专利名称：一种氦气排放智能调节器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超导重力仪附加装置，尤其涉及一种氦气排放智能调节 器，可应用于测量、地震、医疗及其它部门。
背景技术：
超导重力仪利用超导电流固有的稳定性，用磁悬浮替代了传统重力仪的机械 弹簧悬挂，因而具有极高的灵敏度和稳定性，是当今世界上精度最高的重力仪之 一。它不仅可以用来检测和研究固体地球的潮汐、自由核章动、自由振荡、自 转变化以及地壳的构造运动等地球动力学现象，还可以用来研究大气、海洋 和地下水等各圈层的相互作用和重力场的耦合效应，为现代大地测量和空间 测量技术提供观测基准。
为了保证超导重力仪工作在超导状态，超导重力仪的传感单元必须被放置 在超低温的液态氦中。由于超导重力仪与外界不可避免地存在着热交换，部分液 态氦会挥发成为氦气。因此，超导重力仪在其氦气存储罐的顶部安装有一个排气 管，作为氦气的排放通道。
然而，超导重力仪目前的这种氦气直接排放方式，存在以下几个方面的问
题
①由于不能自动进行氦气流量的调节，在超导重力仪内部氦气压力过高时， 不能迅速排放氦气，释放压力，有可能导致内部管道产生破裂、泄漏，进而污染 超导重力仪本体的重大事故。
在超导重力仪内部氦气压力较低，氦气流量极小甚至为零时，由于不能自 动关闭排气管，使超导重力仪与外界依然存在着热交换，部分液态氦挥发成为氦 气，沿排气管白白消耗掉，增大了超导重力仪的运行成本。
3② 目前的氦超导重力仪，不具备实时显示超导重力仪内部氦气压力的能 力，以至维护人员不能及时对故障做出判断和处理，给工作带来隐患。
③ 不能事先根据用户需要进行氦气压力报警阈值的设定，在应用场合上受 到限制。
④ 在超导重力仪内部氦气压力超出设定范围时，不能自动进行声、光报警， 提醒维护人员及时到达现场，排除故障。
⑤ 不能将超导重力仪内部氦气的压力数据输出到计算机记录系统加以保 存，作为今后检修维护的依据。
发明内容
本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的上述问题和不足，而提供一种 氦气排放智能调节器
本实用新型的目的是这样实现的-
1、 采用传感器和微机技术，集监测、控制于一体，对超导重力仪的内部氦 气压力的进行实时显示和监测；
2、 根据氦气压力的大小，自动进行氦气流量的调节，降低液态氦的消耗；
3、 在氦气压力超出设定范围时，在声、光报警的同时，控制步进电机迅速 打开泄放阀门，让氦气得到迅速排放，达到释放氦气压力、保护超导重力仪的目 的；
4、 将当前氦气压力的结果数据通过通讯接口，输出到计算机记录系统加以 保存；
5、 结构简单、精度高、功耗低。
具体地说，本实用新型的工作对象是超导重力仪，由微处理器、字符显示器、 参考电压电路、压力传感器、充放电路、第一驱动器、继电器、蜂鸣器、报警指 示器、第二驱动器、步进电机、泄放阀门、RS-232通讯接口、计算机记录系统 和设置键组成；
其中压力传感器安装在超导重力仪氦气存储罐的罐壁上，泄放阀门安装在 超导重力仪氦气存储罐的排气管上；
压力传感器与充放电路的输入端相连；充放电路的输出端、参考电压电路、设 置键分别与微处理器的输入端相连；微处理器的输出端分别与RS-232通讯接口的输入端、字符显示器、第一驱动器、第二驱动器的输入端相连；RS-232通讯 接口的输出端与计算机记录系统相连；第一驱动器的输出端与继电器的输入端 相连，继电器的输出端分别与蜂鸣器和报警指示器相连；第二驱动器的输出端 与步进电机的输入端相连，步进电机的输出端与泄放阀门相连。 本实用新型的工作原理是-
