CN102162740B - 一种变送器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种变送器包括外接电位器、基准电源、桥路、滤波消抖电路、电压放大电路、零位调节及量程控制、电压-电流转化电路、保护电路、滤波电路、电源瞬态抑制和温度补偿、电源稳压及信号输出、电路印制板。工作机理是通过电缆将电源和采集卡与传感器连接上；开通电源，通过钢丝拉绳调节量程值为最小，使电流输出为4.000mA；通过钢丝拉绳调节量程值为最大，输出电流为20.000mA。本发明传采用了基于电位器设计的线位移变送器，分辨率可以做到无限，电路通用性好，驱动能力强，克服了其它变送器由于发热而导致工作性能降低的弱点，可以在恶劣环境下工作。***结构简单紧凑，可靠性高，维护简单，适应各种复杂的环境，抗干扰能力强。

Description

一种变送器

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，涉及一种适合各种量程及温度的变送器。

背景技术

传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和换能元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则成为变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。

早期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，这是运放直接输出，信号功率＜0.05W，通过模拟/数字转换电路转换成数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差，线路损耗破坏了精度等等缺点，

目前，市场上的变送器主要有德国的米铱公司和ASM公司的系列位移变送器，外观漂亮，机械性能良好，但在实际使用过程中，发现其电路设计中存在缺陷，负载驱动能力不强，长期在较大量程工作时，会出现过热现象，影响测量精度，减少传感器寿命，降低传感器的稳定性和抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的：在于克服现有技术中的存在的问题与不足，提供一种性价比高、精度高、可靠性高，抗干扰力强的变送器。

本发明的技术方案是：实现上述发明目的的技术方案是一种基于模拟电路测量的变送器，其技术方案是：

一个桥路，采用51Ω阻值桥路测量电位器阻值变化，用于得出电压变化增量。基准电压由U1XTR115提供，接地时串接一个51Ω电阻器，起到限流作用；

一个滤波消抖电路，用于过滤信号和提高***的抗干扰性，也起到消除电位器抖动带来的误差；

一个电压放大电路，用于把微弱变化有用信号进行放大处理，确保测量的准确性；

一个零位调节及量程控制，用来调节信号零位和控制量程；

一个电压-电流转换，用于把电压信号转换为抗干扰力更强的电流信号，同时提供采集基准电源电路；

一个保护电路，对整个电路起到保护作用；

一个滤波电路，用于过滤电源和提高***的抗干扰性；

一个电源稳压及信号输出，用于稳定供电电源和信号输出；

一个电路印制板，用于承载电路元件和连线，减少电磁干扰并降低敏感度的关键部分。

其中，桥路由电阻R1、R4、及电位器X3组成。电阻R1分别与电阻R4、R8、电容C1、电感L1相连接，电阻R4分别与电阻R1、R3、R8、电容C2、电感L2相连接。电位器X3的第1端连接电感L1的一端，电位器X3的第3端连接电感L 3的一端，电位器X3的第2端连接电感L2的一端。

所述的滤波消抖电路是：电感L1的一端、电容C1的一端与电阻R1的一端连接；电感L2的一端与电容C1的另一端、电容C2的一端、电阻R3的一端、R4的一端连接；电感L3的一端与电容C2的另一端相连接、电阻R3的另一端连接至放大器U2TLV2231的第1管脚，电阻R2的一端连接至放大器U2 TLV2231的第2管脚，电阻R2的一端与电位器X2的第3端相连并连接至U1 XTR115的第3管脚。

所述的电压放大电路是：电阻R3的一端与放大器U2 TLV2231第1端连接，放大器U2 TLV2231的第2端与电容C5的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端、电位器X2的第3端、U1 XTR115的第3端连接，放大器U2TLV2231的第3端与电容C4的一端、电阻R5的一端、电阻R6的一端连接，放大器U2 TLV2231的第4端分别与电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电位器X1的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第5端分别与电容C5的另一端、U1 XTR115的第3端连接。

