專利名稱：彈簧管智能壓力變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業生產過程中壓力檢測、指示和控制領域，特別是一種將壓力量變換成標準的4-20mA直流電流信號輸出的彈簧管智能壓力變送器。
背景技術：
工業生產過程中通常使用壓力變送器將壓力量變換成標準的4_20mA直流電流信號輸出，進而對壓力量進行檢測、顯示和控制。現代工業中廣泛使用的智能壓力變送器采用電容或半導體傳感器，精度和分辨力都很高，并且有豐富的智能化功能，但由于制造成本高，在一些場合使用會增加不少的費用。傳統的彈簧管式壓力表指示精度和分辨力受原理和制造工藝限制都很低，而且它只能用作壓力指示，但它使用可靠、價格低，所以得到了廣泛的使用。由此可見，使用傳統的彈簧管式壓力表技術制造性能可靠、價格低廉的智能壓力變送器具有廣泛的市場前景。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種用彈簧管做測壓敏感元件的兩線制智能壓力變送器(以下簡稱彈簧管智能壓力變送器)，在傳統彈簧管(又稱波登管)式壓力表的基礎上去掉機械傳動的指針機構，將壓力量產生的位移信號通過位移檢測電路轉換成為電參量，通過測量電參量從而等效的測出壓力量的大小。電參量經A/D轉換、微處理器數字處理后進行數字顯示和4-20mA直流電流信號輸出。本實用新型的目的是通過下述技術方案來實現的。彈簧管智能壓力變送器，包括彈簧管以及與彈簧管相連的位移檢測電路，所述位移檢測電路與模擬/數字轉換電路相連，模擬/數字轉換電路與微處理器相連，微處理器分別與顯示器和數字/模擬轉換電路連接，數字/模擬轉換電路與電源供電和輸出電路連接。本實用新型進一步的特征在于所述位移檢測電路包括兩個電感、四個電容、四個電阻和兩個三極管放大器；所述電感H1、電容Cl和電感H2、電容C2構成兩組LC諧振回路，兩組LC諧振回路的共同節點接電源端V。。；所述兩組LC諧振回路分別與晶體管Tl和晶體管T2相接；在兩組LC諧振回路與晶體管Tl和晶體管T2間并聯連接有基極偏置電阻Rl、R2和振蕩反饋耦合電容C3、C4 ; 所述晶體管Tl的基極與基極偏置電阻Rl和振蕩反饋耦合電容C3節點相連，晶體管Tl的集電極接所述第一 LC諧振回路輸出端，晶體管Tl的發射極接電阻R3 ;所述晶體管T2的基極與基極偏置電阻R2和振蕩反饋耦合電容C4節點相連，晶體管T2的集電極接所述第二 LC 諧振回路輸出端，晶體管T2的發射極接電阻R4 ;所述電阻R3、R4節點接地。所述模擬/數字轉換電路使用16位微功耗A/D轉換芯片AD7171。所述中微處理器采用MSP430F41X型號的微處理器；微處理器連接有顯示器，所述顯示器采用帶白色背光的LCD液晶顯示器。[0012]所述電源供電和輸出電路采用24V電壓供電，并接受數字/模擬轉換電路的電壓信號，產生4-20mA直流電流信號輸出。所述電源供電和輸出電路包括24V電源正極與二極管Dl陽極連接；D1陰極與三極管T3發射極連接；T3集電極連接發光二極管LEDl陽極；LED2陰極和電阻R7連接；R7連接到24V電源負級。電阻R7與誤差放大器Ul正極相連；所述三極管T3集電極與發光二極管LEDl之間的節點與低壓差穩壓器LDO U2的IN端連接；低壓差穩壓器U2的OUT端與前端電路相連；低壓差穩壓器U2與發光二極管LED2、電阻R7的節點端接地。所述誤差放大器Ul通過電阻R6與三極管T3基極連接，三極管T3發射極接所述二極管Dl的負極，三極管T3集電極接所述發光二極管LEDl正極。