一种变送器的制作方法

本发明涉及变送器设备技术领域，尤其是涉及一种电源通用性强，稳定可靠，抗干扰能力强、输出精度高，频率响应快，调试便捷，人机交互方便，滤波参数可调，输出信号种类多，适用范围广的变送器。

背景技术：

变送器广泛应用于但不限于拉力、压力、扭力、称重等力学测控系统中。传感器将力值信号转换为电压信号输出，经过变送器转变为可被控制器识别的0-5v，0-10v，0-20ma，4-20ma等标准信号。

目前市面上的变送器存在如下缺陷：

一、变送器设备上面没有实时交互的人机界面，在工业现场环境下技术人员无法从设备本身观察和获取到实时工作情况或者判断其是否运行正常。例如当前力值大小、波动幅值、动态频率变化等是否与目前工况相符。需要获取其信号参数则必须到远处的数据终端上读取，非常不便。

二、变送器滤波参数不能方便灵活的切换，无法满足不同用途的需要，通用性不强。变送器用在不同的应用环境需要有不同的参数性能要求。例如应用在测试拉伸强度、撕裂强度、破坏强度等拉力实验中需要变送器要有极高的频率响应能力用以支持高速采集测量系统捕捉其峰值信号；应用在畜牧业的牲畜称重则需要信号经过低通滤波后输出以获取稳定重量；应用在颠簸振动环境下的皮带输送带称重的变送器则需要工作在截止频率非常低的低通滤波，以获取稳定的重量信号。

三、现场调试的效率低，用户体验效果差，现场调试时往往需要花去较多的时间。很多变送器放大电路存在调节放大倍率时，零点会跟着发生偏移的情况。一旦放大倍率调节时零点也会跟着发生改变，技术人员需要重新调节零点，导致来回多次加载和卸载砝码进行调节，花费非常多的时间和产生非常多的工作量。

四、抗干扰能力差，变送器在工业现场环境应用往往与继电器，接触器等强电电气安装在同一个狭小的控制柜中。不少变送器中都有adc、mcu、dac芯片及电路，在现场干扰严重时往往会出现程序跑飞，死机等现象，无法适用于某些特殊环境下电磁干扰严酷恶劣的工况。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的变送器使用不便，用户体验效果差，抗干扰能力差的不足，提供了一种电源通用性强，稳定可靠，抗干扰能力强、输出精度高，频率响应快，调试便捷，人机交互方便，滤波参数可调，输出信号种类多，适用范围广的变送器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种变送器，包括依次电连接的开关电源电路、直流电源dc-dc电路、精密基准稳压电路和惠斯通电桥电路类型的传感器，依次电连接的传感器信号前端滤波电路、仪表放大器电路和输出滤波电路，与输出滤波电路的输出端电连接的0-20ma信号输出电路、0-5v信号输出电路和0-10v信号输出电路，与输出滤波电路的输出端电连接的输出百分比led显示电路；开关电源电路的输入端与220v交流电连接。

本发明的所有功能通过纯模拟电路实现，电路中没有mcu、adc、dac等电路，彻底解决同类产品的抗干扰和死机问题，并且采用模拟电路的好处是可以使变送器获得最快的响应频率。再加上便捷的人机界面和滤波设置等多功能的参数设置等优点，产品适用于各种不同的工况以及严苛电磁干扰工况条件工作。

本发明的变送器适用于220v交流电或者24v直流电源供电，宽电压设计接入方便，采用开关电源和dc-dc电源结构，电源转换效率高温升少，有效降低温升减少温漂效应，有利于提高系统的综合精度；3路输出端口可同时输出0-20ma，0-5v，0-10v信号；采用高精度仪表放大器电路，输出信号的零点调节与放大倍率调节电路设计为相互独立调节时互不影响，对现场调试人员带来极大的便捷体验，极大的降低了工作量；用户可以选择对输出信号进行滤波输出，多种滤波参数可选；输出带有人机界面led百分比显示电路，方便现场实时观察信号大小及动态显示；led百分比显示电路可选择不同显示模式，以匹配0-20ma与4-20ma输出时led显示对应的比例关系。