所述的零位调节及量程控制是：电位器X1的第3端与放大器U2 TLV2231的第4端相连接、电位器X1的第1端与电阻R7的一端、电位器X1的第2端相连接；电位器X2的第1端分别与电阻R8的一端、R1的一端、R4的一端相连，电位器X2的第3端分别与U1 XTR115第3端、电阻R2的一端、电容C3的一2端、放大器U2 TLV2231的第2端相连接。

所述的电压-电流转换是：U1 XTR115第1端分别与电位器X2的第1端、电阻R1的一端、R4的一端、R8的一端、电位器X2的第1端相连接，U1 XTR115第2端分别与电阻R7的一端、R8的另一端相连接，U1 XTR115第3端分别与电位器X2的第3端、电阻R2的一端、电容C3的一端、放大器U2 TLV2231的第2端相连接，U1 XTR115的第6端与三极管Q1的基极相连接，U1 XTR115第7端分别与三极管Q1的集电极、二极管D2的阴极相连接，U1 XTR115第4端与电感L5的一端、电容C6的一端相连接，U1XTR115第8端与放大器U2的第5端、电容C5的一端相连接，U1 XTR115第5端与三极管Q1的发射极相连接。

所述的保护电路是：二极管D2阳极分别于电感L4的一端、电容C6的一端相连接，D2的阴极与U1 XTR115第7端、三极管Q1的集电极相连接。

所述的滤波电路是：滤波电路由电感L4、L5、电容C6组成，电感L4的一端分别与电容C6的一端、二极管D2的阳极连接，电感L5的一端与电容C6的另一端、U1 XTR115的第4端相连接。

所述的电源稳压及信号输出是：稳压二极管D1的阴极分别连接电感L4的另一端和电源的正极，稳压二极管D1的阳极分别连接电感L5的另一端和电源的负极。

所述的电路印制板是：

当电路处理的信号频率在几百KHZ以上时，高速电路的印制板需要多层结构。在多层结构中嵌入金属平板(地层、电源层)具有良好的干扰镜像多消作用。电路印制板的分区设计对降低电磁干扰起着重要作用，按照功能、器件布局、电源、参考地分区，将数字与模拟电路分开，高速和低速信号分开，高功率和低功率分开。器件布局尽量避免信号长距离传输。减小信号环路面积，减低公共地高频信号耦合干扰。

从信号互连的角度出发，线型的合理选择、屏蔽层处理和走线布置是提高电磁兼容性的关键。按照强、弱、模拟、数字信号特性分组布置设计。输入电源滤波器对***电磁干扰的发射、敏感特性有重要影响，选用反射式低通电源滤波器，依据经验数据和1.5倍功率余量的原则对电缆和电源进行一体化的负载匹配、容量和布局设计，以达到有效抑制干扰信号传入和衰减***内的干扰传出的目的。

本发明的有益效果是：由于该变送器***采用了基于电位器设计的线位移变送器，分辨率可以做到无限，电路通用性好，精度高，驱动能力强。克服了其它传感器在大量程时，由于发热而导致工作性能降低的弱点，可以在恶劣环境下工作。***结构简单紧凑，可靠性高，维护简单，适应各种复杂的环境，抗干扰能力强。

附图说明

图1是***框图；

图2是电路原理图。

具体实施例

下边结合图1、图2具体说明本发明的***连接关系、电路连接关系及其工作原理、电磁兼容性及抗干扰力设计、变送器的封装。

参见图1说明***连接关系依次是：桥路1、滤波消抖电路2、电压放大电路3、零位调节及量程控制4、电压-电流转换电路5、保护电路6、滤波电路7、电源瞬态抑制和温度补偿8及电源稳压及信号输出9。其中电压-电流转换电路5反馈至桥路1。

其中U1XTR115的第6端与三极管Q1的基极相连接，7端通过三极管Q1、二极管D2、电感L4与电源正极相连，4端通过电感L5与电源负极相连，8端与放大器U2TLV2231的第5端、电容C5的一端相连，2端与电阻R7的一端相连接，3端为***地线。

