专利名称：超导重力仪双温制冷膨胀机智能监控器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度监控记录装置；具体地说，涉及一种超导重力仪双温制冷膨胀机智能监控器，可应用于测量、地震及其它部门。
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。
超导重力仪使用汽化的氦气作为制冷剂，采用两级制冷方式，通过双温制冷膨胀机来维持超低温(低于-200℃)的工作环境，以保证超导重力仪传感单元始终工作在超导状态。
双温制冷膨胀机的工作温度及其稳定性，对超导重力仪的测量精度至关重要。它们的变化，会降低温度调节的长期稳定性，改变冷却杜瓦系统内气体的热流分布，使磁线圈和超导球之间产生热梯度，在磁场和重力仪信号中形成漂移，产生超过仪器许可精度的测量误差。所以，需要对制冷膨胀机的第一、二制冷级温度分别进行采样，用以进行必要的数据改正，确保超导重力仪的测量精度。
然而，目前的超导重力仪双温制冷膨胀机，存在以下几个方面的问题1、不具备连续实时监测显示其两制冷级温度的能力，无法对温度的变化造成超过仪器许可精度的测量误差进行必要的数据改正，确保超导重力仪的测量精度。
2、在制冷膨胀机发生故障，导致制冷温度异常时，不能自动切断其电源，至使超导重力仪可能脱离超导状态，无法继续提供正确的重力数据，甚至可能发生污染超导重力仪本体的重大事故。
3、在制冷膨胀机两制冷级温度超出许可范围时，不能自动进行声、光报警，提醒维护人员及时到达现场，对故障做出判断和处理，给工作带来隐患。
4、不能将制冷膨胀机两制冷级的温度及GPS数据输出到计算机记录系统进行连续实时的数据和图形曲线显示、存贮及打印，不便于数据的分析判断，缺少检修维护的依据。
5、不具备实时显示格林尼治日期、时间和北京时间的能力，不能利用GPS时间数据同步计算机记录系统，使之与格林尼治时间精确同步，不利于观测数据的记录分析。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种超导重力仪双温制冷膨胀机智能监控器。具体要求其一是采用传感器和微机技术，集监测、控制于一体，实现对双温制冷膨胀机两制冷级温度的显示、存贮和监控；其二是在两制冷级的温度超出设定范围时，可在声、光自动报警的同时，迅速切断制冷膨胀机电源，达到保护制冷膨胀机与超导重力仪本体的目的；其三是根据用户通过拨码盘的设定，自动将制冷膨胀机两制冷级温度结果数据通过通讯接口定时集中输出到计算机记录系统加以显示和存贮；其四是利用GPS时间数据同步计算机记录系统，使之与格林尼治时间精确同步；其五是结构简单、精度高、功耗低。
本发明的目的是这样实现的在双温制冷膨胀机中的第一、第二制冷级处分别设置铂热电阻，由信号线引至本发明，用于制冷膨胀机工作温度的检测。
本发明由铂热电阻、微处理器、字符显示器、继电器、通讯接口、操作键盘、通讯接口等部件组成。在完成监控器的上电自检后，制冷膨胀机第一和第二制冷级的电压模拟信号送入模数转换器，转换为数字信号送至微处理器，根据所测信号与铂热电阻、温度的关系，进行相应的查表及计算处理，即可获得当前制冷膨胀机第一和第二制冷级上的铂热电阻值与对应温度，在将其转换为ASCII码后，在字符显示器上连续实时显示之；一旦发现温度超出所设定的范围，即在声、光自动报警的同时，通过继电器控制，迅速切断制冷膨胀机电源，达到保护设备的目的。另外，两制冷级的温度数据还可通过RS-232通讯接口，以串行方式输出到计算机记录系统，加以实时显示和存贮，作为今后分析维护的依据。
具体地说由图1可知，本发明的电路板安装在机壳24内。在机壳24的前面板上安装有字符显示器10、选择键13、设定键14、报警指示16、电源指示19、失锁指示20、秒指示21、对比度调节22、背景光开关23。
由图2可知，在机壳24的后面板上安装有拨码盘9、蜂鸣器15、GPS天线插座25、制冷膨胀机电源控制插座26、RS-232接口输出插座27、制冷膨胀机第一制冷级和第二制冷级温度信号输入插座28和29，电源开关30、电源插座31。
由图3可知，第一制冷级铂热电阻6和第二制冷级铂热电阻7分别与模数转换器8的信号输入端相连；基准电压源5的输出端与模数转换器8的参考电压输入端相连；GPS-OEM板2的输出端、存贮器4、拨码盘9、选择键13、设定键14分别与微处理器3的输入端相连；微处理器3的输出端分别与字符显示器10、继电器11的输入端、RS-232通讯接口12的输入端相连；继电器11的输出端与制冷膨胀机电源17、蜂鸣器15、报警指示16相连；RS-232接口12的输出端与计算机记录系统18相连。
