CN214427342U - 一种ORP/pH信号采集变送器及数字传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种ORP/pH信号采集变送器，包括微控制单元、探针信号采集电路及通信电路；所述探针信号采集电路包括AD采集器、运算放大器、加法器及滤波器；所述AD采集器用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将所述模拟采集信号依次通过所述AD采集器、所述运算放大器、所述加法器及所述滤波器，得到ORP/pH待处理信号；所述微控制单元用于根据所述ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。本实用新型有效提高信号的带负载能力，增加了采集到的信号的兼容性，并保证信号最大采集动态范围，提升所述ORP/pH信号采集变送器的工作稳定性与测量精度。本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的数字传感器。

Description

一种ORP/pH信号采集变送器及数字传感器

技术领域

本实用新型涉及数据自动化采集领域，特别是涉及一种ORP/pH 信号采集变送器及数字传感器。

背景技术

在应用水质监测的行业，如水产养殖、化工、环保等许多行业中，对溶液ORP/pH值监测非常的重要。目前在线监测ORP和pH的方法是利用数字传感器进行监测，数字传感器一般由电极、变送器构成。电极检测待测水样的离子浓度并将其转化成相应的电信号，电信号需要经过变送器处理转化成对应的pH值，所以信号采集变送器是实现自动化控制功能的重要一环，传统的两线制模拟变送器带负载能力差，兼容性差，导致其存在信号稳定性差、精度不高的问题。

因此，如何解决现有技术中ORP/pH信号采集变送器存在的信号兼容性差、精度低、不稳定的问题，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种ORP/pH信号采集变送器及数字传感器，以解决现有技术中信号稳定性差、精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种ORP/pH信号采集变送器，包括防水外壳及设置于所述防水外壳内部的PCB基板；

所述PCB基板包括微控制单元、探针信号采集电路及通信电路；

所述通信电路用于所述ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；

所述探针信号采集电路包括AD采集器、运算放大器、加法器及滤波器；

所述AD采集器用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将所述模拟采集信号依次通过所述运算放大器、所述加法器及所述滤波器，得到ORP/pH待处理信号；

所述微控制单元用于控制所述探针信号采集电路及所述通信电路，并根据所述ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述ORP/pH信号采集变送器还包括温度采集器；

所述温度采集器包括设置于所述防水外壳上的温度探针及设置于所述PCB基板上的温度采集电路；

所述温度采集电路与所述温度探针相连，用于接收所述温度探针发送的温度模拟信号，并根据所述温度模拟信号确定温度待处理信号；

相应地，所述微控制单元用于根据所述ORP/pH待处理信号及所述温度待处理信号确定对应的ORP/pH值。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述通信电路为 MODBUS协议通讯电路。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述通信电路还包括自恢复保险及瞬态抑制管中至少一种。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述ORP/pH信号采集变送器的电源电路为DC-DC隔离电源电路。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述微控制单元为嵌入式微控制单元。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，还包括覆铜板，所述覆铜板覆盖所述PCB基板上表面。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述滤波器为二阶低通巴特沃斯滤波器。

可选地，在所述的ORP/pH信号采集变送器中，所述防水外壳的防水接线孔包括防水胶塞、夹紧爪及松紧帽；

所述夹紧爪用于固定所述防水胶塞；

所述松紧帽设置于所述防水接线孔的最外侧。

一种数字传感器，所述数字传感器包括如上述任一种所述的ORP/pH信号采集变送器。

本实用新型所提供的ORP/pH信号采集变送器，通过防水外壳及设置于所述防水外壳内部的PCB基板；所述PCB基板包括微控制单元、探针信号采集电路及通信电路；所述通信电路用于所述ORP/pH 信号采集变送器与外部电路通信；所述探针信号采集电路包括AD采集器、运算放大器、加法器及滤波器；所述AD采集器用于接收ORP/pH 探针电极发送的模拟采集信号，并将所述模拟采集信号依次通过所述 AD采集器、所述运算放大器、所述加法器及所述滤波器，得到ORP/pH 待处理信号；所述微控制单元用于控制所述探针信号采集电路及所述通信电路，并根据所述ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。