本发明的高精度、高可靠性变送器工作过程：

变送器是依据电阻器阻值变化比照电压或电流值和位移大小的线性关系而设计的测量装置。变送器电路中最重要的测量参数之一是总体电路的精确度(或误差)。工作机理是通过电缆正确的将电源和采集卡与变送器连接上；开通电源，调节电位器X2确定零位，通过钢丝拉绳即调节电位器X3，调节量程值为最小，使电流输出为4.000mA；通过钢丝拉绳即调节电位器X3，调节量程值为最大，使电流输出为20.000mA；最后进行反复试验调试评估变送器准确度，线性度，重复性。

电磁兼容性及抗干扰力的实施过程：当电路处理的信号频率在几百KHZ以上时，高速电路的印制板需要多层结构。在多层结构中嵌入金属平板(地层、电源层)具有良好的干扰镜像多消作用。电路印制板的分区设计对降低电磁干扰起着重要作用，按照功能、器件布局、电源、参考地分区，将数字与模拟电路分开，高速和低速信号分开，高功率和低功率分开。器件布局尽量避免信号长距离传输。减小信号环路面积，减低公共地高频信号耦合干扰。

从信号互连的角度出发，线型的合理选择、屏蔽层处理和走线布置是提高电磁兼容性的关键。按照强、弱、模拟、数字信号特性分组布置设计。输入电源滤波器对***电磁干扰的发射、敏感特性有重要影响，选用反射式低通电源滤波器，依据经验数据和1.5倍功率余量的原则对电缆和电源进行一体化的负载匹配、容量和布局设计，以达到有效抑制干扰信号传入和衰减***内的干扰传出的目的

为了增强电路的实用性，器件布设采用两面分别安装，巧妙利用机壳作为部分器件的散热器件，效率高，重量轻。可以使印制板做得最小。

在布线方面，力求电源线和信号线宽一些，焊盘和过孔大一些。

地线处理。地线处理的好坏，直接影响***的稳定性。在本***中，把屏蔽地和***地在板卡上分开。这样的好处是减少外部的干扰。

电路和印制板定型后，封装相当关键，采用印制板专用绝缘漆刷涂板卡，烘干定型，再用硅胶粘涂器件表面，并与机械部分粘接，通过电缆连接件固定在机壳上。

参见图2来说明本发明的变送器电路的连接关系。

外接电位器：电位器X3的第1端连接电感L1的一端，电位器X3的第3端连接电感L3的一端，电位器X3的第2端连接电感L2的一端。

滤波消抖电路：电感L1的一端、电容C1的一端与电阻R1的一端连接；电感L2的一端与电容C1的另一端、电容C2的一端、电阻R3的一端、R4的一端连接；电感L3的一端与电容C2的另一端相连接、电阻R3的另一端连接至放大器U2 TLV2231的第1管脚，电阻R2的一端连接至放大器U2TLV2231的第2管脚，电阻R2的一端与电位器X2的第3端相连并连接至U1 XTR115的第3管脚。

桥路：桥路由电阻R1、R4、及电位器X3组成。电阻R1分别与电阻R4、R8、电容C1、电感L1相连接，电阻R4分别与电阻R1、R3、R8、电容C2、电感L2相连接。电位器X3的第1端连接电感L1的一端，电位器X3的第3端连接电感L3的一端，电位器X3的第2端连接电感L2的一端。

电压放大电路：电阻R3的一端与放大器U2 TLV2231第1端连接，放大器U2TLV2231的第2端与电容C5的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端、电位器X2的第3端、U1XTR115的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第3端与电容C4的一端、电阻R5的一端、电阻R6的一端连接，放大器U2 TLV2231的第4端分别与电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电位器X1的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第5端分别与电容C5的另一端、U1 XTR115的第3端连接。

零位调节及量程控制：电位器X1的第3端与放大器U2 TLV2231的第4端相连接、电位器X1的第1端与电阻R7的一端、电位器X1的第2端相连接；电位器X2的第1端分别与电阻R8的一端、R1的一端、R4的一端相连，电位器X2的第3端分别与U1 XTR115第3端、电阻R2的一端、电容C3的一2端、放大器U2 TLV2231的第2端相连接。