GPS天线(1)与GPS-OEM板(2)的输入端相连；本发明的的工作原理是在完成监控器的上电自检后，制冷膨胀机第一和第二制冷级铂热电阻6、7上的电压模拟信号分时送入模数转换器8，转换为数字信号送至微处理器3，根据所测信号与铂热电阻、温度的关系，进行相应的查表及计算处理，在获得制冷膨胀机两制冷级的铂热电阻值及对应温度数据后，将其转换为ASCII码，在字符显示器10上加以显示，同时由存贮器4加以存贮。根据用户在拨码盘9上设置的时间间隔，通过RS-232通讯接口12自动定时输出串行数据，集中提供给计算机记录系统18，完成数据图形曲线的显示、存贮和打印，以对温度的变化造成超过仪器许可精度的测量误差进行必要的数据改正，确保超导重力仪的测量精度，并作为今后分析维护的依据。与此同时，还随时与用户由设定键14所设置的报警阈值进行比较，一旦发现温度超出设定的范围，即在蜂鸣器15、报警指示16声、光报警的同时，通过继电器11控制，迅速切断制冷膨胀机电源17，达到保护设备的目的。
工作期间，监控器还自动接收来自天线1的GPS信号，对信号进行跟踪、锁定，提取出日期、时间及三维位置等信息，在字符显示器10上连续实时显示高精度的时间和地理位置信息；同时还可通过串行接口12，对计算机记录系统18的系统时钟进行实时校正，使之与协调世界时精确同步。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果①采用单片微机控制，结构简单，操作方便，抗干扰能力强，成本与功耗低，体积小。
②全天候、连续实时提供对制冷膨胀机的监控，具备同时显示其两制冷级铂热电阻值与其对应温度的能力，有利于对制冷膨胀机工作状态的监测。
③具有显示页切换能力，用户可通过键盘进行制冷膨胀机的两制冷级的铂热电阻值、温度值以及GPS等观测数据的显示切换。
④具有设置温度报警阈值的能力，用户可通过键盘进行制冷膨胀机的两制冷级的报警阈值的设定。
⑤可在制冷膨胀机的两制冷级温度超出设定范围时，自动进行声、光报警和字符闪烁提示，提醒维护人员及时到达现场，排除故障，同时自动切断制冷膨胀机电源，达到保护设备的目的。
⑥RS-232通讯接口可以将制冷膨胀机两制冷级的铂热电阻值、温度值以及GPS等观测数据，经由串行通讯电缆，输出到计算机记录系统，完成数据图形曲线的显示、存贮和打印，以对温度的变化造成超过仪器许可精度的测量误差进行必要的数据改正，确保超导重力仪的测量精度，并作为今后分析维护的依据。
⑦可根据用户通过拨码盘设定的时间间隔，自动将预存在存贮器中的数据定时向计算机记录系统进行数据的集中转存，同时刷新存贮器。
⑧除了需要在制冷膨胀机的两制冷级处安装铂热电阻并将制冷膨胀机的电源线接入本发明的制冷膨胀机电源控制插座外，无须对原有的低温制冷系统进行任何改动，操作简单、方便、快捷，具有推广应用价值。
⑨RS-232通讯接口输出的时间信息，可经由串行通讯电缆输入到计算机记录系统，对其系统时钟进行校正，使之与协调世界时精确同步，有利于观测数据的记录分析，改变了传统计算机系统时间精度低、需要人工手动对时的工作方式。
总之，本发明的使用可提高超导重力仪观测的自动化和安全程度，并提供制冷膨胀机两制冷级工作温度数据作为超导重力观测数据分析、改正之用，在大地测量、地球物理、地震观测等领域具有一定的应用和开发价值。
图1为本发明外形结构前面板示意图；图2为本发明外形结构后面板示意图；图3为本发明组成方框图；图4为本发明组成电路原理图。
其中1-GPS天线、2-GPS-OEM板，本实施例选用GAMIN公司的GPS25；3-微处理器，本实施例选用ATMEL公司的AT89C32及其配套电路；4-存贮器，本实施例选用6264静态RAM；5-基准电压源，本实施例选用AD780；6-第一制冷级铂热电阻；7-第二制冷级铂热电阻；8-模数转换器，本实施例选用AD公司的AD7730及经由基准电压源向两制冷级铂热电阻提供测试电压的电路；9-拨码盘；10-字符显示器，本实施例选用精电公司的MDLS16268C；11-继电器；12-RS-232接口，本实施例选用MAX202；13-选择键；14-设定键；15-蜂鸣器；
16-报警指示；17-制冷膨胀机电源；18-计算机记录系统；19-电源指示；20-失锁指示；21-秒指示；22-对比度调节；23-背景光开关；24-机壳；25-GPS天线插座；26-制冷机电源控制插座；27-RS-232接口输出插座；28-第一制冷级温度信号输入插座；29-第二制冷级温度信号输入插座；30-电源开关；31-电源插座。
具体实施例方式
下面结合图4对本发明各功能块进一步说明图4是图3对应的电路原理图。