誤差放大器Ul負極連接電阻R5與數字/模擬轉換電路相連。所述電源供電和輸出電路采用兩線制變送器的供電和輸出方式，利用自身的輸出電流流過發光二級管產生了顯示背光，同時利用流過發光二級管產生的電壓降給其它電路進行供電。傳統彈簧管(又稱波登管)式壓力表的顯示壓力采用機械傳動的指針機構，由于傳動齒輪有間隙，會帶來很大的回滯誤差。本實用新型去掉機械傳動的指針機構，采用電子感應式非接觸的位移檢測電路將壓力量產生的位移信號轉換成為電參量，徹底去除了傳動齒輪有間隙帶來的回滯誤差。傳統彈簧管式壓力表由于傳動齒輪的齒數和表盤指示刻度有限，顯示分辨率很低。本實用新型采用位移檢測電路將壓力量產生的位移信號轉換成為電參量，再將電參量轉換成數字量進行顯示，可將顯示分辨率提高一個數量級以上。現有的兩線制變送器受功耗限制在使用液晶顯示器時不能使用背光，這使得在光線不足時看不見顯示。本實用新型采用自身的輸出電流流過發光二級管產生了顯示背光， 保證在黑暗的環境下儀表的讀數仍清晰可見。該壓力變送器將傳統的彈簧管式壓力表用現代技術進行改造，成為一種低成本的智能壓力變送器。它與傳統的彈簧管式壓力表生產工藝基本一樣，但其功能與智能壓力變送器基本一樣，在工業壓力檢測和控制領域具有廣泛的用途。
以下結合附圖
和實例對本實用新型進一步說明。圖I是本實用新型彈簧管智能壓力變送器的結構圖；圖2是圖I中彈簧管和位移檢測電路的結構圖；圖3是圖I中電源供電和輸出電路的結構圖。圖中1、彈簧管；2、位移檢測電路；3、模擬/數字轉換電路；4、顯示器；5、微處理器；6、數字/模擬轉換電路；7、電壓供電和輸出電路。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特性進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。圖I是本實用新型實施例中彈簧管智能壓力變送器的結構圖。本實用新型實施例中該壓力變送器包括彈簧管I和位移檢測電路2，用于將彈簧管I壓力量產生的位移信號轉換成為電壓信號；模擬/數字轉換電路3，用于將位移檢測電路2檢測的電壓信號轉換為數字信號送至微處理器5 ;微處理器5用于接收模擬/數字轉換電路3的數字量，并將經處理后的信號輸送至顯示器4進行顯示，同時微處理器5產生數字/模擬轉換電路6所需的脈寬信號；數字/模擬轉換電路6，接收微處理器5產生的脈寬信號，將它轉換成為電壓信號；電壓供電和輸出電路7,由24V電壓供電并接受數字/模擬轉換電路6的輸出電壓信號產生4-20mADC電流信號輸出；彈簧管I與位移檢測電路2相連，位移檢測電路2與模擬/ 數字轉換電路3相連，模擬/數字轉換電路3與微處理器5相連，微處理器5分別與顯示器 4和數字/模擬轉換電路6連接，數字/模擬轉換電路6與電源供電和輸出電路7連接。本實施例中，在傳統彈簧管(又稱波登管)式壓力表的基礎上去掉機械傳動的指針機構，將壓力量產生的彈簧管位移信號通過位移檢測電路轉換成為電參量，通過測量電參量從而等效的測出壓力量的大小。電參量經A/D轉換、數字處理后進行數字顯示和 4-20mA直流電流信號輸出。其中，彈簧管I和位移檢測電路2將壓力量產生的位移信號通過位移檢測電路轉換成為電壓信號；模擬/數字轉換電路3將電壓信號轉換成數字量送入微處理器5 ；微處理器5對數字量進行處理后送顯示器4進行顯示同時送數字量到數字/模擬轉換電路6 ;數字/模擬轉換電路6接受微處理器5的數字量，轉換為電壓信號送輸出電路7成為4-20mA直流電流信號輸出。