专利名称：液位压力真空仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于压力液位真空度多参数测试仪表，尤其是涉及采用单片机控制的智能化仪表。
随着我国航天技术和国民经济的不断发展，称为“工业血液”的低温液体(液氧、液氮、液氩、液体二氧化碳)需求量与日巨增，由于这些低温液体(除液体二氧化碳外)佛点温度均在-180℃以下，要长期保存这些低温液体，必须采取具有最佳绝热方式并安全可靠的低温液体贮存设备。目前国内外广泛采用的双层金属压力容器作为低温液体贮存设备，容器绝热方式为真空粉末绝热或真空多层绝热。低温液体贮存过程中，分为低温液体进入低温容器；在低温容器内贮存；从低温容器排出三个过程。由于低温液体价格较为昂贵，故对低温液体进出低温容器时精确计量十分重要。从容器排出低温液体是采用升高容器内压力，强迫低温液体从低温容器排出。低温液体排出低温容器过程中，对容器压力的监测，对保证低温容器使用安全及操作人员人生安全也十分重要。低温液体在低温容器的保存是依靠低温容器夹层真空度来保证的，因而监测容器夹层真空度的变化很有必要。
长期以来，对低温液体容器液位、压力、真空监测采用的仪表及配套阀门在安装使用等方面存在着诸多缺陷和不足。1、液位、压力均采用单独的指针机械式仪表，读数不精确。液位仪采用mmH2O水位表，读数后要与所测低温液体的比重进行运算转换成所测低温液体的液位，然后用手工计算法或查表法换算出液体容积，过程繁锁，累积误差大。2、由于液位的测量采用差压方式(P=γH)测量，要液位仪正确使用，如
图1所示必须正确操作液位仪上、下阀V1、V2及平衡阀V3三只截止阀。正确使用时，液位仪上、下阀V1、V2打开，平衡阀V3关闭。若在使用时，液位仪上、下阀中一只阀关闭，一只阀打开，将对液位仪传感器形成单面受压，损坏传感器或降低传感器寿命。操作人员操作三只截止阀时，也常操作失误。损坏液位仪传感器时有发生。管路上还设置了一只压力表阀。实际中，液位仪、压力表、四只截止阀安装在一面小型仪表盘上。实际使用中，由于阀门管路中存在较多接头，安装检漏不当时，阀门与管路间接头常产生微小压力泄漏，液位仪就读数不稳，指示飘移，产生测量误差。3、低温液体容器真空度测量采用台式指针式真空仪测量。真空仪置于室内，测量真空度时才拿到室外使用，容器真空度不能随时监测。真空度变化时，不能立即采取措施。测量真空度时，还要接一交流电源线，测量过程较为繁琐。
本实用新型目的在于针对现有技术的缺点及不足，提供一种液位压力真空仪，它是采用单片机控制、LED数码显示的多参数测量仪表。
本实用新型通过以下设计实现一种液位压力真空仪，主要由四通阀、液位压力复合传感器以及与该传感器信号输出端连接、对其输出信号进行处理而顺次级联的多路开关、放大器、A/D转换器、微控制器单元、LED数码显示电路所组成；所述四通阀由阀体和置于阀体内腔、与之转动配合的阀芯组成；该阀体上开设有与阀体内腔相连通的两个压力入口和两个压力出口；该阀芯上开设有两个通孔，通孔设置在一对压力入口和压力出口二者与阀体内腔的连通口之间，在阀芯处于同一转动位置下，另一通孔设置在另一对压力入口和压力出口二者与阀体内腔的连通口之间；该复合传感器由开设有压力进口的左腔室部件和开设有压力进口的右腔室部件相靠接构成，差压芯片设置在左、右腔室气体通道之间，并将其分隔，压力芯片设置在右腔室内；该四通阀的两个压力出口分别与复合传感器的两个压力进口相连通。
所述多路开关的一个输入端与真空传感器的输出端连接。
