CN216484461U

CN216484461U - 在线智能检测调节阀

Info

Publication number: CN216484461U
Application number: CN202122637519.9U
Authority: CN
Inventors: 王洪运; 王雄文; 杨呈; 罗威; 李铭; 张旭
Original assignee: Hubei Hongcheng General Machinery Co ltd
Current assignee: Hubei Hongcheng General Machinery Co ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2031-10-29

Abstract

本实用新型提出了在线智能检测调节阀，其包括温度变送器，温度变送器包括惠斯通电桥、差分放大器、PLC芯片和DA转换器；差分放大器的两个差分输入端分别与惠斯通电桥的上桥臂和下桥臂一一对应电性连接，差分放大器的输出端与PLC芯片的第一AD转换端口电性连接；惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；PLC芯片的PWM数字输出端与DA转换器的输入端电性连接，DA转换器的输出端输出标准电信号至外部的二次仪表。惠斯通电桥使电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，差分放大器保证高输入阻抗的同时避免了差分放大器的输入对被测电桥电路干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度。

Description

在线智能检测调节阀

技术领域

本实用新型涉及阀门设备领域，尤其涉及在线智能检测调节阀。

背景技术

在线智能检测调节阀可以实现对阀门早期故障征兆的及时捕捉、准确预判，精确诊断、为阀门实现视情维修提供可靠的参考依据。目前，调节阀的温度检测主要是：首先通过检测和放大温度传感器输出电流值，再根据温度与电流值的比例关系得出当前温度。传统方案中放大电路的输入会对温度传感器造成干扰，从而导致前端模拟电路线性度差、精度低。因此，为了避免放大电路对温度传感器的干扰，提高系统的线性度和精度，本实用新型提供了在线智能检测调节阀，采用惠斯通电桥结构测量温度，惠斯通电桥直接使得电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，而运算放大电路又保证高输入阻抗的情况下进行电压放大，避免了放大电路的输入对被测电桥电路干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了在线智能检测调节阀，采用惠斯通电桥结构测量温度，惠斯通电桥直接使得电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，而运算放大电路又保证高输入阻抗的情况下进行电压放大，避免了放大电路的输入对被测电桥电路干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了在线智能检测调节阀，其包括温度变送器，温度变送器包括惠斯通电桥、差分放大器、PLC芯片和DA转换器；

差分放大器的两个差分输入端分别与惠斯通电桥的上桥臂和下桥臂一一对应电性连接，差分放大器的输出端与PLC芯片的第一AD转换端口电性连接；惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；

PLC芯片的PWM数字输出端与DA转换器的输入端电性连接，DA转换器的输出端输出标准电信号至外部的二次仪表。

在以上技术方案的基础上，优选的，惠斯通电桥包括铂金传感器和电阻 R20-R21；

电阻R20和电阻R22的一端分别与电源电性连接，电阻R20的另一端分别与电阻R21的一端以及PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；电阻R21的另一端接地；电阻R22的另一端与铂金传感器的一端电性连接，铂金传感器的另一端接地；

差分放大器的反相输入端与电阻R20的另一端电性连接，差分放大器的同相输入端与电阻R22的另一端电性连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，温度变送器还包括低通滤波器；

低通滤波器串联在惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口之间的线路中。

在以上技术方案的基础上，优选的，温度变送器还包括电压跟随器；

电压跟随器串联在DA转换器与二次仪表之间的线路中。

在以上技术方案的基础上，优选的，温度变送器还包括V-I转换电路；

V-I转换电路串联在电压跟随器与二次仪表之间的线路中。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括阀位变送器；

阀位变送器将阀门开度信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括振动变送器；

振动变送器将振动信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括噪音变送器；

噪音变送器将噪音信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。

本实用新型的在线智能检测调节阀相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)为了获得极高线性度和精度的温度模拟信号，本实用新型设置了三个改进点，第一，采用惠斯通电桥结构测量温度，可以直接使得电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，从而获得高线性度的模拟温度信号；第二，将惠斯通电桥中点PT100N处的电压作为参考电压并输出至PLC芯片的第二AD 转换端口，一方面检测参考电压的基准值以及漂移情况，另一方面测量差分放大器放大以后的具体结果，从而保证惠斯通电桥测量精度；第三，采用差分放大器即保证了在高输入阻抗情况下进行电压放大，同时又避免了差分放大器的输入对被测惠斯通电桥干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度；

(2)解决DA转换器输出负载能力极差的问题，本实用新型在DA转换器的输出端设置了高输入阻抗、高输出推动能力的电压跟随器U9A，保证输出高负载能力的同时，将输出与输入严格匹配的电压信号传输到V-I转换电路中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本实用新型在线智能检测调节阀系统的结构图；

