数字化排气温度自动巡回检测装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种数字化排气温度自动巡回检测装置，包括：处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路；依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器；电源模块；所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器显示温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。由上，实现了全数字化，提高了测量精度，且加强了装置的抗干扰能力。可直观的显示出13个通道的温度和故障信息，方便操作人员观查、记录和操作。
【专利说明】
数字化排气温度自动巡回检测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种核电仪控技术领域，特别是指一种数字化排气温度自动巡回检测 装置。
【背景技术】
[0002] 对于核电仪控领域内的排气温度自动巡回检测系统，由安装于应急柴油机内的铠 装K型热电偶探测器与排气温度自动巡回检测装置两部分组成。现有的设备都是由国外厂 家提供，属于上个世纪八、九十年代的产品，大部分由模拟电路搭建而成。由于使用周期长， 导致设备老化，出现了各种问题:产生误报警、测量精度下降、测量温度超差、报警信号无法 消除等;再加上大亚湾、岭澳已无备件，且国内尚无此类设备能在恶劣电磁环境下取得应 用。
[0003] 因此，需要一种数字化的排气温度自动巡回检测装置，以解决上述技术问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种数字化排气温度自动巡回检测装置， 包括：
[0005] 处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路；
[0006] 依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器；
[0007] 电源模块；
[0008] 所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器 显示温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。
[0009] 由上，实现了全数字化，提高了测量精度，且加强了装置的抗干扰能力。本发明数 字化的排气温度自动巡回检测装置，实现全数字化，提高测量精度、加强了装置的抗干扰能 力。可以直观的显示出13个通道的温度和故障信息，方便操作人员观查、记录和操作。
[0010] 可选的，还包括与所述处理器电连接的LED报警指示灯，判断设备故障时还控制所 述LED报警指示灯进行相应点亮。
[0011] 可选的，所述温度传感器分别采集多路气缸、多路涡轮的温度；
[0012] 所述LED报警指示灯包括分别对应气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高 故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障的LED灯。
[0013] 可选的，所述参数存储器包括:存储用于判断气缸温度高故障、气缸温度低故障、 涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障的温度参数阈值的芯片 M24C01〇
[0014] 可选的，所述温度传感器包括采集多路K型热电偶信号的MAX6675温度采集芯片； 所述数据转换器包括多路数据转换电路。
[0015] 可选的，所述处理器包括:MSP430F149型单片机。
[0016] 可选的，还包括与处理器电连接的看门狗电路，用于发出复位信号给工作异常时 的所述处理器。
[0017] 可选的，所述继电器报警电路包括:依次电连接的运放器、三极管和继电器。
[0018] 可选的，所述电源模块包括依次电连接的保护电路、滤波电路和DC/DC模块，用于 将48V直流转12V直流输出，以及
[0019] 依次电连接的滤波电路、稳压芯片和滤波电路，用于将所述12V直流转3.3V直流输 出。
【附图说明】
[0020] 图1 (A)为数字化排气温度自动巡回检测装置的主视图；
[0021] 图1(B)为数字化排气温度自动巡回检测装置的后视图；
[0022] 图2(A)、（B)为数字化排气温度自动巡回检测装置的组装示意图；
[0023] 图3为数字化排气温度自动巡回检测装置的电路原理示意图；
[0024]图4为电源模块的电路原理示意图；
[0025]图5为数据采集模块的工作时序示意图；
[0026]图6为继电器报警模块的电路原理示意图；
[0027]图7为数字化排气温度自动巡回检测装置对外接口示意图；
[0028]图8为数字化排气温度自动巡回检测装置的工作原理示意图；
[0029] 图9为数字化排气温度自动巡回检测装置的代码级工作流程示意图。