其中圖2是圖I中彈簧管I和位移檢測電路2。其核心就是一個由傳統彈簧管 (又稱波登管)構成的壓力檢測裝置。該位移檢測電路2包括兩個電感、四個電容、四個電阻和兩個三極管放大器；電感 H1、電容Cl和電感H2、電容C2構成兩組LC諧振回路，兩組LC諧振回路的共同節點接電源端V。。；兩組LC諧振回路分別與晶體管Tl和晶體管T2相接；在兩組LC諧振回路與晶體管 Tl和晶體管T2間并聯連接有基極偏置電阻Rl、R2和振蕩反饋耦合電容C3、C4 ;晶體管Tl 的基極與基極偏置電阻Rl和振蕩反饋耦合電容C3節點相連，晶體管Tl的集電極接第一 LC 諧振回路輸出端，晶體管Tl的發射極接電阻R3 ;晶體管T2的基極與基極偏置電阻R2和振蕩反饋耦合電容C4節點相連，晶體管T2的集電極接所述第二 LC諧振回路輸出端，晶體管 T2的發射極接電阻R4 ；電阻R3、R4節點接地。其原理是，氣體或液體介質的壓力量經引壓口送入C型彈簧管1，由于彈簧管I的微小變形，形成一定的環應力，此環應力會使彈簧管I向外延伸，由于彈性彈簧管I頭部封閉且沒有固定，其就會產生微小的變形，向外側伸展而產生位移，和彈簧管相連接的金屬片也產生相應的位移，此位移經位移檢測電路產生相應的電壓信號。(此部分主要的作用是將壓力量產生的位移信號轉換成為電壓信號)。在本實用新型中，為了能準確測量出彈簧管管頭的位移量，采用電子電路構成的位移檢測電路將壓力量產生的位移信號轉換成為電參量。電子式位移檢測電路是典型的自激型推挽振蕩電路，電路參數對稱，利用C型彈簧管管頭上連接的金屬片位移改變振蕩電路上電感覆蓋的磁通面積，從而產生的渦流損耗改變了電路的電流，改變的電流在電阻上所形成的電位差和金屬片的位移有確定的關系，等效的也就和被測的壓力量大小有著相對應的關系。位移檢測電路2是典型的自激型推挽振蕩電路，電路參數對稱。電路中Tl，T2晶體管用于振蕩回路放大；C1，C2，HI, H2是兩個參數一致的獨立LC諧振回路，RU R2為晶體管的基極偏置電阻，C3、C4為振蕩反饋耦合電容；R3、R4為每個支路的電流負反饋電阻，起穩定振蕩之用，同時也作為輸出信號的輸出點。振蕩器正常工作時，由于電路參數對稱，因此左和右臂支路電流II，12相等，則 R3，R4上壓降相等，輸出電壓Uout為零。由于電路中Cl，C2，HI, H2構成的LC諧振回路Q 值很高，所以諧振回路消耗能量很少，電源所補充的能量不需要很多就能維持振蕩，所以Il 和12電流相對是較小的數值。在C型彈簧管管頭上連接的金屬片在位移路徑上恰好覆蓋在Hl和H2電感各自的磁回路中，為了使位移傳感器具有最大的動態范圍，設計為當壓力輸入為零時金屬片偏向一支電感，比如H1，此時由于金屬片覆蓋了 Hl電感的磁通面積增加，金屬片產生的渦流損耗增加，LC諧振回路Q值降低，此時左半臂的振蕩損耗增加，由于電路負反饋穩定的作用， 更多的能量將補充到左半臂振蕩器中，此時Il電流增加，R3上的電壓降增大。同理，右半臂金屬片覆蓋的磁通面積減少，R4上的電壓降減少。當壓力增加時，金屬片向H2方向移動， R3上的電壓降減少，R4上的電壓降增加，那么R3與R4上的電壓降之差就和金屬片的位移有確定的關系，等效的也就和被測的壓力量大小有著相對應的關系。模擬/數字轉換電路3將位移檢測電路檢測2的電位差轉換為數字信號。A/D使用16位微功耗轉換芯片AD7171，精度及分辨力均滿足彈簧管智能壓力變送器的要求。微處理器5和顯示器4中微處理器5處理模擬/數字轉換電路3的數字量，送顯示器4進行顯示，微處理器5使用低功耗帶液晶驅動的微處理器(MSP430F41X)同時具有16 位PWM輸出，用于產生D/A所需的脈寬信號，顯示器4采用IXD液晶顯示器，帶白色背光。