利用微处理器内置的精确模拟比较器用于检测超导重力仪内部氦气压力的 模/数转换，通过步进电机带动泄放阀门动作，自动进行氦气流量的调节。 本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和积极效果
① 采用微处理器控制，结构简单，操作方便，抗干扰能力强，具有较低的功
耗；
② 全天候、连续实时提供对超导重力仪内部氦气压力的监测与显示，有利 于对氦超导重力仪工作状态的监测。
③ 可以随时根据超导重力仪内部的氦气压力，通过步进电机带动泄放阀门 动作，自动进行氦气流量的调节，降低了液态氦的消耗；在氦气压力超出设定 范围时，全部开启泄放阀门，迅速排放氦气，释放其压力，达到保护超导重力 仪的目的。
④ 具有设置、切换能力，用户可通过设置键进行超导重力仪氦气压力报警 阈值的设定，以应用于不同的场合。
⑤ 可在超导重力仪内部氦气压力超出设定范围时，自动进行声、光报警， 提醒维护人员及时到达现场，排除故障。
⑥ RS-232通讯接口可以将超导重力仪内部氦气的压力数据，经由串行通讯 电缆，输出到计算机记录系统加以存贮，作为今后分析维护的依据。
⑦ 利用微处理器内置的精确模拟比较器用于检测信号的模/数转换，不仅省 去了通常所需要的A/D转换器以及必须相应配置的调理电路，降低了成本，减 小了本调节装置的体积，也使得控制变得容易，资源的占用减至最少。
⑧ 将字符显示器传统的8位数据传输方式改为4位传输，减少了 口线资源的 占用，使线路得以减化。
⑨ 除需在超导重力仪上安装压力传感器并将步进电机的电源线接入本调节 装置的插座外，无须对原有的超导重力仪系统进行任何改动，易于推广应用。
总之，本实用新型集监测、控制于一体，可以实现对超导重力仪内部氦气压力的实时显示，并且根据压力大小自动控制调节氦气的排放，降低了液态氦的
消耗；具有结构简单、精度高、实时、功耗低等特点，在大地测量、地球物理、 地震观测、医疗等领域具有一定的应用和开发价值。
图l为本实用新型结构方框图； 图2为本实用新型电路原理其中
l一微处理器；
2— 字符显示器；
3— 参考电压电路； 4一压力传感器；
5— 充放电路；
6— 第一驱动器；
7— 继电器；
8— 蜂鸣器； 9一报警指示器； IO—第二驱动器； ll一步进电机；
12— 泄放阀门；
13— RS-232通讯接口；
14一计算机记录系统；
15—设置键。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明 一、总体
由图1可知，本实用新型的工作对象是超导重力仪，由微处理器l、字符显
示器2、参考电压电路3、压力传感器4、充放电路5、第一驱动器6、继电器 7、蜂鸣器8、报警指示器9、第二驱动器10、步进电机11、泄放阀门12、RS-232通讯接口 13、计算机记录系统14和设置键15组成；
其中压力传感器4安装在超导重力仪氦气存储罐的罐壁上，泄放阀门12 安装在超导重力仪氦气存储罐的排气管上；
压力传感器4与充放电路5的输入端相连；充放电路5的输出端、参考电 压电路3、设置键15分别与微处理器1的输入端相连；微处理器1的输出端分 别与RS-232通讯接口 13的输入端、字符显示器2、第一驱动器6、第二驱动器 IO的输入端相连；RS-232通讯接口 13的输出端与计算机记录系统14相连；第 一驱动器6的输出端与继电器7的输入端相连，继电器7的输出端分别与蜂鸣器 8和报警指示器9相连；第二驱动器10的输出端与步进电机11的输入端相连， 步进电机11的输出端与泄放阀门12相连。