*微处理器3微处理器3选用ATMEL公司的AT89C32及其配套电路，它是整个系统处理、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。微处理器3通过A0～A12地址线、D0～D7数据线及读RD/、写WR/、复位RESET等信号对全系统进行控制。
微处理器3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。
SS1晶体振荡器与电容C2、C3组成11.059MHz的晶体振荡电路，与微处理器3的X1、X2引脚相连构成内部振荡方式，用来提供微处理器3内各种微操作的时间基准。
74LS373地址锁存器用于解决微处理器3地址总线与数据总线分时复用的问题。
电容C1、电阻R1构成自动上电复位电路，使监控器从0000H地址单元开始执行监控程序。
74LS138地址译码器对地址线A13-A15进行译码，它的输出Y0-Y2分别作为存贮器4、模数转换器8、字符显示器10的片选信号，由微处理器3通过数据线对它们分时进行访问。
*存贮器4、选择键13与设定键14作为选择键13的S1经由电阻R3、R4及74LS00与非门构成的防抖动电路输出中断请求信号，接入微处理器3的INT1脚，在字符显示器10屏幕菜单的提示下，采用翻页方式，依次实时显示制冷膨胀机两制冷级的铂热电阻值及对应温度，以及测定的格林尼治时间、日期，北京时间、经度、纬度和高度等GPS观测数据。
作为设定键14的S2经由电阻R6、R7及74LS00与非门构成的防抖动电路输出中断请求信号，接入微处理器3的INT0脚，在字符显示器10屏幕菜单的提示下，采用每按设定键一次温度数值增加1；在选择键13按下的同时，每按设定键14一次数值减少1的方式，设置第一/二制冷级的温度报警阈值。
存贮器4除了保存制冷膨胀机第一、第二制冷级的铂热电阻值与其对应的温度值，以及接收到的GPS观测数据，亦可根据用户通过拨码盘设定的时间间隔，自动将预存在其中的数据定时向计算机记录系统18进行数据的集中转存，同时刷新存贮器。
*基准电压源5、模数转换器8模数转换器8选用AD公司的分辨率为24位的AD7730，配置为2个通道的信号输入。微处理器3通过其端口的P14、P15、P16、P17，分别与模数转换器8的SCLK、DRDY/、DOUT与DIN端相连接。模数转换器8的MCLKIN与MCLK OUT端接入SS2晶体，用以获得时基信号。基准电压源5采用低噪声电压基准源AD780，作为模数转换电压的比较基准，接入微处理器3的REF IN+端。制冷膨胀机第一和第二制冷级的电压模拟信号，分别经模数转换器8的2个信号模拟输入端AIN1+/-、AIN2+/-直接检出，由模拟开关逐个分时送入输入缓冲器和可编程增益放大器，经∑-△调制器转换成含有数字信息的数字脉冲序列，经由截止频率可编程的低通数字滤波器进行处理。在模数转换完成后，模数转换器8的DRDY/脚输出电平变低，并要求微处理器3提供SCLK时钟信号；微处理器3通过P14、P15、P17编程输出对模数转换器8的寄存器进行设置，将当前通道号及结果数据，与接收到的GPS信息一道，通过中断功能调用，送入字符显示器10实时显示与存贮器4保存。
基准电压源5同时还经电位器P2分别向标准电阻R14、R15和连接在JTEMP插座上的第一、二制冷级被测铂热电阻RX1、RX2提供测试电压。因为标准电阻R14、被测第一制冷级铂热电阻RX1构成的串联支路上，流经它们的电流相同，又因为VR14、R14已知，则可由当前测量电压VRX1求出被测铂热电阻RX1。同理，从标准电阻R15、第二制冷级被测铂热电阻RX2构成的另外一条串联支路上，可以求出RX2。
电阻R13、R14与R17、R18分别作为7730的REF IN-端与AIN1/2+的输入电阻；电容C14和C15、C16分别为参考电压和信号输入端的滤波电容。
*字符显示器10字符显示器10的8位并行数据总线直接与系统数据总线联接，微处理器3在数据总线形式下，向字符显示器10发送指令代码或数据。来自地址译码器74LS138输出的Y2与微处理器3的读RD/和写WR/控制信号一道，产生字符显示器10的片选E；地址锁存器74LS373的输出地址A0、A1则作为指令/数据寄存器选择和读/写选择的控制信号。作为对比度调节22的电位器P1和电阻R5对供电电压VCC分压后，提供给VD脚，用以调节字符显示器10的显示对比度。S3是背光照明源控制，可将5V直流电压提供给字符显示器10的发光二极管，使它能在弱光或黑暗的条件下使用。