數字/模擬轉換電路6由有源二階低通濾波器構成，它接受微處理器5的PWM(脈沖調寬)信號將其轉換為電壓信號送輸出電路。該方法充分利用了微處理器PWM功能，做到了低成本、低功耗、高精度、高分辨力。圖3是圖I中電源供電和輸出電路7。它與兩線制變送器供電和輸出方式基本相同，由24V電壓供電并接受數字/模擬轉換電路6的輸出電壓信號產生4-20mA直流電流信號輸出。利用自身的輸出電流流過發光二級管產生了顯示背光，同時利用流過發光二級管產生的電壓降給其它電路進行供電。電源供電和輸出電路7包括24V電源正極與二極管Dl陽極連接；D1陰極與三極管T3發射極連接；T3集電極連接發光二極管LEDl陽極；LED1陰極連接LED2陽極，LED2陰極和電阻R7連接；R7連接到24V電源負級；電阻R7與誤差放大器Ul正極相連；三極管T3 集電極與發光二極管LEDl之間的節點與低壓差穩壓器LDO U2的IN端連接；低壓差穩壓器 U2的OUT端與前端電路相連；低壓差穩壓器U2與發光二極管LED2、電阻R7的節點端接地； 誤差放大器Ul通過電阻R6與三極管T3基極連接；誤差放大器Ul負極連接電阻R5與數字 /模擬轉換電路相連，與誤差放大器Ul來自D/A轉換電路的負極電壓信號平衡。本實用新型采取兩線制變送器的供電和輸出方式，利用自身的輸出電流流過發光二級管產生了顯示背光，同時利用流過發光二級管產生的電壓降給其它電路進行供電。供電和輸出電路由24V供電，輸出電流流過二極管Dl、三極管T3、發光二極管 LEDl、LED2和電阻R7，在電阻R7上產生的電壓降反饋至誤差放大器Ul與來自D/A轉換電路的電壓信號平衡使輸出電流穩定。輸出電流在發光二極管LEDl、發光二極管LED2產生的電壓降連接到低壓差穩壓器(LD0)U2的輸入端，低壓差穩壓器U2的輸出端產生穩定的電壓 V。。給前端電路供電。本實用新型輸出電路的特點是利用輸出回路的4_20mA直流電流信號在兩個串聯的發光二級管產生的電壓降供給LDO (低壓差穩壓器)，產生的穩定電壓供給前面的電路 (位移檢測、A/D、CPU、D/A)使用，它的優點是儀表在不消耗額外功耗情況下顯示帶有背光， 保證在黑暗的環境下儀表的讀數仍清晰可見。本實用新型的彈簧管智能壓力變送器是傳統技術與現代科技相結合的產物，它具有如下特點可靠性、精度、分辨力高使用傳統的彈簧管(波登管)做測壓敏感元件，經過了上百年時間和無數使用場合的考驗。采用數字處理技術使精度和分辨力高于普通指針壓力表的數倍。智能化功能除了同普通彈簧管壓力表可指示壓力外也可像兩線制變送器一樣輸出4_20mA直流電流。可方便的改變與輸出零點和滿度值對應的測量值，可調整顯示零點， 可方便的改變測量值的壓力顯示單位。顯示直觀、信息豐富采用IXD液晶顯示器取代指針指示，顯示直觀、信息豐富，可數字顯示測量的壓力值或輸出電流值，測量值的壓力單位，同時以棒圖顯示輸出的百分比
值等等。成本低只有使用電容或半導體傳感器的智能變送器幾分之一的價格。本實用新型非常適合彈簧管式壓力表的生產廠家提高現有產品的技術含量，增加產品附加值，具有廣泛的市場前景。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.彈簧管智能壓力變送器，包括彈簧管以及與彈簧管相連的位移檢測電路，其特征在于所述位移檢測電路與模擬/數字轉換電路相連，模擬/數字轉換電路與微處理器相連， 微處理器分別與顯示器和數字/模擬轉換電路連接，數字/模擬轉換電路與電源供電和輸出電路連接。
