專利名稱：變送器的一鍵回零裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域，特別涉及一種用于變送器的一鍵回零裝置。
背景技術：
過程監視和控制系統用于監視和控制工業過程的操作，工業工程中用于制造化 纖、橡膠、塑料等，或者是其他有流體過程的各種產品的生產中，為了在期望的參數范圍內 操作，這些工程是必須得到監控的。變送器已經成為用于描述連接到過程設備并用于傳感過程變量的設備術語。示例 過程變量包括壓力、溫度、流量和其它。通常，變送器位于遠程位置(即在現場)。并將傳感 的過程變量通過若干過程送回到中央控制室，包括有線和無線通信的多種技術皆被用于發 送的過程變量。目前業界常用的壓力變送器是測量過程的流體壓力，壓力變送器能夠直接測量包 括壓差、絕對壓力和表面壓力等，典型的壓力變送器包括經隔離系統連接到過程流體的壓 力傳感器，該隔離系統包括可與過程流體物理接觸的隔離膜；在隔離膜和壓力傳感器之 間延伸的隔離填充流體。該隔離填充流體優選的包括諸如油等實質上不能壓縮的流體，當 過程流體對隔離膜施加壓力時，所施加的壓力經填充流體傳遞并到達壓力傳感器，再從壓 力傳感器經由壓力變送器以外的信號轉換設備等對信號做進一步的整合處理，并最終輸出 到中央控制室的電腦或PLC系統中。然而，這種常用的壓力變送器，在產品安裝后必須通過校驗設備對產品進行校驗， 而校驗時需要耗費大量的人力、時間以及需要昂貴的校驗設備。或者現有存在的電路如果 在使用過程中出現信號偏差，一般采用電位器進行調節；但是電位器并不準確且操作結果 也不盡如人意。因此，針對現有客戶在使用過程中對零點遷移的需求，實現變送器在變量程使用 環境的要求，一種新的節省資源的、方便校驗的壓力變送器的發明是實在必行的。
發明內容
本發明應現今變送器系統智能化數字化應用需求，針對使用過程中傳感器量程零 點遷移調整的需求，特設計此款具有一鍵回零裝置的變送器，實現對變送器任意點零點遷 移調整，避免了用戶更換和配置新的變送器的煩惱，同時也可以實現對因傳感器長期使用 造成的零點漂移的校正，為控制系統的智能化提供便捷。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種變送器的一鍵回零裝置，其包括電源 模塊、信號放大模塊、按鍵歸零模塊、V/I轉換模塊、校準輸出模塊和基準電壓模塊。所述電源模塊前端部分在電源兩端各使用一個電阻進行限流，其后采用電容和 TVS管進行保護，并通過電容和TVS管與外殼進行跨接抑制外部干擾，后端采用共模濾波電 感，濾除電源內部的共模干擾，共模濾波電感之后采用二極管進行反接保護，穩壓管穩壓， 電感電容濾波，后端進行電壓轉化，輸出約3V電壓供給一鍵回零裝置電路中的芯片使用。
所述信號放大模塊的信號放大部分采用儀表放大器實現信號放大，并通過調整電 阻的數值調整信號的放大倍數。所述按鍵歸零模塊由兩部分組成，一部分為按鍵觸發及單片機部分，另一部分為 數字電位器控制部分；所述按鍵觸發部分由按鍵、濾波電感和三極管驅動組成，經過三極管驅動后的輸 出信號接入單片機，按鍵觸發部分采用了電容電感濾波處理，并通過與外殼之間跨接電容 來抑制干擾，按鍵的開關觸發信號通過三極管驅動轉換接入單片機的外部中斷輸入引腳， 單片機接收到按鍵中斷信號后，進入中斷處理，控制數字電位器部分實現歸零輸出功能；所述數字電位器控制部分數字電位器控制部分由數字電位器AD5204和運放 LM6464構成，其中數字電位器AD5204由四組數字電位器構成，電位器與單片機之間采用 SPI總線通訊，數字電位器與運放LM6464配合使用，實現零位調整功能；LM6464由四組運放 構成，其中兩組運放構成電壓跟隨器，四組電位器中第1、2組與跟隨器配合使用，實現對傳 感器輸出正電位的調整，從而實現輸出零位的調整；運放中的另一組運放配合另一組電位 器實現對放大后的信號的二級放大調理功能，調理后的信號輸出至V/I轉換電路中；第四 組運放與第四組電位器配合，實現對傳感器供電電壓的控制功能；所述校準電流輸出模塊由兩根校準線觸發，當兩根校準線短接時，改變三極管的 基極電位，驅動三極管導通，從而觸發模擬開關動作，通過跟隨器輸入后端的放大電路，并 通過三極管實現V/I轉換，實現校準電流輸出。