作为优选，还包括与仪表放大器电路电连接的多用途零点调节电路和多用途倍率调节电路。

作为优选，多用途零点调节电路包括电阻r29、电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、电阻r36、电阻r37、电阻r39、电阻r40、电阻r42、电阻r43、电阻r44、电阻r45、调零电位器vr2、拨码开关sw1e、拨码开关sw1g和运放u7b；拨码开关sw1e分别与电阻r32、电阻r36和电阻r37一端电连接，拨码开关sw1g分别与电阻r39、电阻r40和电阻r42一端电连接，运放u7b分别与电阻r43另一端、电阻r37另一端、电阻r45一端、电阻r40一端、电阻r31一端和电阻r33一端电连接，电阻r31另一端分别与电阻r29一端和电阻r30一端电连接，电阻r43、调零电位器vr2和电阻r44依次电连接。

作为优选，还包括与精密基准稳压电路的输出端电连接的反向电压泵电路，反向电压泵电路的输出端与传感器电连接。

作为优选，所述传感器信号前端滤波电路包括电阻r19、电阻r21、电阻r24和电阻r28，电容c14、电容c16和电容c17；电阻r21一端与电阻r19一端电连接，电阻r19另一端接地；电阻r21另一端分别与电容c14和电容c16一端电连接，电容c14另一端接地，电容c16另一端分别与电容c17和电阻r24一端电连接，电容c17另一端接地，电阻r24另一端与电阻r28一端电连接，电阻r28另一端接地。

作为优选，所述0-20ma信号输出电路包括电阻r22、电阻r26、电阻r27、电阻r25、电阻r18，运放u8a和运放u8b，二极管d6，电容c20，瞬态抑制二极管tvs1和三极管q2；运放u8a分别与电阻r22一端、电阻r26一端、电阻r27一端、电阻r18一端和三极管q2的基极电连接，运放u8b分别与电阻r27另一端、电阻r25一端和二极管d6正极电连接，二极管d6负极分别与电容c20和瞬态抑制二极管tvs1一端电连接，电阻r22、电容c20和瞬态抑制二极管tvs1另一端均接地，电阻r25和电阻r18的另一端均与三极管q2的发射极电连接。

作为优选，传感器通过输入保护电路与传感器信号前端滤波电路电连接。

作为优选，还包括与输出滤波电路电连接的滤波频率选择电路。

作为优选，还包括与输出百分比led显示电路电连接的百分比类型显示选择电路。

因此，本发明具有如下有益效果：适用于220v交流电或者24v直流电源供电，宽电压设计接入方便，采用开关电源和dc-dc电源结构，电源转换效率高温升少，有效降低温升减少温漂效应，有利于提高系统的综合精度；3路输出端口可同时输出0-20ma，0-5v，0-10v信号；采用高精度仪表放大器电路，输出信号的零点调节与放大倍率调节电路设计为相互独立调节时互不影响，对现场调试人员带来极大的便捷体验，极大的降低了工作量；用户可以选择对输出信号进行滤波输出，多种滤波参数可选；输出带有人机界面led百分比显示电路，方便现场实时观察信号大小及动态显示；led百分比显示电路可选择不同显示模式，以匹配0-20ma与4-20ma输出时led显示对应的比例关系。

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的开关电源电路左部的一种电路图；

图3是本发明的开关电源电路右部的一种电路图；

图4是本发明的直流电源dc-dc电路的一种电路图；

图5是本发明的精密基准稳压电路的一种电路图；

图6是本发明的反向电压泵电路的一种电路图；

图7是本发明的输入保护电路的一种电路图；

图8是本发明的传感器信号前端滤波电路的一种电路图；

图9是本发明的多用途倍率调节电路和仪表放大器电路的一种电路图；

图10是本发明的多用途零点调节电路的一种电路图；

图11是本发明的输出滤波电路和滤波频率选择电路的一种电路图；

图12是本发明的3个信号输出电路的一种电路图；

图13是本发明的输出百分比led显示电路和百分比类型显示选择电路的一种电路图；

图14是本发明的一种原理框图。

图中：开关电源电路1、直流电源dc-dc电路2、精密基准稳压电路3、传感器4、传感器信号前端滤波电路5、仪表放大器电路6、输出滤波电路7、0-20ma信号输出电路8、0-5v信号输出电路9、0-10v信号输出电路10、输出百分比led显示电路11、多用途零点调节电路12、多用途倍率调节电路13、反向电压泵电路14、滤波频率选择电路16、百分比类型显示选择电路17、变送器18、输入保护电路19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图14所示的一种变送器18，包括依次电连接的开关电源电路1、直流电源dc-dc电路2、精密基准稳压电路3和惠斯通电桥电路类型的传感器4，依次电连接的传感器信号前端滤波电路5、仪表放大器电路6和输出滤波电路7，与输出滤波电路的输出端电连接的0-20ma信号输出电路8、0-5v信号输出电路9和0-10v信号输出电路10，与输出滤波电路的输出端电连接的输出百分比led显示电路11；开关电源电路的输入端与220v交流电连接。