*继电器11、蜂鸣器15及报警指示16继电器11由下列元件组成，其连接关系是电阻R20与三极管N2的基极相连，三极管N2的发射极与三极管N3的基极相连，三极管N2、N3的集电极均与+5V电源相连。N3的发射极与继电器REL线圈绕组的一端相连，REL线圈绕组的另一端与地相连。二极管D1与继电器REL线圈绕组相并连，防止反相过冲电流，为REL线圈绕组提供保护。
电感L的一端与电容C19正端和继电器REL的常开触点的一端相连，L的另一端与电容C20以及+5V电源相连；C19、C20的负端与地相连。常开触点的另一端与蜂鸣器15的一端相连。
P35同时控制蜂鸣器15和作为报警指示16的红色发光二极管L4。平时，P35为低电平，三极管N2、N3共同构成的复合三极管截止，继电器常开触点开路，没有电流通过蜂鸣器15，蜂鸣器不发声示警，作为报警指示16的发光二极管L4也不闪烁发光。而此时常闭触点处于闭合状态，与其相串接的220V交流电压能够加在制冷机电源17上，制冷机正常工作；一旦微处理器3查询到某一级制冷温度超出设定的报警阈值，P35脚输出高电平，三极管N2、N3共同构成的复合三极管导通，继电器常闭触点断开，迅速切断制冷机电源17，达到保护设备的目的；而此刻继电器常开触点闭合，+5V电压接入，蜂鸣器15间歇发声示警，与其串连的报警指示16闪烁发光。R21为报警指示16的L4提供分流保护。电感L、电容C19、C20共同构成+5V电源的滤波电路，平滑蜂鸣器15间歇发声时形成的干扰。
*GPS-OEM板2、失锁指示20与秒指示21GPS-OEM板2自动接收来自天线1的L1波段的GPS信号，经过前置放大、窄带滤波、频率合成，通过高速A/D转换，分成12个并行通道，实现对GPS信号的跟踪、锁定，以9600baud的波特率输出串行数据。微处理器3一方面将获得的日期、时间及三维位置等信息提取出来，以字符的方式在字符显示器10上加以显示，连续实时提供时间及地理位置信息；同时通过通讯连接电缆，经由中断功能调用，将监控器输出的高精度时间信息，对计算机记录系统18的系统时钟进行校正，从而使其与协调世界时精确同步。
GPS-OEM板2输出的秒脉冲经三极管N1、电阻R8、R9构成的放大器反相后，通过LM555和电阻R10、电容C4、C5构成的单稳态电路，输出到作为秒指示21的发光二极管L2，指示秒脉冲的到来。
当锁定卫星少于3颗，本发明处于失锁状态时，微处理器3的P34脚发出脉冲信号，经74LS00与非门输出到作为失锁指示20的发光二极管L3，使其闪烁；与之同时，字符显示器10闪烁显示“正在跟踪……”的提示信息；失锁时，本发明会自动切换到内部时钟，继续保持时间显示。
*RS-232接口12由于微处理器3输出的串行数据是0～5V的TTL电平，而计算机记录系统18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，增设了串行收发器MAX202，由微处理器3的串行口TXD输出端，通过收发器实现监控器与计算机记录系统的异步串行通讯，输出制冷膨胀机第一/第二制冷级铂热电阻的阻值、对应的温度值以及格林尼治时间、日期或北京时间等GPS数据。
根据以上设计原理，本发明采用以下程序一.主程序主程序的功能是对各接口进行初始化设置微处理器3串行端口与字符显示器10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。在完成监控器的上电自检后，读取标志单元中的当前页号，装入并显示相应的页内容。在获得当前制冷膨胀机各个制冷级输出的模拟信号数据后，根据它们与铂热电阻、温度的关系，由微处理器3进行相应的计算处理，通过查表方式，将预置在数据存贮单元中制冷膨胀机各制冷级的结果数据提取出来，转换为ASCII码，在字符显示器10上加以显示并送存贮器4加以保存。
在判断并接收到GPS信息数据后，微处理器将获得的日期、时间及三维位置等信息提取出来，将协调世界时转化为北京时，分别存储到相应的数据单元；同时查询本发明是否处于失锁状态，若失锁，则使失锁指示20闪烁，并由字符显示器10上显示提示信息；监控器根据用户在拨码盘9上设置的时间间隔，定期通过RS-232通讯接口12集中输出串行数据。
程序根据用户通过设定键14所确定的报警阈值，与制冷膨胀机各个制冷级当前温度结果数据进行比较，查询监控器处于报警状态与否，若处于报警状态，则使报警指示16闪烁，蜂鸣器15间歇发声；同时，通过继电器11控制，迅速切断制冷机电源17，达到保护设备的目的；与此同时，字符显示器10闪烁显示“告警！第一(或第二)制冷级温度超出设定值！”的提示信息。只有在当前温度的结果数据低于报警阈值后，微处理器3方才退出报警状态。重又返回上述过程。