[0030] 图例说明，1.箱体;2.上盖;3.M3 X 6沉头螺钉;4.前面板;5.前面板贴膜;6.白色按 钮开关;7 . M3 X 6十字槽盘头螺钉;8. M3平垫;9. M3弹垫；10. PCB板1; 11. Φ 40航空插头；12. Φ 28航空插头；13. M3 X 10十字槽盘头螺；14.显示屏；15. PCB板2; 16.内衬板;17.铍铜簧片。
【具体实施方式】
[0031] 本发明属于核电仪控技术领域，利用基于MSP430F149+MAX6675+LCD的单片机、K型 热电偶温度测量、LCD显示技术，通过MAX6675采集核电站应急柴油机气缸、涡轮内13个通道 的温度，MSP430F149对这些数据进行计算和处理，将各个通道的温度信息、故障信息通过 LCD液晶屏和LED指示灯显示出来，并通过继电器报警电路向上位机输出报警信号。
[0032] 此外，本发明可以通过面板按键实现相关温度参数的设置和保存功能（设置参数 包括平均温度高报警值、气缸温度高报警值、气缸温度低报警值、涡轮温度高报警值、涡轮 温度低报警值、绝对误差报警值）、13个通道温度信息的轮回显示和手动查询功能、消除报 警功能、掉电故障报警参数存储的功能、LCD显示屏屏保功能、设置参数输入密码防误操作 功能、自检功能、正负温度校正功能。
[0033] 下面对本发明数字化排气温度自动巡回检测装进行详细说明：
[0034] 1.总体设计介绍
[0035]本发明为一个箱式的结构，它包括箱体、内部硬件电路、内外部接口和人机面板。 内部硬件电路由电源模块、信号采集模块、MUC数据处理模块、LCD显示模块、状态报警指示 灯模块、面板按键模块、继电器报警输出模块、掉电参数存储模块组成。人机界面包括1个 LCD、7个LED和4个按钮。
[0036] (1)外部供电电源:48V±4% ;最大纹波兰1 %峰-峰值。
[0037] (2)输入信号:热电偶输入测量范围为0~720°C。
[0038] (3)输出方式:IXD液晶显示屏指示方式;LED报警灯指示方式。
[0039] (4)精度:测量精度：兰满量程的1 % ;显示精度：兰±3°C。
[0040] (5)报警方式。
[0041 ]平均温度高报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0042] 绝对误差报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0043] 气缸高温报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0044] 气缸低温报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0045] 涡轮高温报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0046] 涡轮低温报警；（有继电器接点输出，故障灯点亮）
[0047] 断偶报警(无继电器接点输出，故障灯点亮）
[0048] (6)显示扫描速度:2s/每通道。
[0049] (7)工作环境温度:0°C至+50°C。
[0050] (8)贮存温度：_40。(：至+7〇。(：。
[0051 ] (9)相对湿度：<93%无冷凝。
[0052] 排气温度自动巡回检测装置的功能包括：13路通道温度测量、IXD故障信息显示、 LED故障指示、故障报警参数设置、继电器报警输出、LCD液晶屏屏保、LED自检、13路通道温 度信息的轮回显示和手动查询、消除报警、掉电故障报警参数存储、设置参数输入密码防误 操作、正负温度校正。
[0053] 结构上，排气温度自动巡回检测装置的尺寸为196mmX 180mmX 100mm(长X宽X 尚）。
[0054] 2.设计方案
[0055] 排气温度自动巡回检测装置的研制分结构设计、电路设计和软件设计三个方面。
[0056] 2.1结构设计
[0057] 排气温度自动巡回检测装置的外形尺寸为196mmX 180mmX 100mm(长X宽X高）， 外形结构尺寸图如附图1(A)、图1(B)所示，其中，图1(A)为主视图，图1(B)为后视图。排气温 度自动巡回检测装置的组装图如附图2(A)、图2(B)所示，主要包括以下几个部件:箱体、箱 子上盖、前面板、前面板贴膜。各部分技术要求如下：
[0058] (1)箱体技术要求:材料为20优质薄钢板，厚度t = 1mm，折弯焊接而成，折弯内经R =0.5t;未标注公差符合GB/T1804-M;注意焊接条件，防止冷却后箱体变形，焊缝均匀，无虚 焊，气泡现象，要求焊缝处打磨均匀光滑;销钉加工完成后，在箱体对应位置打孔，把销钉插 入孔内，从内测把销钉和箱体焊接牢固；压铆螺柱压接牢固，不允许有松动现象;表面整体 镀彩锌，膜厚不小于8um，然后喷塑，颜色为RAL7035浅灰色;符合R0HS。
[0059] (2)箱子上盖技术要求:材料为20优质薄钢板，厚度t = l.5mm;未标注公差符合GB/ T1804-M;表面光滑无毛刺，镀彩锌，膜厚不小于8um，然后喷塑，颜色为RAL7035浅灰色;符合 R0HS。
[0060] (3)前面板技术要求:材料为PC510，颜色为黑色；未标注公差符合GB/T1804-f;表 面光滑无毛刺;外棱边倒圆角，倒角半径R = 1mm。