所述一鍵回零裝置的電路板設計為2層電路板走線。采用本發明提供的具有一鍵回零裝置的變送器的可以有效的實現對變送器任意 點零點遷移調整，避免了用戶更換和配置新的變送器的煩惱，同時也可以實現對因傳感器 長期使用造成的零點漂移的校正，為控制系統的智能化提供便捷。即(1) 一鍵回零裝置中集成了儀表運算放大器和低功耗軌至軌運算放大器，可以在 電路板級實現對傳感器mV信號的放大調整及標準化輸出；(2)裝置整體采用低功耗設計，使得正常工作下功耗小于4mA，實現整個變送器系 統的兩線制4-20mA輸出要求，降低了系統對供電電源的要求；(3)采用單片機進行控制，簡化了電路結構，增強了系統的可靠性，通過簡單的按 鍵處理實現校準功能，簡化了操作，便于客戶使用過程中的操作維護，相比較傳統的變送 器，可以非常方便的調整變送器的量程零點遷移；(4)本發明中的控制輸出部分僅僅改變傳感器輸出部分的零位電阻，而不會對運 算放大器的放大倍數進行調整，因而不會改變變送器的輸出范圍和變送器本身的線性，不 會對變送器的輸出精度產生影響；對于多種量程和不同規格的傳感器可以很好的配合使用。
通過以下對本發明的實施例結合其附圖的描述，可以進一步理解其發明的目的、 具體結構特征和優點。其中，附圖為圖1是本發明變送器的一鍵回零裝置的電路原理圖。
具體實施例方式針對現有客戶在使用變送器過程中對零點遷移和零點漂移校正的需求，實現變送 器在變量程使用環境的要求，本發明特設計此款一鍵回零電路裝置。本裝置中，通過簡單的 按鍵操作即可實現對量程零點遷移的控制輸出調整，裝置中采用單片機技術實現對傳感器 系統的檢測控制智能化，簡化了用戶的使用操作；本發明的一鍵回零電路裝置主要包括電源模塊、信號放大電源模塊、按鍵歸零電 源模塊、V/I轉換電源模塊、校準輸出電源模塊和基準電壓電源模塊等；以下將對裝置中的 各個主要部分模塊功能進行詳細的說明電源模塊部分電源模塊前端部分在電源兩端各使用一個20 Ω電阻進行限流，同 時也起到了過流保護的作用，其后采用電容和TVS管進行保護，對瞬變電壓，浪涌電壓和電 源雜波進行抑制，并通過電容和TVS管與外殼進行跨接，有效抑制外部干擾，后端采用共模 濾波電感，濾除電源內部的共模干擾，共模濾波電感之后采用二極管進行反接保護，穩壓管 穩壓，電感電容濾波，后端采用MAX653電壓轉化，輸出3V電壓供給電路中芯片使用；信號放大模塊信號放大部分采用儀表放大器AD627實現信號放大，通過調整電 阻R40數值調整信號的放大倍數，放大倍數公式為Gain = 5+(200K Ω/RG)，其中RG即為圖 中的R40，現選用R40為432 Ω，所以本放大電路放大倍數為467 ；按鍵歸零模塊按鍵歸零部分由兩部分組成，一部分為按鍵觸發及單片機部分，另 一部分為數字電位器控制部分；而按鍵觸發部分由按鍵、濾波電感和三極管驅動組成，經過 三極管驅動后的輸出信號接入單片機，按鍵觸發部分同樣采用了電容電感濾波處理，并通 過與外殼之間跨接電容來抑制干擾，按鍵的開關觸發信號通過三極管驅動轉換接入單片機 的外部中斷輸入引腳，單片機接收到按鍵中斷信號后，進入中斷處理，控制數字電位器部分 實現歸零輸出功能；數字電位器控制部分數字電位器控制部分由數字電位器AD5204和運 放LM6464構成，其中數字電位器AD5204由四組數字電位器構成，電位器與單片機之間采用 