本实用新型的工作过程是在完成上电自检后，压力传感器4与其相连的充 放电路5自动开始充电，与此同时微处理器1的定时器开始计时。当充电电压达 到参考电压电路，内置的比较器输出端出现上升沿的瞬间，微处理器l立即从定 时器中读取充电时间。根据充电时间与所测压力的关系，进行相应的计算处理， 即可获得当前超导重力仪内部氦气压力的结果数据。微处理器1 一方面将获得 的氦气压力数据转换为ASCII码，在字符显示器2上加以显示，连续实时提供超 导重力仪内部氦气压力信息；同时，还通过RS-232通讯接口 13，将当前氦气压 力的结果数据以9600baud的波特率输出串行数据，提供给计算机记录系统14 加以保存，作为今后分析维护的依据。另一方面，微处理器l根据氦气压力大 小变化通过3个口线输出脉冲序列，驱动步进电机ll带动泄放阀门12作相应 动作，达到调节氦气流量，降低液态氦消耗的目的。与此同时，还定时与用户通 过设置键15所设定的报警阈值进行比较， 一旦发现氦气压力超出设定的数值， 即在蜂鸣器8、报警指示器9的声、光报警的同时，使泄放阀门12全部开启， 达到迅速排放氦气释放压力、保护超导重力仪的目的。
二、功能块
下面结合图2对各功能块详细说明 *微处理器1
微处理器1选用PHILIPS公司的P87LPC764及其配套电路。 微处理器1是整个系统处理、操作、控制的中心， 一切信号的接收、存贮、 显示、控制均在它的监控之下进行。P87LPC764内置的模拟比较器用于超导重力仪内部氦气压力检测信号的A/D转换。
微处理器l的内部存贮器分为程序和数据存贮器两部分。其中，管理、监 控程序存放于程序存贮器中，中间结果数据存放于数据存贮器中。
SS晶体振荡器与电容C3、 C4组成12MHz的晶体振荡电路，与微处理器1 的X1、 X2引脚相连构成内部振荡方式，用来提供微处理器l内各种微操作的 时间基准。
电容C5、电阻R5构成自动上电复位电路，使本实用新型从0000H地址单 元开始执行监控程序。 *压力传感器4
压力传感器4是一种随压力变化而变化的电阻RT，选用Honeywell公司的 TD2压阻式压力传感器。
*参考电压电路3、充放电路5
参考电压电路3由R3和R4分压+5V电压生成，加到微处理器1模拟比较器 的反相输入端CMP。
充放电路5由限流电阻Rl和电容Cl组成。检测开始时，+5V电压通过电阻 RT给电容Cl开始充电，该电压加到微处理器1的模拟比较器的正相输入端CIN1; 与此同时，P87LPC764的内部定时器开始计时。当充电电压达到参考电压、比较 器输出端出现上升沿的瞬间，分别从定时器中读取RT，C1的充电时间。根据充 电时间与所测压力的关系，P87LPC764进行相应的计算处理，即可分别获得当前 超导重力仪内部氦气压力的结果数据。
*第一驱动器6、继电器7、蜂鸣器8、报警指示器9 第一驱动器6、继电器7、蜂鸣器8和报警指示器9均为常用件。
① 第一驱动器6包括偏置电阻R0，隔直电容C0和由N1、 N2组成的复合三 极管，偏置电阻RO为复合三极管提供偏置电压；
② 继电器7包括二极管D1、线圈绕组REL和常开触点K。 二极管D1与线 圈绕组REL并联，防止反相过冲电流，为线圈绕组REL提供保护。
③ 蜂鸣器8包括喇叭B，电容C8、 C9和电感L。
④ 报警指示器9由相互并联的电阻R6和发光二极管L2组成。 常开触点K平时处于断开状态，无电流通过喇叭B和发光二极管L2，喇叭
B不发声示警，发光二极管L2不闪烁； 一旦微处理器l查询到氦气压力超出设定的报警阈值时，则微处理器1通过P1.7脚输出高电平，经电容C0、电阻R0 加至三极管N1基极，使NI、 N2共同构成的复合三极管导通，则继电器7的 常开触点K闭合，+5￥电压接入，喇叭B间歇发声示警，发光二极管L2闪烁。 并连电阻R6为发光二极管L2提供分流保护。
电感L、电容C8和C9共同构成+5V电源的滤波电路，平滑喇叭B间歇发声 时形成的千扰。