[0061] (4)前面板贴膜技术要求:材料PC塑料，颜色RAL7035浅灰色，厚度t = 0.5mm;未标 注公差符合GB/T1804-M;丝印文字排列均匀美观；Φ 19孔为通孔，Φ3.5的孔为表面覆透明 膜的孔，中间的矩形孔表面覆透明膜;除要求为透明膜的区域外，其余区域在撕掉3Μ胶纸 后，必须不透明；后备3Μ月父。
[0062] 排气温度自动巡回检测装置整体需安装在模拟盘上，通过两个固定结构件将装置 固定安装在模拟盘上。
[0063] 2.2电路设计
[0064] 2.2.1原理框图
[0065]排气温度自动巡回检测装置电路设计上有两块电路板，分别为主板和显示板，显 示板只完成LED报警指示的功能，其他的功能都在主板上面实现。排气温度自动巡回检测装 置的原理框图如附图3所示。
[0066] 装置的供电电源为+48VDC，经过电源模块转成+12VDC(给继电器供电）和+3.3VDC (给数字电路供电）。13路K型热电偶信号经13路数据转换电路转换成数字信号，由MCU微处 理器进行数据采集，这些数据在Μ⑶内进行滤波、计算和处理，然后将处理后各个通道的温 度信息发送到LCD显示。如果MCU判断有故障，相应的LED报警指示灯就会被点亮，同时激励 继电器，从继电器输出报警信号给上位机。面板按键可以对温度参数进行设置和保存，可以 查询各个通道的温度信息和故障信息，还可以在操作员确认无报警后消除继电器输出报警 的功能。MCU会定时发送脉冲信号给看门狗电路，如果MCU运行不正常，看门狗电路发出复位 信号给MCU〇
[0067] 2.2.2电源模块
[0068]电源模块原理框图如附图4所示。外部+48VDC电源滤波后，经过DC-DC隔离模块转 换成+12VDC输出，+12VDC经稳压芯片，将电源稳压到+3.3VDC。其中DC-DC隔离模块输入电压 范围为18~75VDC，隔离电压为1500VDC。
[0069] 由于K型热电偶输出的是毫伏级信号，属于小信号处理，电源纹波的大小直接影响 到温度测量的精度，因此，热电偶测温对电源纹波的要求很高。为了尽量减小电源纹波，设 计时在+48VDC电源输入端加了专用滤波器和滤波电容，滤掉外部电源的噪声信号;在DC/DC 模块输出端和稳压芯片输出端都加了电容、共模电感，来减小电源纹波。经测试，+3.3VDC电 源输出的纹波小于5mV，温度测量精度达到了 ±2°C;当电源纹波超过50mV时，温度测量误差 大，精度超过了满量程的1%。
[0070] 2.2.3数据采集模块
[0071] K型热电偶是当前工业生产、科学实验较为常用的一种温度传感器，它可以直接测 量各种生产中0~1300 °C范围内的液体蒸汽，气体介质和固体表面温度。由于它的测量范围 及其较高的性价比，使得K型热电偶应用广泛。然而K型热电偶存在非线性冷补偿等问题，特 别是在处理补偿问题时，需要付出较高的代价且难以有较好的成效。MAX6675温度采集芯 片，弥补了 K型热电偶上述缺陷。将MAX6675和K型热电偶结合并用于工业生产和实验，能为 工程带来诸多便利且减少繁琐的附加电路。
[0072] 数据采集设计重点在测量电路MAX6 6 7 5测温数据的读取，MAX6 6 7 5与MCU通讯。 MAX6675的工作时序如附图5所示，当CS引脚由高电平变为低电平时，MAX6675停止任何信号 的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转换的数据；当CS从低电平变回到高电平时， MAX6675将进行新一轮转换。数据的读取在SCK的下降沿进行，一个完整的数据读取需要16 个时钟周期。
[0073] MAX6675的输出数据为16位，输出时高位在前，低位在后。第一位D15为无用位;第 D14-D3为热电偶模拟输出电势转换的12位数字量;D2位为热电偶断线检测位，当D2位为1时 表明热电偶断线;D1位为MAX6675标识符;D0为三态。D14~D3为12位数据，其最小值为0,对 应的温度值为〇°C ;最大值为4095,对应的温度值为1024°C ;由于MAX6675内部经过了激光修 正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：
[0074] 温度值=1024\六0(：_04了4/4095，其中40(：_04了4为转换后的数字量即014~03。
[0075] 2 · 2 · 4MCU数据处理模块
[0076] Μ⑶选用TI公司MSP430F149型单片机，之所以选择这款单片机作为系统数据处理 单元主要基于其广泛的应用领域、强大的运算功能和超低功耗。
[0077] MCU将ΜΑΧ6675输出的D14-D3数据进行处理，根据公式：Ti = 1024X转换后的数字 量/4095，!^为通道温度值（i是通道标识号），计算出各通道的温度值。每个通道采集5组数 据，通过递推平均滤波法，计算出滤波后的通道温度值L(j是通道标识号），计算公式为：
实中Tm表示j通道第i组采集的温度值。根据公式 汁算出1~12 路通道温度的平均值。根据公式Δ Tj= I Tj-Tave I，计算各通道温反刈祆左。然后将各个 通道的L与设定的高、低温阈值进行比较判断;Tave与设定的平均值进行比较判断；ΔΤ」与设 定的偏差值进行比较判断。比较判断完后，温度信息通过MCU的I/O 口并行将数据送往LCD显 示(各个通道的温度值、绝对误差及12个通道的平均值、故障信息），故障状态通过LED指示 灯显示。