图2为本实用新型在线智能检测调节阀的结构图；

图3为本实用新型在线智能检测调节阀中惠斯通电桥的电路图；

图4为本实用新型在线智能检测调节阀中差分放大器的电路图；

图5为本实用新型在线智能检测调节阀中PLC芯片的外围电路图；

图6为本实用新型在线智能检测调节阀中DA转换器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实用新型的在线智能检测调节阀，其包括温度变送器、阀位变送器、振动变送器和噪音变送器。其中，温度变送器、阀位变送器、振动变送器和噪音变送器的原理相同，都是将模拟参数经过一系列处理后输出 4～20mA电流信号、0-5V/0-10V电压信号或RS485数字信号，因此，本实施例中，详细介绍温度变送器的结构和工作原理，其余变送器不再累述。

温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号、0-5V/0-10V 电压信号或RS485数字信号输出，并且可以连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。为了避免运算放大电路对测温元件的干扰，提高系统的线性度和精度，本实施例对温度变送器的结构进行改进，具体的，如图2所示，本实施例的温度变送器包括惠斯通电桥、差分放大器、低通滤波器和PLC芯片；若外部的二次仪表需求4～20mA电流信号，则需要在PLC芯片的PWM数字输出端之后设置DA转换器和V-I转换电路，以获得4～20mA电流信号；若外部的二次仪表需求0-5V/0-10V电压信号，则需要在PLC芯片的PWM数字输出端之后设置 DA转换器；若外部的二次仪表需求RS485数字信号输出，则PLC芯片的通信端需要根据通信协议将代表温度值的数字信号传输至外部的二次仪表。本实施例中，以外部的二次仪表需求4～20mA电流信号为例，因此，需要在PLC芯片的PWM数字输出端之后设置DA转换器和V-I转换电路。

惠斯通电桥，由四个电阻组成的电桥电路，通过电阻的变化来测量温度的变化，可以直接使得电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，从而获得高线性度的模拟温度信号。本实施例中，差分放大器的两个差分输入端分别与惠斯通电桥的上桥臂和下桥臂一一对应电性连接，差分放大器的输出端与PLC芯片的第一AD转换端口电性连接；惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口电性连接。优选的，如图3所示，惠斯通电桥包括铂金传感器和电阻R20-R21；电阻R20和电阻R22的一端分别与电源电性连接，电阻 R20的另一端分别与电阻R21的一端以及PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；电阻R21的另一端接地；电阻R22的另一端与铂金传感器的一端电性连接，铂金传感器的另一端接地；差分放大器的反相输入端与电阻R20的另一端电性连接，差分放大器的同相输入端与电阻R22的另一端电性连接。

其中，电阻R20-R21的阻值固定，因此，电阻R20和电阻R21之间的点 PT100N处电压恒定，将点PT100N处的电压作为参考电压并输出至PLC芯片的第二AD转换端口，一方面检测参考电压的基准值以及漂移情况，另一方面测量差分放大器放大以后的具体结果，从而保证惠斯通电桥测量精度；优选的，为了降低PLC芯片的第二AD转换端口的干扰，本实施例中，在惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口之间的线路中串联了低通滤波器，所述低通滤波器可以采用如图3中电阻R1和电容C1组成的低通滤波器。

铂金传感器的阻值随温度变化，温度变化时，图3中点PT100N与点APIN 之间的电压差与铂金传感器受温度变化影响的电阻值变化呈现正比关系，所述电压差经过差分放大器后输入PLC芯片的第一AD转换端口，转换为电压变化值，然后根据PT100传感器的固有电阻/温度变化率可以直接算出测量的温度结果；优选的，本实施例中铂金传感器优选PT100传感器。电阻R20和电阻R21 组成了惠斯通电桥的上桥臂，电阻R22和铂金传感器组成了下桥臂。

差分放大器，将点PT100N与点APIN之间的电压差进行放大，并将放大后的结果输出至PLC芯片的第一AD转换端口，PLC芯片根据PT100传感器的固有电阻/温度变化率可以直接算出测量的温度结果。优选的，本实施例中差分放大器选用如图4所示的结构，其中，电阻R17与电阻R23的比值为差分放大器的放大倍数，通过调整电阻R17或电阻R23的阻值即可调整差分放大器的放大倍数。由于差分放大器不仅放大了压差信号，还放大了噪声信号，因此，本实施例在差分放大器的输出端设置了由电阻R24与电容C14组成的低通滤波器，用于滤除噪声信号。本实施例中，差分放大器即保证了在高输入阻抗情况下进行电压放大，同时又避免了差分放大器的输入对被测惠斯通电桥干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度。

PLC芯片，集成了信号模拟输入模块和数据采集模块，可以采集调节阀的振动、压力脉动、噪音、应力、扭矩、阀位等信号，并对前端模拟信号进行数据采集、处理和分析，本实施例的PLC芯片只用到了前端模拟信号采集模块，通过对差分放大器输出结果进行模数转换进而得到温度值，并输出代表该温度值的PWM数字信号至DA转换器。本实施例并不涉及对PLC芯片的算法改进，可以采用现有技术实现。优选的，如图5所示，本实施例中，PLC芯片选用 STM8SX03F芯片。