SPI總線通訊，數字電位器與運放LM6464配合使用，實現零位調整功能；LM6464由四組運 放構成，其中兩組運放構成電壓跟隨器，四組電位器中第1、2組與跟隨器配合使用，實現對 傳感器輸出正(藍線)電位的調整，從而實現輸出零位的調整；運放中的另一組運放配合另 一組電位器實現對放大后的信號的二級放大調理功能，調理后的信號輸出至V/I轉換電路 中；第四組運放與第四組電位器配合，實現對傳感器供電電壓的控制功能；V/I轉換部分經過放大調理后的信號進過V/I轉換后輸出，控制變送器的4_20mA 輸出；校準電流輸出部分校準電流輸出部分由兩根校準線觸發，當兩根校準線短接時， 改變三極管的基極電位，驅動三極管導通，從而觸發模擬開關MAX4544動作，通過跟隨器輸 入后端的放大電路，并通過三極管實現V/I轉換，實現校準電流輸出；基準電壓部分基準電壓部分采用REF191產生2.048V電壓，作為單片機及放大電 路中的參考電壓；本發明采用單片機對傳感器信號采集進行控制，傳感器部分通過運算放大器進行 信號的放大和調整，電路中零點遷移的調整通過數字電位器AD5204實現，AD5204具有256 階輸出精度，可以實現對輸出電阻值的高精度調整，零點遷移校準按鍵被按下時，觸發單片 機進入中斷處理程序，單片機通過對數字電位器的操作，改變數字電位器的輸出電阻，該電阻被用于調整傳感器的零位電阻，因而實現傳感器的零點遷移，從而實現變送器的零點遷 移；因為本電路裝置中，單片機控制的數字電位器只改變傳感器的零點，而不改變運算放大 器的放大倍數，所以本電路只對變送器系統的零點進行遷移，而不會影響變送器的輸出量 程和線性，不會對傳感器的輸出精度產生影響。這樣的設計保證了用戶在實際使用過程中 多次的量程零點遷移不會對傳感器的精度和輸出造成影響，保證了傳感器的可靠性。而且，本電路中采用了較多的電源保護和電源濾波處理，從而使得產品能夠應用 在干擾較為惡劣的環境中。電源電路中的穩壓和抑制器件能夠保護內部電子器件，并使得 電路可以應用在較寬的電壓工作范圍，并對電源中的電壓波動有較好的抑制保護。即本電 路中對電源部分進行了大量的濾波和可靠性設計，保證了電源在多種工業情況下的可靠應 用，電源輸入部分采用濾波電感進行濾波，濾除電源中的紋波噪聲，濾波電感前端設計兩只 TVS管，對瞬間變化的電源電壓進行抑制，避免了因大功率設備動作時產生的浪涌電壓對變 送器電路本身的破壞，電源后端采用穩壓管設計，為后端電路提供穩定的供電電壓保護，芯 片供電部分采用DC-DC控制器，為芯片電路提供穩定的電源，并可實現對電源的監控；再者，信號放大部分采用儀表放大器AD627實現，對輸入信號當中的共模信號干 擾具有較強的抑制作用，且放大電路外圍器件少，只需要調整一個電阻即可以實現對放大 倍數的調整，增強了系統的穩定性。繼續，按鍵歸零及校準部分通過使用單片機和數字電位器的結合設計，可以方便 的實現對零點的校正和遷移調整，減輕了用戶使用的復雜程度，且使用單片機設計增強了 系統的穩定性和可靠性；使用數字電位器，相比普通機械方式調整的電位器具有抗振動沖 擊，時漂小的特點，使得產品具有更好的長期穩定性；校準部分使用模擬開關控制，使得電 路在校準和非校準狀態之間靈活切換，且不會對正常的壓力點輸出造成影響，校準輸出通 過硬件內部固化，避免了以往采用機械電位器調整時的抖動、抗振性差、長期使用漂移的缺 點，提高了整體的穩定性。本發明一鍵回零電路裝置采用微電腦控制技術，使用MCU實現對信號的采集、處 理和控制，輸出調整執行部分采用數字電位器來調整輸出；所采用的處理器具有體積小，控 制方便，外圍器件少，抗干擾能力強等特點；輸出調整采用現今流行的數字電位器作為輸出 調整核心，采用的數字電位器具有體積小、控制精度高等特點，便于實現變送器小型化和高 精度輸出調整功能；電路控制過程由單片機采集檢測變送器狀態，當回零調整按鍵按下時， 觸發單片機進入中斷處理，控制數字電位器AD5204改變輸出電阻值，從而改變傳感器的零 位輸出調整電阻，實現對變送器的輸出零位調整，滿量程輸出也會隨著零位的遷移而做相 應的遷移調整，從而保證變送器整體的線性不受影響。