还包括与仪表放大器电路电连接的多用途零点调节电路12和多用途倍率调节电路13。

还包括与精密基准稳压电路的输出端电连接的反向电压泵电路14，反向电压泵电路的输出端与传感器电连接。

传感器通过输入保护电路19与传感器信号前端滤波电路电连接。还包括与输出滤波电路电连接的滤波频率选择电路16。还包括与输出百分比led显示电路电连接的百分比类型显示选择电路17。

如图10所示，多用途零点调节电路包括电阻r29、电阻r30、电阻r31、电阻r32、电阻r33、电阻r36、电阻r37、电阻r39、电阻r40、电阻r42、电阻r43、电阻r44、电阻r45、调零电位器vr2、拨码开关sw1e、拨码开关sw1g和运放u7b；拨码开关sw1e分别与电阻r32、电阻r36和电阻r37一端电连接，拨码开关sw1g分别与电阻r39、电阻r40和电阻r42一端电连接，运放u7b分别与电阻r43另一端、电阻r37另一端、电阻r45一端、电阻r40一端、电阻r31一端和电阻r33一端电连接，电阻r31另一端分别与电阻r29一端和电阻r30一端电连接，电阻r43、调零电位器vr2和电阻r44依次电连接。

如图8所示，传感器信号前端滤波电路包括电阻r19、电阻r21、电阻r24和电阻r28，电容c14、电容c16和电容c17；电阻r21一端与电阻r19一端电连接，电阻r19另一端接地；电阻r21另一端分别与电容c14和电容c16一端电连接，电容c14另一端接地，电容c16另一端分别与电容c17和电阻r24一端电连接，电容c17另一端接地，电阻r24另一端与电阻r28一端电连接，电阻r28另一端接地。

如图12所示，0-20ma信号输出电路包括电阻r22、电阻r26、电阻r27、电阻r25、电阻r18，运放u8a和运放u8b，二极管d6，电容c20，瞬态抑制二极管tvs1和三极管q2；运放u8a分别与电阻r22一端、电阻r26一端、电阻r27一端、电阻r18一端和三极管q2的基极电连接，运放u8b分别与电阻r27另一端、电阻r25一端和二极管d6正极电连接，二极管d6负极分别与电容c20和瞬态抑制二极管tvs1一端电连接，电阻r22、电容c20和瞬态抑制二极管tvs1另一端均接地，电阻r25和电阻r18的另一端均与三极管q2的发射极电连接。

220v交流电经过开关电源电路转换为直流24v，输出给dc-dc电路。本电路的开关电源采用宽电源设计，支持85～265vac输入，并且具有输出过流保护和短路保护；

如图2、图3所示，直流电源dc-dc电路为双电源供电，其一可以从开关电源输出的24v取电，其二也可以从外部提供直流24v取电。dc-dc电路采用宽电压设计，支持dc15～36v输入，并且具有输出过流保护和短路保护。双电源的好处是可以方便现场取电，直流24v或交流220v都可以作为本变送器的电源。

直流电源dc-dc电路将24v降压后输出给精密基准稳压电路，以及其他相关电路作为电源；精密基准稳压电路输出高精度5v电压作为传感器的激励电源，同时作为相关电路中的参考基准。

如图10所示，传感器信号连接前端滤波电路。滤波电路采用rc组合式低通滤波器来过滤输入信号的高频噪声，通过r21、r24、c14、c16、c17的参数组合可以匹配出不同截止频率的低通滤波器。为了保证对滤波的对称性有如下关系，r21＝r24，c14＝c16＝c17。电阻r19和r28的作用是输入信号下拉电阻，其作用是在变送器未接传感器信号时，通过下拉电阻使输入信号为零。防止在未接入传感器信号时，变送器信号输入端悬空而造成输出值飘忽不定。此功能增加了系统的稳定性，有利于提升技术人员调试时的使用体验。前端滤波电路连接了瞬态抑制二极管tvs2、tvs3、tvs4作为信号输入的保护器件。

传感器信号通过前端滤波电路到仪表放大器电路。仪表放大器芯片u6为精密仪表放大器ad620或ad623或与其等效的电路，其主要性能为高放大倍数，高共模抑制比，高响应频率，低输入失调，低输入噪声，低温漂等，具体参数见其数据手册。