DA转换器，将PLC芯片输出代表温度值的PWM数字信号转换成电压信号。优选的，DA转换器可以采用如图6所示的双积分结构，双积分结构包括两个串联的积分电路。两个串联的积分电路虽然能够精确的进行数字模拟的转换，但也会造成输出负载能力极差，为了解决该问题，本实施例进一步设置了高输入阻抗、高输出推动能力的电压跟随器U9A，保证输出高负载能力的同时，将输出与输入严格匹配的电压信号传输到V-I转换电路中。将电压跟随器U9A的输出用VIOut表示。

V-I转换电路，将DA转换器输出的电压信号转换为本实施例要求的4～20mA 电流信号。本实施例中，V-I转换电路串联在电压跟随器与二次仪表之间的线路中。V-I转换电路可以采用现有技术实现，在此不再累述。

本实施例的工作原理为：温度变化时，惠斯通电桥中点PT100N与点APIN 之间产生电压差，所述电压差经过差分放大器放大，放大后的信号输出至PLC 芯片的第一AD转换端口，PLC芯片根据PT100传感器的固有电阻/温度变化率可以直接算出测量的温度值，并输出代表该温度值的PWM数字信号至DA转换器，DA转换器将PWM数字信号转换成电压信号，所述电压信号经过电压跟随器U9A完成输出与输入匹配后再输入至V-I转换电路，V-I转换电路将电压信号转换为4～20mA电流信号，并输出至外部的二次仪表中。

本实施例的有益效果为：为了获得极高线性度和精度的温度模拟信号，本实施例设置了三个改进点，第一，采用惠斯通电桥结构测量温度，可以直接使得电压变化与传感器电阻变化的呈现高度线性正比关系，从而获得高线性度的模拟温度信号；第二，将惠斯通电桥中点PT100N处的电压作为参考电压并输出至PLC芯片的第二AD转换端口，一方面检测参考电压的基准值以及漂移情况，另一方面测量差分放大器放大以后的具体结果，从而保证惠斯通电桥测量精度；第三，采用差分放大器即保证了在高输入阻抗情况下进行电压放大，同时又避免了差分放大器的输入对被测惠斯通电桥干扰，从而在前端模拟电路中获得极高的精度和线性度；

解决DA转换器输出负载能力极差的问题，本实施例在DA转换器的输出端设置了高输入阻抗、高输出推动能力的电压跟随器U9A，保证输出高负载能力的同时，将输出与输入严格匹配的电压信号传输到V-I转换电路中。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供在线智能检测调节阀的系统结构。如图1所示，在线检测调节阀系统主要采用分层分布式结构，由上位机层和现地工作层组成。其中上位机层包括状态数据服务器WEB服务器、网络设备等。现地层设备包括设备现地在线监测数据采集单元、各种传感器、通讯接口、附件等，该层的所有设备均安装于数据采集站内。每台阀门现地层均设一个独立的数据采集站，每个数据采集站设备集中组屏在机柜内。数据采集站负责对设备的振动、压力脉动、噪音、应力、扭矩、阀位等信号进行数据采集、处理、分析并以图形、图表、曲线等形式在显示器中显示，同时对相关数据进行特征参数提取，得到阀门数据，完阀门的预警和报警。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.在线智能检测调节阀，其包括温度变送器，其特征在于：所述温度变送器包括惠斯通电桥、差分放大器、PLC芯片和DA转换器；

所述差分放大器的两个差分输入端分别与惠斯通电桥的上桥臂和下桥臂一一对应电性连接，差分放大器的输出端与PLC芯片的第一AD转换端口电性连接；惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；

所述PLC芯片的PWM数字输出端与DA转换器的输入端电性连接，DA转换器的输出端输出标准电信号至外部的二次仪表。

2.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：所述惠斯通电桥包括铂金传感器和电阻R20-R21；

所述电阻R20和电阻R22的一端分别与电源电性连接，电阻R20的另一端分别与电阻R21的一端以及PLC芯片的第二AD转换端口电性连接；电阻R21的另一端接地；电阻R22的另一端与铂金传感器的一端电性连接，铂金传感器的另一端接地；

所述差分放大器的反相输入端与电阻R20的另一端电性连接，差分放大器的同相输入端与电阻R22的另一端电性连接。

3.如权利要求1或2所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：所述温度变送器还包括低通滤波器；

所述低通滤波器串联在惠斯通电桥的上桥臂与PLC芯片的第二AD转换端口之间的线路中。

4.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：所述温度变送器还包括电压跟随器；

所述电压跟随器串联在DA转换器与二次仪表之间的线路中。

5.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：所述温度变送器还包括V-I转换电路；

所述V-I转换电路串联在电压跟随器与二次仪表之间的线路中。

6.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：还包括阀位变送器；

所述阀位变送器将阀门开度信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。

7.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：还包括振动变送器；

所述振动变送器将振动信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。

8.如权利要求1所述的在线智能检测调节阀，其特征在于：还包括噪音变送器；

所述噪音变送器将噪音信号转换成标准电信号，并输出至二次仪表中。