電路的信號調理輸出部分采用儀表運算放大器，通過數字電位器調整放大倍數進 行輸出調整，實現對傳感器的零位和滿量程校準，AD5204為4通道數字電位器，同樣利用數 字電位器對變送器的量程零點遷移進行控制，而對變送器量程零點遷移時，不會對用于放 大器輸出調整的電位器進行操作，從而保證客戶使用過程中變送器的精度和輸出范圍不受影響。電路的設計采用低功耗器件，實現了變送器兩線制4_20mA供電使用的要求，同時 電路中具備80%量程輸出校準功能；電路板設計布板中預留了外殼屏蔽線連接焊盤，可以 連接變送器金屬外殼，實現對電磁干擾信號的屏蔽和良好的接地，對工業現場中的各種干
6擾具有較好的抑制作用；本次電路板的設計通過精簡部分元件設計，將原先使用4層電路 板走線的方式改為2層電路板走線，從而在不降低產品性能的情況下縮減了電路板的生產 加工成本，更便于大批量生產。本裝置在完成之后進行了樣機的調試分析，現對調試過程中的一只樣本數據記錄 分析如下傳感器部分采用350 Ω應變片式壓力傳感器，輸出靈敏度為3. 3mV/V，本次測試 事先采用5VDC供電方式測試傳感器本體性能參數，傳感器測試量程為6MPa，滿量程輸出 為33. 339mV，非線性為0. 18% FS，該樣本的傳感器測試沒有按照傳感器本身的量程進行加 載，僅選用其中部分量程進行測試，樣本傳感器線性度不太理想，為測試電路本身對傳感器 是否有影響，樣本非線性0. 29% FS接受并作為測試數據分析使用。傳感器部分安裝至電路聯調，并將變送器整體零位滿度輸出進行校準，電路板供 電采用MVDC，壓力加載測試采用同一活塞式壓力計進行，測試量程為6MPa，輸出信號為 4-20mA，測試數據記錄如下對該樣本變送器測試結果進行分析，滿量程輸出范圍為20. 020mA，計算得非線性 為0. 23% FS，通過對傳感器的零位滿量程輸出進行調整，可以實現將變送器輸出調整到精 度0. 25% FS的控制范圍，如果傳感器的非線性誤差較大，而電路設計中的運算放大器具有 調整線性的功能，因此，此電路校正傳感器的線性。通過對實際測試過程中的任意點回零功能測試分析，在傳感器的量程范圍內，任 意點輸出均可以通過按鍵觸發，使得變送器輸出值回到4mA附近，且控制精度在0. 25% FS 以內，并不影響變送器的輸出精度。總之，本發明一鍵回零電路的設計避免了以往產品中零點不可調整遷移的缺陷， 使得用戶可以在更多的使用條件下調整零點，它所具備的調零功能還能在傳感器因長期使 用零點發生漂移時，通過簡單的按鍵操作實現校正零點輸出，免去了以往返廠校正零位的 麻煩。本電路設計中采用了較多的電路抑制保護和濾波器件，可以應用于更復雜的工業應 用環境，且采用了單片機控制，實現了高可靠智能化調整。一鍵回零校準電路，是為應對變 送器工作環境經常變化的場合設計的，當變送器的實際測量量程需要不斷調整時，一般變 送器輸出值不能做相應的量程遷移變化，因而設計了這款一鍵回零校準傳感器電路，當用 戶的實際使用量程發生偏移時，通過變送器本身的按鍵功能，實現對輸出值的相應遷移調 整，免去了用戶需要裝備多種傳感器的煩惱，也節約了成本。上述優選實施例的描述使本領域的技術人員能制造或使用本發明。這些實施例的 各種修改對于本領域的技術人員來說是顯而易見的，這里定義的一般原理可以被應用于其 它實施例中而不背離本發明的精神或范圍。因此，本發明并不限于這里示出的實施例，而要 符合與這里揭示的原理和新穎特征一致的最寬泛的范圍。
權利要求