如图8所示，多用途零点调节电路负责为仪表放大器提供多种零点调节和偏置。其电路由r29、r30、r31、r32、r33、r36、r37、r39、r40、r42、r43、r44、r45、vr2、拨码开关sw1e、拨码开关sw1g、运放u7b构成。通过调节调零电位器vr2可以改变u7b同向输入端电压值从而实现调节零点输出。通过改变拨码开关sw1g状态可以大幅度的改变u7b同向输入端电压值从而实现更大幅度的调节零点输出。r39、r42为精密电阻分压电路，设计用来为后面的4-20ma信号转换电路提供精确的零点偏置。当变送器工作选择工作在4-20ma模式时，此电路可以为输出零点4ma电流提供一键偏置，只需要切换sw1g拨码开关位置就可以轻松实现4ma零点电流输出。sw1g拨码开关的另一个位置就可以轻松实现0ma零点电流输出。所以sw1g拨码开关对于用户而言其功能是实现0-20ma和4-20ma的切换选择。此功能同样适用于本变送器的0-5v和1-5v输出的切换选择，0-10v和2-10v输出的切换选择；r32、r36同样为精密电阻分压电路，设计用来为提供负的零点偏置，通过改变拨码开关sw1e状态可以大幅度的改变u7b反向输入端电压值，从而实现较大幅度的朝负电压方向调节零点输出。其电路设计目的是为了起到抵消皮重的作用。

称重传感器在某些场合需要安装在重型承载台面底下，即使空载时也需要承载着重型台面构架的重量。对应此重量的输出信号可能比较大，大到调零电位器旋到底都无法抵消掉，最终导致无法输出正确的零点。此时设置拨码开关sw1e可以产生一个负的零点信号用来抵消台面构架重量的正零点信号，然后稍加调整电位器就可以输出一个完美的零点。所以sw1e拨码开关对于用户的功能是实现去大皮重的功能。拨码开关sw1e功能解决了大皮重零点信号超宽范围调节的问题，使得与零点调节范围与电位器细腻微调功能完美结合。并且电位器和拨码开关都设计在变送器前面板上，方便用户直接调试。

如图9所示，多用途倍率调节电路负责为仪表放大器提供放大倍率调节和选择。其电路由电阻r16、r17、r20、电位器vr1、拨码开关sw1a构成。仪表放大器u6的第1脚与第8脚间的放大倍率调节电路等效后的阻值为rg，仪表放大器放大倍率为g＝(49.4k/rg)+1。通过调节电位器vr1可以达到改变阻值rg的目的，从而改变放大倍率g。通过改变拨码开关sw1a状态可以短路r17，使得阻值rg能得到更大范围的变化，让仪表放大器获得更宽放大倍率g。通过这种设计可以让变送器通过电位器和拨码开关sw1a的组合，来实现放大倍率微量调节与宽范围调节完美结合。并且电位器和拨码开关都设计在变送器前面板上，方便用户直接调试。

仪表放大器电路将放大后的信号送至输出滤波电路；输出滤波电路由电阻r23、电容c22、c23、c24、c25、拨码开关sw1b、sw1c、sw1d、sw1f、运放u7a构成。r23通过拨码开关选择连接电容c22、c23、c24、c25构成一个rc低通滤波电路，滤波信号通过运放u7a输出。其理论公式为：截止频率f＝1/(2πrc)。本电路设计有四路拨码开关sw1b、sw1c、sw1d、sw1f可以产生16种rc组合，即可以通过改变拨码开关位置产生16种截止频率。通过以往经验归类总结后计算选择电阻值r23和电容值c22、c23、c24、c25，使其16种滤波组合能够覆盖和适用于多用途，多种应用环境的参数性能要求。并且拨码开关都设计在变送器前面板上，方便用户直接调试。

如图11所示，输出滤波电路输出信号送至0-20ma信号输出电路，实现电压信号转换成电流信号输出。0-20ma信号输出电路由电阻r18、r22、r25、r26、r27、运放u8a、u8b、三极管q2、二极管d6、电容c20、瞬态抑制二极管tvs1构成。二极管d6的作用是防止外界高压产电流倒灌，起到保护运放u8b作用，tvs1作为电流信号输出端口的保护器件。

输出滤波电路输出信号送至0-5v信号输出电路，实现电压信号放大输出。0-5v信号输出电路由电阻r34、r35、r38、r41、运放u9a、三极管q3、q4电容c26、瞬态抑制二极管tvs5构成。两个三极管组成推挽式输出，可以输出正负电压信号。tvs5作为电压信号输出端口的保护器件。