本实用新型通过为所述ORP/pH信号采集变送器增设了所述运算放大器作为信号缓冲，有效提高信号的带负载能力，解决了由于所述 ORP/pH探针电极普遍极高的电阻导致的信号电流微弱，易受干扰的问题，另外，由于PH传感器输出满量程范围在±400mv，ORP传感器满量程输出范围在±1999mv，量程差距较大，而本实用新型引入所述加法器，将信号抬高(如抬高至2.048附近)，大大增加了采集到的信号的兼容性，并保证信号最大采集动态范围，最后通过所述滤波器，保证信号的纯净度，进一步避免干扰，提升所述ORP/pH信号采集变送器的工作稳定性与测量精度。本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的数字传感器。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器的又一种具体实施方式的局部结构示意图；

图4至图6为本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器的局部电路示意图；

图7为本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器的防水外壳的结构示意图。

图中：防水外壳100、防水接线孔110、防水胶塞111、夹紧爪112、松紧帽113、PCB基板200、微控制单元210、通信电路220、探针信号采集电路230、AD采集器231、运算放大器232、加法器233、滤波器234、温度探针241、温度采集电路242。

具体实施方式

现有的pH/ORP传感器变送器，其参考信号没有一个大的平面作为参考，容易造成波动，甚至损坏，而且用的是无源低通滤波器，滤出低频信号效果差,两路传感器信号隔离和缓冲电路做的少，容易在进入ad采集造成通道串扰，导致其存在信号稳定性差、精度不高的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种ORP/pH信号采集变送器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括防水外壳100及设置于防水外壳100内部的PCB基板200；

PCB基板200包括微控制单元210、探针信号采集电路230及通信电路220；

通信电路220用于ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；

探针信号采集电路230包括AD采集器231、运算放大器232、加法器233及滤波器234；

AD采集器231用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将模拟采集信号依次通过运算放大器232、加法器233及滤波器234，得到ORP/pH待处理信号；

微控制单元210用于控制探针信号采集电路230及通信电路220，并根据ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。

通信电路220为MODBUS协议通讯电路，本实用新型中的通信电路220的485通信协议采用标准的MODBUS协议，具有兼容性、抗稳定性强，精度高，价格低等优点。

另外，通信电路220还包括自恢复保险及瞬态抑制管中至少一种，采用自恢复保险及瞬态抑制管后的通信电路220，可有效抑制涌浪信号和静电防护，传输信号距离可达1000m，最多挂接多达256个收发器，其一种具体实施方式的电路图如图6所示，其中，通过U8存储设备地址，标定参数，进行掉电数据保护。

还有，ORP/pH信号采集变送器还包括覆铜板，覆铜板覆盖PCB 基板200上表面；其中，上表面指设置有电子元件的表面，PCB基板 200的直板部分及覆铜板将电子元件夹在中间，可有效隔离信号，提高整个信号的稳定性和精度；更进一步地，采用拨码开关设置关键串行通讯方式。

再进一步地，ORP/pH信号采集变送器的电源电路为DC-DC隔离电源电路，采用DC-DC隔离电源电路后，可有效排除输入电源纹波，工频噪声对采集信号的影响，举例说明，DC-DC电源变化电路采用是降压型工作原理，还通过PCB隔离电源的电路，具体的是DC-DC降压电路采用WRA1205S-3WR2隔离方案12V输入，降压±5V输出，提供模拟采集运放正负电源供电，另+5V再次降压2.048V、3.3V、4.096 分别用于加法器233输入端、MCU供电、ADC基准源；主要包括的电路元件是二极管、电容、电阻、电感等，保证输入电源纹波、工频噪声不影响采集信号，提高系统抗干扰能力。