[0078] 2.2.5LCD 显示模块
[0079] IXD显示模块选用LCD12864液晶显示器，该液晶显示器具有4位/8位并行、2线或3 线串行多接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块:其显 示分辨率为128X64，内置8192个16X 16点汉字，和128个16X8点ASCII字符集;此款液晶显 示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗系 统中得到了越来越多的应用。
[0080] Μ⑶将采集到的温度数据处理后，由LCD动态显示13路通道的温度值、综合故障信 息、1~12通道的平均值和各个通道的绝对误差值。LCD显示模块第一行显示的是平均值，第 二行显示的是通道的温度值和该通道的故障类型，第三行显示的是该通道的绝对误差值， 第四行显示的是综合故障信息。在巡检模式下，2s切换一个通道，以此循环显示13路通道的 温度信息。如果发生故障，LCD定屏，显示故障通道和相应故障类型。如:通道温度值超过上 下限或绝对误差超差，LCD定屏到故障通道，显示该通道的温度信息和故障信息，直到报警 清除才巡检。
[0081 ] 2.2.6面板按键模块
[0082]电路中每个按键都加了去抖动电容，四个按键分别为"参数设置/确认"、"右移/翻 页"、"下移/增加"、"消除报警"。
[0083]四个按钮功能如下：
[0084] (1) "参数设置/确认"按钮
[0085] a.用于进入参数设置菜单界面；
[0086] b ·进入参数值设置界面；
[0087] c.保存参数设置值；
[0088] d·输入密码确认。
[0089] (2) "右移/翻页"按钮
[0090] a.在有故障模式下，具有翻页的功能，用于查看13通道的相关信息；
[0091 ] b.在设置菜单界面，具有翻页的功能，按下可查看下一页设置菜单项；
[0092] c.在设置参数值界面，具有右移的功能，按下按钮，光标向右移，选中需要修改的 参数位；
[0093] d.正常巡检模式下，具有定屏和翻页（向左翻页）的功能；
[0094] e.输入密码模式下，具有右移的功能，按下按钮，光标向右移，选中需要修改的密 码位。
[0095] (3)"下移/增加"按钮
[0096] a.在设置菜单界面，具有下移的功能，按下按钮，可以选择需要修改的参数设置 项；
[0097] b.在设置参数值界面，具有增加的功能，按下按钮，可以增加相应位的数值；
[0098] c.正常巡检模式下，具有定屏和翻页（向右翻页）的功能；
[0099] d.输入密码模式下，具有增加的功能，按下按钮，可以增加选中位的数值。
[0100] (4) "消除报警"按钮:用于消除继电器输出报警信号。
[0101] 排气温度自动巡回检测装置温度设置参数默认值包括:高平均温度、气缸高低温、 涡轮高低温、绝对误差等的报警值的设定值。
[0102] 2.2.7状态报警指示灯模块
[0103] 状态报警指示灯模块总共有7个LED指示灯，分别为气缸温度高故障、气缸温度低 故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障。MCU通 过I 2C总线将故障信息写入到串口转并口的芯片中，然后通过三极管驱动LED的亮灭。若故 障信息无变化，则不写数据;有变化，则更新串口转并口芯片中的数据。
[0104] 2.2.8继电器报警输出模块
[0105]继电器报警模块原理图如附图6所示。当设备检测到有故障（断偶除外），MCU输出 一个电平信号到运放，经运放比较后驱动三极管，激励继电器输出触点信号给上位机系统。 [0106] 2.2.9掉电参数存储模块
[0107]掉电参数存储模块主要由芯片M24C01组成，芯片用来存储温度参数阈值。
[0108] 2.2.10人机界面
[0109] 排气温度自动巡回检测装置人机界面包括三个部分:IXD显示、按键、LED指示灯故 障类型指示。IXD显示方式及按键功能见第2.2.5和2.2.6节。
[0110] 2.2.11 内外部接口
[0111] 排气温度自动巡回检测装置对外接口如附图7所示。设备左侧的17针航插为A列， 中间的17针航插为B列，A、B列航插为热电偶输入接口，其型号为JAEGER的0383-220-06;右 侦_12针航插为设备电源输入和继电器报警信号输出接口，其型号为JAEGER的0383-590-06 〇
[0112] 2.3软件设计
[0113] 2.3.1软件开发环境
[0114] 操作系统:windows XP [0115]开发语言：
[0116]下位机:C语言 [0117]开发平台：
[0118] 下位机：IAR EW4305.3。
[0119] 2.3.2软件设计原理
[0120]系统软件总体设计原理框图如附图8所示。软件功能主要包括以下几个部分:数据 采集、MCU数据和信息处理、参数设置(气缸和涡轮高低温度报警阈值、平均温度高报警阈 值、校正温度）、自检功能、掉电参数存储、IXD显示、LED显示及继电器报警。