一个电压-电流转换：U1 XTR115第1端分别与电位器X2的第1端、电阻R1的一端、R4的一端、R8的一端、电位器X2的第1端相连接，U1 XTR115第2端分别与电阻R7的一端、R8的另一端相连接，U1 XTR115第3端分别与电位器X2的第3端、电阻R2的一端、电容C 3的一端、放大器U2 TLV2231的第2端相连接，U1 XTR115的第6端与三极管Q1的基极相连接，U1 XTR115第7端分别与三极管Q1的集电极、二极管D2的阴极相连接，U1 XTR115第4端与电感L5的一端、电容C6的一端相连接，U1 XTR115第8端与放大器U2的第5端、电容C5的一端相连接，U1 XTR115第5端与三极管Q1的发射极相连接。

一个保护电路：二极管D2阳极分别于电感L4的一端、电容C6的一端相连接，D2的阴极与U1 XTR115第7端、三极管Q1的集电极相连接。

滤波电路：滤波电路由电感L4、L5、电容C6组成，电感L4的一端分别与电容C6的一端、二极管D2的阳极连接，电感L5的一端与电容C6的另一端、U1 XTR115的第4端相连接。

电源稳压及信号输出：稳压二极管D1的阴极分别连接电感L4的另一端和电源的正极，稳压二极管D1的阳极分别连接电感L5的另一端和电源的负极。

Claims (1)

1.一种变送器，包括外接电位器、基准电源、桥路(1)、滤波及消抖电路(2)、电压放大电路(3)、零位调节及量程控制电路(4)、电压—电流转换电路(5)、保护电路(6)、LC滤波电路(7)、电源瞬态抑制和温度补偿电路(8)、电源稳压电路及信号输出电路(9)、电路印制板(10)，其特征在于，包括：

一个桥路（1），采用51Ω阻值桥路测量电位器阻值变化，基准电压由U1 XTR115提供，接地时串接一个51Ω电阻器；

一个滤波及消抖电路（2）；

一个电压放大电路（3）；

一个零位调节和量程控制电路（4）；

一个电压—电流转换电路（5）；

一个保护电路（6）；

一个LC滤波电路（7）；

一个电源瞬态抑制和温度补偿电路（8）；

一个电源稳压电路及信号输出电路（9）；

一个用于承载电路元件和连线，减少电磁干扰并降低敏感度的电路印制板（10）；

所述的电压放大电路（3）是：电阻R3 的第 1端与放大器U2 TLV2231第1端连接，放大器U2 TLV2231的第 2端与电容C5的第1端、电容C3的第2端、电阻R2的第2端、电位器X2的第3端、U1 XTR115的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第 3端与电容C4的一端、电阻R5的一端、电阻R6的一端连接，放大器U2 TLV2231的输出端4分别与电容C4的另一端、电阻R5的另一端、电位器X1的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第 5端分别与电容C5的第2端、U1 XTR115的第3端连接，放大器U2 TLV2231的第 5端分别与电容C5的一端、电阻R1、R4、R8连接；

所述的电压—电流转换电路（5）是： U1 XTR115第1端分别与电位器X2的第1端、电阻R1的第2端、R4的第2端、R8的一端、电位器X2的第1端相连接，U1 XTR115第2端分别与电阻R7、R8的另一端相连接，U1XTR115第3端分别与电位器X2的第3端、电阻R2的第2端、电容C3的一端、放大器U2 TLV2231的第2端相连接， U1 XTR115的输出端6与三极管Q1的基极相连接， U1 XTR115第7端分别与三极管Q1的集电极、二极管D2的阴极相连接， U1 XTR115第4端与电感L5、电容C6的一端相连接， U1 XTR115第8端与放大器U2的第5端、电容C5的第2端相连接， U1 XTR115第5端与三极管Q1的发射极相连接；

组成电路的连接关系依次是：桥路(1)、滤波及消抖电路(2)、电压放大电路(3)、零位调节和量程控制电路(4)、电压-电流转换电路(5)、保护电路(6)、LC滤波电路(7)、电源瞬态抑制和温度补偿电路(8)及电源稳压电路及信号输出电路(9)，其中电压-电流转换电路(5)反馈至桥路(1)。

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