根据以上结构，将低温液体容器上高压和低压信号P1、P2接入四通阀两个入口，四通阀两个出口接入所述液位压力复合传感器两个入口，并且，将复合传感器输出的差压及压力信号与真空传感器(通常采用热偶规管)的真空信号接入多路开关，经放大，A/D转换，微控制器单元最后由LED数码显示电路将监测对象--低温液体容器的三个测量参数直接显示出来。其优越性在于测量精度高(测量数据由微机运算处理，数字式显示)；结构简单(减少两只仪表、三只阀门、一面小型仪表盘)；安装方便(四通阀与仪表合为一体，现场只需将容器上高低压力信号引入四通阀入口即可)；减少了气路管路上泄漏点，提高了低温液体容器仪表系统的稳定性。
以下结合附图对本实用新型加以说明图1是现有低温液体容器的仪表系统示意图；图2是改进后低温液体容器仪表系统示意图；图3是本实用新型四通阀剖面图；图4是图3所示四通阀沿A-A线的剖面图(阀门开启即两组进出口同时连通状况)；图5是本实用新型液位压力复合传感器剖面图6是本实用新型仪表面板图；图7图8分别是本实用新型电原理框图和电路图。
由图1图2对比可见，本实用新型采用四通阀取代原有V1、V2、V3、V4四只阀门，将原有液位仪、压力表、真空仪三种仪表合为一体。
图3图4示出，四通阀主要由阀体1a，阀芯2a，手柄3a构成，阀芯置于阀体内腔、与之转动配合。阀体上开设有与阀体内腔相连通的两个压力入口4a、6a和两个压力出口5a、7a。阀芯上开设有两个通孔8a、9a。通孔8a设置在压力入口4a和压力出口5a二者与阀体内腔的连通口之间，在阀芯处于同一转动位置下，通孔9a设置在压力入口6a和压力出口7a二者与阀体内腔的连通口之间，即是，当阀芯转动处于某一特定位置时，通孔8a将压力入口4a和压力出口5a连通，同时通孔9a将压力入口6a和压力出口7a连通。当阀芯转动处于其它位置时，两个通道同时封闭。用手柄转动阀芯，就可同时接通或切断压力信号通道。避免了P1或P2单独作用传感器的情况。图5示出，液位压力复合传感器由开设有压力进口7b的左腔室部件1b和开设有压力进口8b的右腔室部件4b相靠接构成，外壳3b将其联为一体。差压芯片2b设置在左、右腔室气体通道之间，并将其分隔，压力芯片5b设置在右腔室内，可采用压紧螺母6b将压力芯片固定。结构上，压力芯片5b传感压力P2，差压芯片2b的一侧感受压力P1，同时另一侧感受压力P2，形成差压，并输出ΔP=P1-P2差压信号。参见图7，由四通阀引入低温液体容器的压力信号P1、P2(见图2)，四通阀的两个压力出口分别与复合传感器的两压力进口连通，该传感器的对应差压和压力的两个信号输出端接多路开关2输入端，同时，真空传感器(常用热偶规管)的信号输出端接多路开关2输入端。上述信号再经顺次级联的放大器3、A/D转换器4、微控制器单元5，最后由LED数码显示电路6将液位、压力、真空度的测试结果显示出来。此外，微控制器单元后还设置有报警联锁电路7、信号远传电路8、4-20ma信号输出9。遥控接收器11与微控制器单元连接，接受遥控发射器10发出的信号，直接控制指定测量参数的显示。图6示出，仪表面板设计两排数码管同时显示数据。上排显示容器液位、容积、真空；下排数码管显示容器的压力、热偶规管的工作电流。面板上LED发光管，指示液体介质及测量参数，联锁信号状态。工作时液位、压力同时显示；切换后，同时显示真空度及加热电流。四通阀与仪表壳体连为一体，即将四通阀设置在仪表壳体上，仪表壳体采用全封闭式的圆形或方型，整个仪表尺寸为φ100×100mm；φ150×80mm；φ160×80mm；160×80×180mm；96×96×150mm。