*字符显示器2、 RS-232接口 13 字符显示器2选用0PTREX公司的DMC15230; RS-232通讯接口 13选用MAX232。
本实用新型将字符显示器2传统的8位数据传输方式改为4位传输，即 微处理器1在4位数据总线形式下，按照先传输高4位再传输低4位的顺序，分 两次向字符显示器2发送8位指令代码或数据，减少了微处理器1有限的可供编 程的I/0口线资源的占用，使线路得以减化。
字符显示器2的4位并行数据总线直接与微处理器1的Pl. 1、 Pl. 2、 Pl. 4、 P1.6脚连接；而PO.O、 P0.6、 P0.7脚分别接入字符显示器2的使能E、读/写 选择R/W、指令/数据寄存器选择RS信号线。
由于微处理器1输出的串行数据是0-5V的TTL电平，而计算机记录系统 14配置的是RS-232C标准的串行接口， 二者的电气规范不一致，不能直接进 行通讯。为此，增设了作为RS-232接口 13的串行收发器MAX232，由微处理 器1的串行口TXD输出端，通过RS-232接口 13实现调节装置与计算机记录系 统的异步串行通讯。
*第二驱动器10、步进电机11和泄放阀门12
① 第二驱动器IO包括由限流电阻Rll、 R12、 R13和三极管T1、 T2、 T3、 T4、 T5 、 T6组成的三个复合三极管。
② 步进电机11包括二极管D3、 D4、 D5与步进电机的三组线圈II、 12、 13。
③ 泄放阀门12为常用件。
微处理器1的PO. 1、 PO. 2、 PO. 3脚通过驱动器10控制步进电机11的三相。 二极管D3、 D4、 D5分别与步进电机11的三组线圈II、 12、 13相并联，防 止反相过冲电流，为步进电机ll的三组线圈Il、 12、 13提供保护。
由于步进电机ll可直接接受来自计算机的数字信号，旋转相应的角度，且具有快速启停能力和精确步进的特点。故采用步进电机11来定位泄放阀门12， 并由软件替代复杂的步进控制器，将并行二进制码转换成串行脉冲序列并实行方 向控制，使线路得以简化，可靠性大大加强。步进电机11采用三相六拍运行方 式，即步距角为1.5° ，且以250步/秒恒定转速进行工作。
微处理器1根据氦气压力的大小作相应计算处理，使数字量变为步进电机 11的步数，通过PO. 1、 P0.2、 P0.3脚输出串行脉冲序列，由三极管T1 、 T2和 T3、 T4以及T5、 T6组成三个复合管分别驱动步进电机的三相线圈绕组I 1、 12、 13,使步进电机带动泄放阀门12动作，根据数据的正、负，增大或减 小开启相应角度，达到调节氦气流量的目的。
*设置键15
设置键15是一种由按键开关S、电阻R14、 R15及与非门74LS00构成的 防抖动电路。
设置键15输出中断请求信号，接入微处理器1的INTO脚，在字符显示 器2屏幕菜单的提示下，采用每按按键开关S —次，选择一个预设压力数值的 方式，循环设置氦气压力的报警阈值。
三、程序
根据以上设计原理，本装置采用以下程序-1、主程序
主程序的功能是对各接口进行初始化设置字符显示器2与微处理器1串 行端口的工作方式、键盘中断方式以及给堆栈、数据存贮单元和标志单元预 置初值等。在完成上电自检后，读取标志单元中的当前页号，装入并显示相应 的页内容。通过微处理器l相关的1/0口线，控制充放电路充电、定时器计时 过程，根据充电时间与所测氦气压力的关系，微处理器进行相应的计算处理，在 获得当前对应于超导重力仪内部氦气压力的计数值以后，通过查表方式，将预 置在数据存贮单元中对应的压力结果数据提取出来，转换为ASCII码，在字符显 示器2上加以显示；并通过RS-232通讯接口 13输出串行数据，然后对充放 电路放电，为下一轮的检测进行准备。