如图4所示的DC-DC降压电路(即前文所述DC-DC隔离电源电路)采用WRA1205S-3WR2隔离方案12V输入，电路元件包括有 DC/DC电源转换器U1、U3、U8、U5、电阻R1、R2、R14、电容C1、C2、C3、C4、二极管D1、电感L1、L2、L3、电解电容C5、C6。经 U1隔离减压后输出±5V，提供模拟采集运放正负电源供电，另+5V 再次经U3降压成2.048V、3.3V、4.096分别用于加法器233输入端、MCU供电、ADC基准源；U1为高效率的基于PWM调制的DC/DC 电源转换器，其Vm引脚连接电感L1和电容C2，电感L1连接二极管D1和电容C1，二极管D1连接输入端。U1的+Vo连接电感L2输出+5V，U1-Vo连接电感L3输出-5V，在正负5V连接电容C3、C4输出0V电压。U3的VIN引脚连接+5V的电压，经U3VOUT引脚输出 +3.3.V电压。

作为一种优选实施方式，微控制单元210为嵌入式微控制单元 210，嵌入式微控制单元210(MCU)具有可剪裁行、强实时性及强稳定性的特点，适合本实用新型提供的ORP/pH信号采集变送器，嵌入式微控制单元210可为基于ARMCoryex-M内核STM32系列的32位的微控制器、储器容量64KB，具有SWD调试电路，晶振电路、启动电路、复位电路等，如高性能、低成本、低功耗STM32F103C8T6。当然，也可根据实际情况选用不同MCU。

如图5所示的嵌入式MCU采用的是STM32F103C8T6的MCU， U5它的引脚1，3，24，36，48均连接U3转换的+3.3.V的电压。引脚5，6连接外围的晶振电路；引脚8连接外围的复位电路；引脚20， 44连接外围的启动电路；引脚34，37连接SWD调试电；引脚30， 31连接485通讯模块；引脚32，33，38连接存储电路，引脚14，15， 16，17连接模数转换芯片，嵌入式MCU能够将ORP/pH传感器探头产生模拟信号转化数字信号，并将该信号进行存储于存储模块中，并将数字信号传输移动端。

还有，AD采集器231为24位AD采集器231，24位AD采集器 231为在保证精准度的前提下，可大幅降低成本，内置可编码放大器，二阶低通巴特沃斯滤波器234数字滤波，电路连接方式：传感器模拟信号输出端连接高输入阻抗运算放大器232和电容，后引入一个加法器233，将信号抬高至2.048附近，后接二阶低通巴特沃斯滤波器234 滤波。

作为一种具体实施方式，滤波器234为二阶低通巴特沃斯滤波器 234。

上文中的防水外壳100，是由一个塑料材质的带有四个防水孔的可密闭上下壳体，大小在5-15CM的正方体，当然，防水外壳100的形状、尺寸及材质均可根据实际情况做相应变化。

通过电路板隔离电源电路，隔离数字信号和模拟信号电路，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电阻，数字电路系统的接地构成闭环路提高了变送器的抗干扰的能力；通过采用高性能、低成本、低功耗嵌入式MCU减低变送器的成本，通过滤波器234提高PH/ORP的变送器的精度，通过防水外壳和防水孔设计使其在潮湿的海水环境中也能适应，应用更多使用场景。

本实用新型所提供的ORP/pH信号采集变送器，通过防水外壳100 及设置于防水外壳100内部的PCB基板200；PCB基板200包括微控制单元210、探针信号采集电路230及通信电路220；通信电路220 用于ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；探针信号采集电路230包括AD采集器231、运算放大器232、加法器233及滤波器234；AD 采集器231用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将模拟采集信号依次通过AD采集器231、运算放大器232、加法器233 及滤波器234，得到ORP/pH待处理信号；微控制单元210用于控制探针信号采集电路230及通信电路220，并根据ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。本实用新型通过为ORP/pH信号采集变送器增设了运算放大器232作为信号缓冲，有效提高信号的带负载能力，解决了由于ORP/pH探针电极普遍极高的电阻导致的信号电流微弱，易受干扰的问题，另外，由于PH传感器输出满量程范围在±400mv， ORP传感器满量程输出范围在±1999mv，量程差距较大，而本实用新型引入加法器233，将信号抬高(如抬高至2.048附近)，大大增加了采集到的信号的兼容性，并保证信号最大采集动态范围，最后通过滤波器234，保证信号的纯净度，进一步避免干扰，提升ORP/pH信号采集变送器的工作稳定性与测量精度。

