地；双路单稳态触发器U11Q端6、10脚分别与U12或门电路的1脚和2脚连接，其输出端3脚连接晶体管Q1基极；电阻R12一端与晶体管Q1的发射极相连接，另一端与晶体管Q1的基极相连接，晶体管Q1的发射极同时与LED光发射管D1的阳极相连接，LED光发射管D1的阴极与电源组件(27)内的锂电池B1的负极相连接，同时作为整个电路的电源地，锂电池B1的正极连接电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端与晶体管Q1的集电极相连接，同时连接电容器C5并作为整个电路的正电源VCC，电容器C5的另一端接地；由或门电路U12的3脚输出的信号驱动晶体管Q1，驱使LED光发射管D1转换输出为光脉冲信号，耦合至光纤(37)输出。

8.根据权利要求7所述的变送器，其特征在于光信号接收解调处理电路(39)包括一端与光探测器(38)的输出端连接的电容器C6、电容器C6的另一端连接至晶体管Q2的基极进行放大，基极同时又连接至电阻R15的一端，晶体管Q2的反射极与电阻R16的一端连接，电阻R15、电阻R16的另一端连接负电源地，电阻R17的一端连接正电源V+，晶体管Q2的集电极同电阻R17的另一端连接，在晶体管Q2的集电极取出放大的倒相脉冲信号，同时与单稳态触发器U13的触发端8脚或6脚相连接；单稳态触发器U13的3脚与1脚间连接定时电容C7，3脚与2脚间连接定时电阻R18，在单稳态触发器U13的Q端10脚，取出脉冲信号，连接至J-K触发器U14的时钟端3脚，在其Qa端1脚获得与测量信号脉宽相等的同时按设定的顺序排列的编码脉冲，脉冲信号由J-K触发器U14的Qa端输出至异或门电路U15，其中U15a、U15b两个门的输入端1、4脚与J-K触发器U14的Qa端1脚相连接，U15a门的另一个输入端2脚接地、U15b门的另一个输入端5脚连接电阻R19的一端，同时连接电容C8的一端，电阻R19的另一端连接至U15a门的输出端3脚，电容器C8的另一端接地，在U15b门的6脚输出端输出与现场探测器检测发送的编码脉冲完全相同的脉冲，然后送至微处理器CPU的中断口由计算机软件处理。

9.根据权利要求8所述的变送器，其特征在于经计算机软件处理后的液位/压力/温度测量值可显示在终端器(45)的测量参数显示面板(42)上。

10.根据权利要求8所述的变送器，其特征在于经计算机软件处理后，从终端器(45)的信号输出端子(44)处同时输出三路表征液位/压力/温度各测量结果的标准电流信号供其他控制设备使用。

Images