1.一種變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述一鍵回零裝置包括電源模塊、信號放 大模塊、按鍵歸零模塊、V/I轉換模塊、校準輸出模塊和基準電壓模塊。
2.如權利要求1所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述電源模塊前端部分 在電源兩端各使用一個電阻進行限流，其后采用電容和TVS管進行保護，并通過電容和TVS 管與外殼進行跨接抑制外部干擾，后端采用共模濾波電感，濾除電源內部的共模干擾，共模 濾波電感之后采用二極管進行反接保護，穩壓管穩壓，電感電容濾波，后端進行電壓轉化， 輸出約3V電壓供給一鍵回零裝置電路中的芯片使用。
3.如權利要求1所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述信號放大模塊的信 號放大部分采用儀表放大器實現信號放大，并通過調整電阻的數值調整信號的放大倍數。
4.如權利要求1所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述按鍵歸零模塊由兩 部分組成，一部分為按鍵觸發及單片機部分，另一部分為數字電位器控制部分；
5.如權利要求4所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述按鍵觸發部分由按 鍵、濾波電感和三極管驅動組成，經過三極管驅動后的輸出信號接入單片機，按鍵觸發部分 采用了電容電感濾波處理，并通過與外殼之間跨接電容來抑制干擾，按鍵的開關觸發信號 通過三極管驅動轉換接入單片機的外部中斷輸入引腳，單片機接收到按鍵中斷信號后，進 入中斷處理，控制數字電位器部分實現歸零輸出功能；
6.如權利要求4所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述數字電位器控制部 分由數字電位器AD5204和運放LM6464構成，其中數字電位器AD5204由四組數字電位器構 成，電位器與單片機之間采用SPI總線通訊，數字電位器與運放LM6464配合使用，實現零位 調整功能；LM6464由四組運放構成，其中兩組運放構成電壓跟隨器，四組電位器中第1、2組 與跟隨器配合使用，實現對傳感器輸出正電位的調整，從而實現輸出零位的調整；運放中的 另一組運放配合另一組電位器實現對放大后的信號的二級放大調理功能，調理后的信號輸 出至V/I轉換電路中；第四組運放與第四組電位器配合，實現對傳感器供電電壓的控制功 能。
7.如權利要求1所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述校準電流輸出模塊 由兩根校準線觸發，當兩根校準線短接時，改變三極管的基極電位，驅動三極管導通，從而 觸發模擬開關動作，通過跟隨器輸入后端的放大電路，并通過三極管實現V/I轉換，實現校 準電流輸出。
8.如權利要求1所述的變送器的一鍵回零裝置，其特征在于，所述一鍵回零裝置的電 路板設計為2層電路板走線。
全文摘要
本發明公開了一種變送器的一鍵回零裝置，其包括電源模塊、信號放大模塊、按鍵歸零模塊、V/I轉換模塊、校準輸出模塊和基準電壓模塊，采用本發明提供的具有一鍵回零裝置的變送器的可以有效的實現對變送器任意點零點遷移調整，避免了用戶更換和配置新的變送器的煩惱，同時也可以實現對因傳感器長期使用造成的零點漂移的校正，為控制系統的智能化提供便捷。
文檔編號G01D3/06GK102135439SQ20101010112
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者于瑩, 吳浩 申請人:上海皓鷹測控技術有限公司