图8示出图7电原理框图的一个实施例多路开关2由集成块CD4051组成，传感器来的差压、压力、真空信号分别接入其X0、X1、X2端；放大器3由运算放大器OP07和电阻Rf、R1、R2组成同相负反馈放大电路，Rf跨接在OP07的反相输入端和输出端之间，R2一端接于其反相输入端，另一端接地；CD4015的引脚Vcom串接一电阻后接于OP07的正相输入端；A/D转接器(4)主要由集成块14433、电阻R3、R4、电容C1、C2、C3组成，R3串接在14433引脚CLK0和CLK1之间，R4串接在其引脚R1/C1和R1之间，C1串接在其引脚C1和R1/C1之间，C2串接在其引脚C01和C02之间，其引脚Vx与C3一端串接R1后接于运放OP07的输出端，C3另一端接地；微控制器单元5主要由单片机80C31、可编程I/O接口芯片81C55、数据存储器HC373、可编程只读存储器27C64组成；81C55的引脚PB0～PB2分别接于CD4051的引脚A、B、C；80C31的引脚P00～P07分别接于HC373的脚1D～8D,HC373的1Q～8Q分别接于27C64的脚A0～A7，即80C31的P0口经HC373与27C64的A0～A7相连；80C31的P20～P23分别与27C64的A8～A11相连，以组成地址线；80C31的P00～P07分别与27C64的D0～D7相连组成数据线；80C31的引脚PSEN接于27C64的引脚OE,80C31的脚EA接地，组成控制线；80C31的P10～P17分别接于14433的引脚DS1～DS4以及Q0～Q3,80C31的引脚P27接于81C55的脚CE,81C55的引脚D0～D7分别与80C31的P00～P07相连；LED数码显示电路6为LED数码动态显示电路，它主要由可编程键盘显示模块82C79、译码器HC138、两块驱动模块8708 Ⅰ、Ⅱ以及LED数码显示器组成；模块82C79的脚D0～D7分别接于单片机的脚P00～P07,82C79的脚OA0～OA3以及OB0～OB3分别接于模块8708Ⅰ的脚1A～8A,82C79的引脚A0与单片机引脚P20相连，HC138的脚Y0～Y7分别接于模块8708Ⅱ的脚1A～8A,8708Ⅰ和Ⅱ的脚1Y～8Y分别与数码显示器(共阴极结构)连接；上述81C55、80C31以及82C79三者的引脚ALE相连接，三者的引脚RD相连接，三者的引脚WR相连接，三者的引脚RESET相连接。报警联锁电路7由I/O接口芯片81C55的脚PB4～PB7分别连接的4个相同的报警控制电路组成，该控制电路由光电耦合器GD、二极管D、继电器J、三极管T1、T2、电阻R5、R6组成，上述81C55的PB脚与GD的发光二极管相连，继电器J和二极管LED的一端接GD的集电极，前二者的另一端接于T1和T2的集电极，T1的基极串接R5后与GD的发射极连接并串接R6后接地，T1的发射极接于T2的基极，T2的发射极接地。上述4个报警控制电路分别对应低温液体容器的液位上限、下限以及压力上限、下限等4个参数，其报警电路由用户自选并最终由上述控制电路的继电器J控制其动作。信号远传电路8由模块75176组成，单片机80C31的引脚TXD、RXD分别与收发器75176的引脚D、R相连，80C31的脚T0与75176的脚RE和DE相连接，75176的脚A、B输出Rs-485串行数据信号。此外，由81C55的脚P25串接一电容后接于F/V(频率/电压)转换模块LM331的脚Vx,LM331的脚Iout串接一电阻后接于运放741的正相输入端，运放741的电路为正相负反馈电路，741的输出端串接一电阻后接于三极管T3基极，最后向外输出4～20mA信号与上位机联系。微控制器单元5中还设置遥控接收器(TXC50型号)11，用于接收遥控发射器(TXC50)10发出的遥控信号，接收器11的引脚D0～D7分别与80C31的引脚P00～P07相连，其引脚CE接于80C31的引脚P21，其引脚OE与82C79的引脚RD相连。
系统软件分为两部分。一部分为执行软件，它完成各种具体任务，如数据采集、运算、显示、调节控制等。另一部分为监控软件，它协调完成操作者对系统各个功能的调度安排，即人机对话。根据软件设计，由选择的所测介质及容器大小，将液体的差压值自动转换成液体的容积值，解决了手工转换的烦琐。