当接收到选择键13或设定键14发出中断请求时，微处理器3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。
二.中断服务程序1
选择键13经由防抖动电路输出中断请求信号，接入微处理器3的INT1脚，使选择键13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，根据选择键13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，在字符显示器10屏幕菜单的提示下，采用翻页方式，依次实时显示制冷膨胀机第一/第二制冷级的当前铂热电阻值、对应的温度值以及格林尼治时间、日期或北京时间等GPS数据。
三.中断服务程序2设定键14经由防抖动电路输出中断请求信号，接入微处理器3的INT0脚，使设定键14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，在字符显示器10屏幕菜单的提示下，在原设定的第一/第二制冷级报警温度阈值的基础上，采用每按动设定键14一次增加1度；如果选择键13同时按下，则每按动设定键14一次减少1度的方式，设置第一/第二制冷级报警温度阈值。
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
1.一种超导重力仪双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于第一制冷级铂热电阻(6)和第二制冷级铂热电阻(7)分别与模数转换器(8)的信号输入端相连；基准电压源(5)的输出端与模数转换器(8)的参考电压输入端相连；GPS-OEM板(2)的输出端、存贮器(4)、拨码盘(9)、选择键(13)、设定键(14)分别与微处理器(3)的输入端相连；微处理器(3)的输出端分别与字符显示器(10)、继电器(11)的输入端、RS-232通讯接口(12)的输入端相连；继电器(11)的输出端与制冷膨胀机电源(17)、蜂鸣器(15)、报警指示(16)相连；RS-232接口(12)的输出端与计算机记录系统(18)相连；GPS天线(1)与GPS-OEM板(2)的输入端相连。
2.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于GPS天线(1)和GPS-OEM板(2)选用GARMIN公司的GPS25型。
3.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于微处理器(3)选用ATMEL公司的AT89C52及其配套电路。
4.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于基准电压源(5)选用AD公司的AD780。
5.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于模数转换器(8)选用AD公司的AD7730。
6.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于存贮器(4)选用静态RAM芯片6264。
7.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于RS-232通讯接口(12)由串行收发器MAX202与插座J232组成。
8.按权利要求1所述的双温制冷膨胀机智能监控器，其特征在于字符显示器(10)选用精电公司的MDLS16268C。
全文摘要
本发明公开了一种超导重力仪双温制冷膨胀机智能监控器，涉及一种温度监控记录装置。本发明主要包括第一、第二制冷级铂热电阻(6、7)、模数转换器(8)、微处理器(3)、存贮器(4)、字符显示器(10)、继电器(11)、RS－232接口(12)。本发明采用传感器和微机技术，集监测、控制于一体，实现对双温制冷膨胀机两制冷级温度的显示、存贮和监控；在两制冷级的温度超出设定范围时，可在声、光自动报警的同时，迅速切断制冷膨胀机电源，达到保护双温制冷膨胀机及其超导重力仪本体的目的。本发明在大地测量、地球物理、地震观测等领域具有一定的应用和开发价值。
文档编号G01K7/18GK101021726SQ200710051669
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月15日 优先权日2007年3月15日
发明者周百力 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所