输出滤波电路输出信号送至0-10v信号输出电路，实现电压信号放大输出。0-10v信号输出电路由电阻r46、r47、r48、r49、运放u9a、三极管q5、q6电容c28、瞬态抑制二极管tvs6构成。两个三极管组成推挽式输出，可以输出正负电压信号。tvs6作为电压信号输出端口的保护器件。

如图13所示，输出滤波电路输出信号送至输出百分比led显示电路；输出百分比led显示电路通过10个运放比较电路去控制10个led灯，10个运放的反向输入端的电压分别为ref电压值10％～100％，当运放的同向输入端电压大于反向输入端时，运放输出正电压点亮led灯。百分比led显示电路由电阻r50、r51、r52、r53、r54、r55、r56、r57、r58、r59、r60、r61、r62、r63、r64、r65、r66、r67、r68、r69、r70、r71、r72、r73、r74、拨码开关sw1h、运放u10a、u10b、u10c、u10d、u11a、u11b、u11c、u11d、u12a、u12b、u12c、u12d、发光二极管d7、d8、d9、d10、d11、d12、d13、d14、d15、d16构成。r50和r51分压得到一个参考电压ref，并通过运放u12c电压跟随器电路输出ref。ref电压值经过电阻r53、r55、r57、r59、r61、r64、r66、r68、r70、r72、拨码开关sw1h(r62被短路)串联电路分压，分出10个电压值，对应输出0-20ma模式参考比较电压值的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，分别送至运放u10a、u10b、u10c、u10d、u11a、u11b、u11c、u11d、u12a、u12b的反向输入端作为百分比的比较电压。滤波电路输出信号uo通过运放u12d电压跟随器电路输出分别送至运放u10a、u10b、u10c、u10d、u11a、u11b、u11c、u11d、u12a、u12b的同向输入端，当运放的同向输入端大于反向输入端时，运放输出正电压点亮led灯。其显示效果为：

输出0.0ma即0％时，led灯全熄灭；

输出2.0ma即10％时，点亮d16；

输出4.0ma即20％时，点亮d16、d15；

输出6.0ma即30％时，点亮d16、d15、d14；

输出8.0ma即40％时，点亮d16、d15、d14、d13；

输出10.0ma即50％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12；

输出12.0ma即60％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11；

输出14.0ma即70％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10；

输出16.0ma即80％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9；

输出18.0ma即90％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9、d8；

输出20.0ma即100％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9、d8、d7；

输出百分比led显示电路为实时同步显示，根据输出信号的大小，点亮对应百分比led灯；当输出信号大小快速变化时，led灯也同步快速变化。方便技术人员现场观察信号变化的大小和变化速度的快慢，直观的显示效果为现场调试和排除故障提供帮助。输出百分比led灯在透过变送器前面板显示，方便用户观察。

当变送器输出4ma电流信号时，如果工作模式为0-20ma输出则应点亮对应10％和20％的led灯d16、d15；如果工作模式为4-20ma输出则没有对应的led灯点亮。百分比类型显示选择电路的作用就是为百分比led显示电路提供相应的设置，使其按不同工作模式正确地显示点亮led。通过设置拨码开关sw1h工作在断开状态，则ref电压值经过电阻r53、r55、r57、r59、r61、r64、r66、r68、r70、r72、r62(拨码开关sw1h断路状态)串联电路分压，分出10个电压值。由于有了r62电阻的参与，此时的10个电压值则是对应4-20ma模式参考比较电压值的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，分别送至运放u10a、u10b、u10c、u10d、u11a、u11b、u11c、u11d、u12a、u12b的反向输入端作为百分比的比较电压。此时其显示效果为：

输出4.0ma即0％时，led灯全熄灭；

输出5.6ma即10％时，点亮d16；

输出7.2ma即20％时，点亮d16、d15；

输出8.8ma即30％时，点亮d16、d15、d14；

输出10.4ma即40％时，点亮d16、d15、d14、d13；

输出12.0ma即50％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12；

输出13.6ma即60％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11；

输出15.2ma即70％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10；

输出16.8ma即80％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9；

输出18.4ma即90％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9、d8；

输出20.0ma即100％时，点亮d16、d15、d14、d13、d12、d11、d10、d9、d8、d7；

本发明的变送器通过拨码开关sw1h的切换，实现0-20ma和4-20ma输出的led比例显示切换，本发明的显示切换同样适用于0-5v与1-5v、0-10v与2-10v的显示切换。并且拨码开关都设计在变送器前面板上，方便用户直接调试。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。