在具体实施方式一的基础上，进一步对ORP/pH信号采集变送器进行改进，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括防水外壳100及设置于防水外壳100内部的PCB基板200；

PCB基板200包括微控制单元210、探针信号采集电路230及通信电路220；

通信电路220用于ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；

探针信号采集电路230包括AD采集器231、运算放大器232、加法器233及滤波器234；

AD采集器231用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将模拟采集信号依次通过运算放大器232、加法器233及滤波器234，得到ORP/pH待处理信号；

微控制单元210用于控制探针信号采集电路230及通信电路220，并根据ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值；

ORP/pH信号采集变送器还包括温度采集器；

温度采集器包括设置于防水外壳上的温度探针241及设置于PCB 基板200上的温度采集电路242；

温度采集电路242与温度探针241相连，用于接收温度探针241 发送的温度模拟信号，并根据温度模拟信号确定温度待处理信号；

相应地，微控制单元210用于根据ORP/pH待处理信号及温度待处理信号确定对应的ORP/pH值。

由于同一ORP/pH值在不同温度下对应的电流大小不同，在本具体实施方式中，增设了温度采集器，采集到温度待处理信号，根据预设的对应关系对ORP/pH待处理信号进行补偿，可显著提高最后得到的ORP/pH值的准确度。

进一步地，温度探针241可为PT100探针电极，探针信号采集电路230采用1ma的恒流方案，后接差分放大电路，将mv级别的信号放大10倍，引入到温度采集电路242的AD采集输入端。

在具体实施方式二的基础上，进一步对ORP/pH信号采集变送器进行改进，得到具体实施方式三，其局部结构示意图如图3所示，包括防水外壳100及设置于防水外壳100内部的PCB基板200；

PCB基板200包括微控制单元210、探针信号采集电路230及通信电路220；

通信电路220用于ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；

探针信号采集电路230包括AD采集器231、运算放大器232、加法器233及滤波器234；

AD采集器231用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将模拟采集信号依次通过运算放大器232、加法器233及滤波器234，得到ORP/pH待处理信号；

微控制单元210用于控制探针信号采集电路230及通信电路220，并根据ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值；

ORP/pH信号采集变送器还包括温度采集器；

温度采集器包括设置于防水外壳上的温度探针241及设置于PCB 基板200上的温度采集电路242；

温度采集电路242与温度探针241相连，用于接收温度探针241 发送的温度模拟信号，并根据温度模拟信号确定温度待处理信号；

相应地，微控制单元210用于根据ORP/pH待处理信号及温度待处理信号确定对应的ORP/pH值；

防水外壳100的防水接线孔110包括防水胶塞111、夹紧爪112 及松紧帽113；

夹紧爪112用于固定防水胶塞111；

松紧帽113设置于防水接线孔110的最外侧。

本实用新型中的ORP/pH信号采集变送器的各个电路元件都位于 PCB基板200上，防水电缆通过防水外壳100上的防水接线孔110与电路板连接。

本具体实施方式中进一步限定了防水接线孔110的结构，需要注意的是，防水接线孔110并非只能由防水胶塞111、夹紧爪112及松紧帽113组成，在图3所示的防水接线孔110的结构示意图中，从壳体到外各部件的顺序依次是松紧螺母、防水胶塞111、夹紧爪112、防水胶圈、松紧帽113。本具体实施方式利用夹紧爪112进一步固定防水胶塞111，并对防水胶塞111加压，以保证防水胶塞111的密封性，还通过在最外侧增设松紧帽113，进一步提升了防水性，延长了 ORP/pH信号采集变送器的使用寿命，提升了工作稳定性。