程序根据设置键15所确定的报警阈值，定时与当前氦气压力结果数据进 行比较，查询调节装置处于报警状态与否，若处于报警状态，则使报警指示 器9闪烁，蜂鸣器8间歇发声的同时，通过驱动器IO,使步进电机ll迅速转动，全部开启泄放阀门12，达到迅速排放氦气释放压力，保护超导重力仪 的目的；与此同时，字符显示器2闪烁显示"告警！压力超出设定值！"的提 示信息。只有在当前氦气压力的结果数据低于报警阈值后，微处理器1方才 退出报警状态。重又返回上述过程。
当接收到设置键15发出中断请求时，微处理器1将停止执行主程序转而 去执行中断子程序。在子程序结束后，方又回到原来执行的主程序继续工作。 主程序采用模块结构，各模块之间互相独立。
2、中断服务子程序
通过设置微处理器1内部所带有的多键盘组合的KBI寄存器，使设置键 15被按下时，触发对应的中断，进入本中断服务程序，在关中断、保护现场 后，根据设置键15当前所设定的状态，替换掉原来的页号，从数据存贮器中 取出与新页号相对应的页内容，以便在主程序中进行氦气压力值的显示切换或 者报警阈值的设定。通过当次对应于氦气压力的计数值与上次计数值的比较以 及当次步进坐标与上次步进坐标的比较，确定步进电机11的运行方向及步进 步数。通过步进电机控制程序，将环形节拍的控制模型顺序放在内存单元中， 然后按顺序逐一从单元中取出并输出，进而使步进电机11带动泄放阀门12 作相应动作，调节氦气流量。
在开中断、恢复现场后，执行RETI指令，中断返回到主程序。
权利要求1、一种氦气排放智能调节器，其工作对象是超导重力仪，其特征在于由微处理器(1)、字符显示器(2)、参考电压电路(3)、压力传感器(4)、充放电路(5)、第一驱动器(6)、继电器(7)、蜂鸣器(8)、报警指示器(9)、第二驱动器(10)、步进电机(11)、泄放阀门(12)、RS-232通讯接口(13)、计算机记录系统(14)和设置键(15)组成；压力传感器(4)安装在超导重力仪氦气存储罐的罐壁上，泄放阀门(12)安装在超导重力仪氦气存储罐的排气管上；压力传感器(4)与充放电路(5)的输入端相连；充放电路(5)的输出端、参考电压电路(3)、设置键(15)分别与微处理器(1)的输入端相连；微处理器(1)的输出端分别与RS-232通讯接口(13)的输入端、字符显示器(2)、第一驱动器(6)、第二驱动器(10)的输入端相连；RS-232通讯接口(13)的输出端与计算机记录系统(14)相连；第一驱动器(6)的输出端与继电器(7)的输入端相连，继电器(7)的输出端分别与蜂鸣器(8)和报警指示器(9)相连；第二驱动器(10)的输出端与步进电机(11)的输入端相连，步进电机(11)的输出端与泄放阀门(12)相连。
专利摘要本实用新型公开了一种氦气排放智能调节器，涉及一种超导重力仪附加装置。本实用新型的工作对象是超导重力仪，由微处理器、字符显示器、参考电压电路、压力传感器、充放电路、第一驱动器、继电器、蜂鸣器、报警指示器、第二驱动器、步进电机、泄放阀门、RS-232通讯接口、计算机记录系统和设置键组成；压力传感器安装在超导重力仪氦气存储罐的罐壁上，泄放阀门安装在超导重力仪氦气存储罐的排气管上；本实用新型集监测、控制于一体，可以实现对超导重力仪内部氦气压力的实时显示，并且根据压力大小自动控制调节氦气的排放，降低了液态氦的消耗；在大地测量、地球物理、地震观测、医疗等领域具有一定的应用和开发价值。
文档编号G05D16/20GK201383008SQ20092008434
公开日2010年1月13日 申请日期2009年3月24日 优先权日2009年3月24日
发明者周百力, 罗少聪 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所