本实用新型克服了前述现有技术存在的多种缺点和不足之处。对原有的单个仪器，阀门进行优化设计，组合成了一个有机的整体。大大降低了原有系统的制造成本，安装成本，提高了仪表系统的可靠性，测量的准确性。使低温液体容器配套的仪表系统跃上了一个新台阶，在国内外同类产品中处于领先地位。
权利要求1.一种液位压力真空仪，其特征在于，主要由四通阀、液位压力复合传感器(1)以及与该传感器信号输出端连接、对其输出信号进行处理而顺次级联的多路开关(2)、放大器(3)、A/D转换器(4)、微控制器单元(5)、LED数码显示电路(6)所组成；所述四通阀由阀体(1a)和置于阀体内腔、与之转动配合的阀芯(2a)组成；该阀体上开设有与阀体内腔相连通的两个压力入口(4a、6a)和两个压力出口(5a、7a)；该阀芯上开设有两个通孔(8a、9a)，通孔(8a)设置在压力入口(4a)和压力出口(5a)二者与阀体内腔的连通口之间，在阀芯处于同一转动位置下，通孔(9a)设置在压力入口(6a)和压力出口(7a)二者与阀体内腔的连通口之间；该复合传感器由开设有压力进口(7b)的左腔室部件(1b)和开设有压力进口(8b)的右腔室部件(4b)相靠接构成，差压芯片(2b)设置在左、右腔室气体通道之间、并将其分隔，压力芯片(5b)设置在右腔室内；该四通阀的两个压力出口分别与复合传感器的两个压力进口相连通。
2.根据权利要求1所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述多路开关(2)的一个输入端与真空传感器的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述四通阀与仪表壳体连为一体。
4.根据权利要求3所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述仪表壳体为全封闭式的圆型或方型，其外形尺寸为φ100×100mm；φ150×80mm；φ160×80mm；160×80×180mm；96×96×150mm。
5.根据权利要求1-4中任一所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述多路开关(2)由集成块CD4051组成，传感器来的差压、压力、真空信号分别接入其X0、X1、X2端；所述放大器(3)由运算放大器OP07和电阻Rf、R1、R2组成同相负反馈放大电路，Rf跨接在OP07的反相输入端和输出端之间，R2一端接于其反相输入端，另一端接地；CD4051的引脚Vcom串接一电阻后接于OP07的正相输入端；所述A/D转换器(4)主要由集成块14433、电阻R3、R4、电容C1、C2、C3组成；R3串接该集成块引脚CLK0和CLK1之间，R4串接在其引脚R1/C1和R1之间，C1串接在其引脚C1和R1/C1之间，C2串接在其引脚C01和C02之间，其引脚Vx与C3一端串接R1后接于运放OP07的输出端，C3另一端接地；所述微控制器单元(5)主要由单片机80C31、可编程I/O接口芯片81C55、数据存储器HC373、可编程只读存储器27C64组成；81C55的引脚PB0～PB2分别接于CD4051的引脚A、B、C；80C31的脚P00～P07分别接于HC373的1D～8D,HC373的1Q～8Q分别接于27C64的脚A0～A7；80C31的P20～P23分别与27C64的A8～A11相连，以组成地址线，80C31的P00～P07分别与27C64的D0～D7相连组成数据线；80C31的引脚PSEN接于27C64的引脚OE,80C31的脚EA接地，组成控制线；80C31的引脚P10～P17分别接于14433的引脚DS1～DS4