优选的，防水外壳100是有四个接线孔的密闭的壳体(如图7所示)，壳体是由上下壳体构成的，通过塑料螺丝将上下壳体拧紧，同时电路板通过壳体上柱子固定于其中，不接触上下壳体。

一种数字传感器，数字传感器包括如上述任一种的ORP/pH信号采集变送器。本实用新型所提供的ORP/pH信号采集变送器，通过防水外壳100及设置于防水外壳100内部的PCB基板200；PCB基板200 包括微控制单元210、探针信号采集电路230及通信电路220；通信电路220用于ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；探针信号采集电路230包括AD采集器231、运算放大器232、加法器233及滤波器 234；AD采集器231用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将模拟采集信号依次通过AD采集器231、运算放大器232、加法器 233及滤波器234，得到ORP/pH待处理信号；微控制单元210用于控制探针信号采集电路230及通信电路220，并根据ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。本实用新型通过为ORP/pH信号采集变送器增设了运算放大器232作为信号缓冲，有效提高信号的带负载能力，解决了由于ORP/pH探针电极普遍极高的电阻导致的信号电流微弱，易受干扰的问题，另外，由于PH传感器输出满量程范围在±400mv， ORP传感器满量程输出范围在±1999mv，量程差距较大，而本实用新型引入加法器233，将信号抬高(如抬高至2.048附近)，大大增加了采集到的信号的兼容性，并保证信号最大采集动态范围，最后通过滤波器234，保证信号的纯净度，进一步避免干扰，提升ORP/pH信号采集变送器的工作稳定性与测量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的ORP/pH信号采集变送器及数字传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，包括防水外壳及设置于所述防水外壳内部的PCB基板；

所述PCB基板包括微控制单元、探针信号采集电路及通信电路；

所述通信电路用于所述ORP/pH信号采集变送器与外部电路通信；

所述探针信号采集电路包括AD采集器、运算放大器、加法器及滤波器；

所述AD采集器用于接收ORP/pH探针电极发送的模拟采集信号，并将所述模拟采集信号依次通过所述运算放大器、所述加法器及所述滤波器，得到ORP/pH待处理信号；

所述微控制单元用于控制所述探针信号采集电路及所述通信电路，并根据所述ORP/pH待处理信号确定对应的ORP/pH值。

2.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述ORP/pH信号采集变送器还包括温度采集器；

所述温度采集器包括设置于所述防水外壳上的温度探针及设置于所述PCB基板上的温度采集电路；

所述温度采集电路与所述温度探针相连，用于接收所述温度探针发送的温度模拟信号，并根据所述温度模拟信号确定温度待处理信号；

相应地，所述微控制单元用于根据所述ORP/pH待处理信号及所述温度待处理信号确定对应的ORP/pH值。

3.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述通信电路为MODBUS协议通讯电路。

4.如权利要求3所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述通信电路还包括自恢复保险及瞬态抑制管中至少一种。

5.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述ORP/pH信号采集变送器的电源电路为DC-DC隔离电源电路。

6.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述微控制单元为嵌入式微控制单元。

7.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，还包括覆铜板，所述覆铜板覆盖所述PCB基板上表面。

8.如权利要求1所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述滤波器为二阶低通巴特沃斯滤波器。

9.如权利要求1至8任一项所述的ORP/pH信号采集变送器，其特征在于，所述防水外壳的防水接线孔包括防水胶塞、夹紧爪及松紧帽；

所述夹紧爪用于固定所述防水胶塞；

所述松紧帽设置于所述防水接线孔的最外侧。

10.一种数字传感器，其特征在于，所述数字传感器包括如权利要求1至9任一项所述的ORP/pH信号采集变送器。

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