[0121] 数据采集:采集13路通道的温度数据。
[0122] Μ⑶数据和信息处理:计算13路通道的温度值和偏差值、12路气缸温度的平均值、 分析13路通道的故障类型、分析综合故障信息。
[0123] 参数设置:可以设置气缸和涡轮高低温度报警阈值、平均温度高报警阈值、正校正 温度值、负校正温度值。
[0124] 自检功能:7个LED各闪烁两次，检测LED是否有故障。
[0125] 掉电参数存储:掉电后，存储最后一次保存的参数设置值。
[0126] IXD显示:巡检界面显示通道温度值、通道故障类型、平均温度值、通道偏差值和综 合故障信息;参数设置界面显示各故障报警值设置信息。
[0127] LED显示:指示故障类型。
[0128] 继电器报警:延时输出继电器报警信号。
[0129] 2.3.3程序设计
[0130] 软件流程图如附图9所示。排气温度自动巡回检测装置上电后，先进行初始化，包 括看门狗初始化、系统时钟初始化、10 口初始化、定时器初始化、液晶参数初始化、E2PR0M初 始化。接着调用上电自检程序，检查LED是否完好，然后开中断，进入while(l)循环。
[0131 ] while(l)循环里面包括5个部分:10ms定时中断函数、50ms定时中断函数、100ms定 时中断函数、250ms定时中断函数、2s定时中断函数。
[0132] 其中，10ms定时中断函数执行按键扫描和操作、LCD液晶屏自锁的功能；50ms定时 中断函数执行自检功能；l〇〇ms定时中断函数执行继电器延时报警输出的功能；250ms定时 中断函数主要执行数据采集、数据计算、LCD显示、故障判断、故障显示、故障消除、故障定屏 的功能;2s定时中断函数执行LCD数据刷新的功能。
[0133] 如果while(l)循环内不能定时给外部看门狗电路喂狗，外部电路就会复位MCU，程 序重新开始执行。
[0134] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种数字化排气温度自动巡回检测装置，其特征在于，包括： 处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路； 依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器； 电源模块； 所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器显示 温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述处理器电连接的LED报警指 示灯，判断设备故障时还控制所述LED报警指示灯进行相应点亮。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述温度传感器分别采集多路气缸、多路 涡轮的温度； 所述LED报警指示灯包括分别对应气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故 障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障的LED灯。4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述参数存储器包括:存储用于判断气缸 温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差 高故障的温度参数阈值的芯片M24C01。5. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述温度传感器包括采集多路K型热电偶 信号的MAX6675温度采集芯片;所述数据转换器包括多路数据转换电路。6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括:MSP430F149型单片机。7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与处理器电连接的看门狗电路，用 于发出复位信号给工作异常时的所述处理器。8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述继电器报警电路包括:依次电连接的 运放器、三极管和继电器。9. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括依次电连接的保护电 路、滤波电路和DC/DC模块，用于将48V直流转12V直流输出，以及 依次电连接的滤波电路、稳压芯片和滤波电路，用于将所述12V直流转3.3V直流输出。
【文档编号】G01K7/02GK105973492SQ201511017982
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年12月29日
【发明人】王宇, 许少志, 邱建文, 黄勇, 李久锐, 石晓伟, 许化珍, 于金
【申请人】中广核研究院有限公司北京分公司, 中国广核集团有限公司, 中国广核电力股份有限公司