及Q0～Q3,80C31的引脚P27接于81C55的脚CE,81C55的引脚D0～D7分别与80C31的引脚P00～P07相连；所述LED数码显示电路(6)为LED数码动态显示电路，它主要由可编程键盘显示模块82C79、译码器HC138、两块驱动模块8708(Ⅰ、Ⅱ)以及LED数码显示器组成；模块82C79的脚D0～D7分别接于单片机的脚P00～P07,82C79的脚RLO～RL3通过矩阵式键盘分别和译码器HC138的脚Y0～Y7接通；82C79的脚OA0～OA3以及OB0～OB3分别接于模块8708(Ⅰ)的脚1A～8A,82C79的引脚A0与单片机引脚P20相连，HC138的脚Y0～Y7分别接于模块8708(Ⅱ)的脚1A～8A,8708(Ⅰ)和(Ⅱ)的脚1Y～8Y分别与数码显示器连接；上述81C55、80C31以及82C79三者的引脚ALE相连接，三者的引脚RD相连接，三者的引脚WR相连接，三者的引脚RESET相连接。
6.根据权利要求5所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述微控制器单元(5)后还设有报警联锁电路(7)，它由I/O接口芯片81C55的脚PB4～PB7分别连接的4个相同的报警控制电路组成，该控制电路由光电耦合器GD、二极管D、继电器J、三极管T1、T2、电阻R5、R6组成，上述81C55的PB脚与GD的发光二极管相连，继电器J和二极管D的一端接GD的集电极，前二者的另一端接于T1和T2的集电极，T1的基极串接R5后与GD的发射极连接并串接R6后接地，T1的发射极接于T2的基极，T2的发射极接地。
7.根据权利要求6所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述微控制器单元(5)后还设有信号远传电路(8)，该电路由模块75176组成，单片机80C31的引脚TXD、RXD分别与收发器75176的引脚D、R相连，80C31的脚T0与75176的脚RE和DE相连接，75176的脚A、B输出Rs-485远传信号。
8.根据权利要求7所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述微控制器单元(5)后还设有4～20mA信号输出电路(9)，该电路主要由F/V(频率/电压)转换模块LM331和运放741组成，其连接关系如下I/O接口芯片81C55的引脚P25串接一电容后接于LM331的脚Vx,LM331的脚Iout串接一电阻后接于741的正相输入端，运放741的电路为正相负反馈电路，741的输出端串接一电阻后接于三级管T3基极，最后向外输出4～20mA信号。
9.根据权利要求8所述的液位压力真空仪，其特征在于，所述微控制器单元(5)中还设有遥控接收器TXC50(11)，用于接收遥控发射器TXC50(10)发出的遥控信号，接收器(11)的引脚D0～D7分别与单片机80C31的引脚P00～P07相连，其引脚CE接于80C31的引脚P21，其引脚OE与82C79的引脚RD相连。
专利摘要一种液位压力真空仪属智能化仪表，包括四通阀、液位压力复合传感器、真空传感器以及顺次级联的多路开关、放大器、A/D转换器、微控制器单元和LED数码显示电路。四通阀由开有两入口两出口的阀体和可转动的阀芯组成；阀芯上开有可将两入口和两出口分别同时连通的两个通孔；复合传感器由左、右腔室部件靠接构成，差压芯片设在两腔室气体通道之间，压力芯片设在右腔室内，四通阀两出口与传感器左、右腔室进口分别连通。
文档编号G01F23/18GK2452010SQ0024523
公开日2001年10月3日 申请日期2000年12月7日 优先权日2000年12月7日
发明者吴炜, 吴同文, 吴胜 申请人:吴炜