2.根據權利要求I所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述位移檢測電路包括兩個電感、四個電容、四個電阻和兩個三極管放大器；所述電感H1、電容Cl和電感H2、電容C2構成兩組LC諧振回路，兩組LC諧振回路的共同節點接電源端V。。；所述兩組LC諧振回路分別與晶體管Tl和晶體管T2相接；在兩組LC諧振回路與晶體管Tl和晶體管T2間并聯連接有基極偏置電阻R1、R2和振蕩反饋耦合電容C3、C4 ;所述晶體管Tl的基極與基極偏置電阻Rl和振蕩反饋耦合電容C3節點相連，晶體管Tl的集電極接所述第一 LC諧振回路輸出端，晶體管Tl的發射極接電阻R3 ;所述晶體管T2的基極與基極偏置電阻R2和振蕩反饋耦合電容C4節點相連，晶體管T2的集電極接所述第二 LC諧振回路輸出端，晶體管T2的發射極接電阻R4 ;所述電阻R3、R4節點接地。
3.根據權利要求I所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述模擬/數字轉換電路采用16位微功耗A/D轉換芯片AD7171。
4.根據權利要求I所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述中微處理器采用帶液晶顯示驅動的MSP430F41X ;微處理器連接有顯示器，所述顯示器采用帶白色背光的 IXD液晶顯示器。
5.根據權利要求I所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述電源供電和輸出電路包括24V電源正極與二極管Dl陽極連接；D1陰極與三極管T3發射極連接；T3集電極連接發光二極管LEDl陽極；LED1陰極連接LED2陽極，LED2陰極和電阻R7連接；R7連接到24V電源負級；電阻R7與誤差放大器Ul正極相連；所述三極管T3集電極與發光二極管 LEDl之間的節點與低壓差穩壓器LDO U2的IN端連接；低壓差穩壓器U2的OUT端與前端電路相連；低壓差穩壓器U2與發光二極管LED2、電阻R7的節點端接地。
6.根據權利要求5所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述誤差放大器Ul通過電阻R6與三極管T3基極連接。
7.根據權利要求5所述的彈簧管智能壓力變送器，其特征在于所述誤差放大器Ul負極連接電阻R5與數字/模擬轉換電路相連。
專利摘要本實用新型公開了一種用彈簧管做測壓敏感元件的兩線制智能壓力變送器(彈簧管智能壓力變送器)，包括彈簧管以及與彈簧管相連的位移檢測電路，所述位移檢測電路與模擬/數字轉換電路相連，模擬/數字轉換電路與微處理器相連，微處理器分別與顯示器和數字/模擬轉換電路連接，數字/模擬轉換電路與電源供電和輸出電路連接。本實用新型在傳統彈簧管(又稱波登管)式壓力表的基礎上去掉機械傳動的指針機構，將壓力量產生的位移信號通過位移檢測電路轉換成為電參量，通過測量電參量從而等效的測出壓力量的大小。電參量經A/D轉換、微處理器數字處理后進行數字顯示和4-20mA直流電流信號輸出。該彈簧管智能壓力變送器成本低，性能優越，具有廣泛的市場前景。
文檔編號G01L19/08GK202350971SQ20112047109
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者蘇航 申請人:西安傳思電子科技有限公司