专利名称：双绝对值光电编码液位温度变送器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种变送器，具体涉及一种对液位温度数据采集、计算，信号处理和远距离传送的变送器。
主要用于测量贮罐或其他容器的液位和温度，并远距离传送到上位工控机进行显示、打印和报警等等。
背景技术：
现有的液位温度变送器，其液位测量是用浮子钢带液位计输出轴驱动，通过齿轮传动，使码盘转动，码盘上的码道是印刷电路板式，每个码道上有一个具有弹性的触丝，与印刷电路滑动接触。由于长期转动，触丝磨损，触丝弹力丧失等，致使触丝与印刷电路铜片接触不良，经常出现错码、误码和漏码等故障，故障率较高。而其齿轮传动，因齿轮间隙、齿轮制造误差、安装间隙等，产生齿轮滞后的固有现象，精度较差。
目前，还有的液位温度变送器，采用增量式光电编码器测量转角，用电子计数器记忆精码盘的圈数，停电后所采集的数据全部消失，欲长期保持数据，必须使用电池，不能满足用户使用要求。还有的液位温度变送器，进位通常采用减速齿轮组，致使码盘零位各圈不一致，进位不准，造成很大误差。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有的变送器分辨率低，测量范围小，进位不准，液位记忆时间短，性能不稳定等缺陷，而提供一种具有高分辨率、测量范围大、液位记忆时间长、避雷效果好、性能稳定可靠的双绝对值光电编码液位温度变送器。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是 第一、本实用新型研发了双绝对值光电编码器，用其替代机械式编码器。它的组成是在外壳中，主要有两个圆光电码盘，其中一个精码盘转动一周，另一粗码盘瞬间转动一个分度。另外还有一个指标盘，它固定不动。圆光电码盘上的码道是由真空沉积在玻璃上的明暗相间的各种铬膜组成。指标盘有一条狭缝，可透红外光束，其余部分均不透红外光束。精码盘和粗码盘之间有一为突变进位用的机械传动装置。编码器的转动部分上装圆光电码盘，固定部分上装指标盘。圆光电码盘和指标盘组成了一对扫描系统。向这个扫描系统投射一束红外光束，就可在扫描系统的另一边接收到格雷码形式的扫描光电信号，其中精码盘所获得的光电信号精确体现精码盘的转角，粗码盘所获得的光电信号精确体现粗码盘的转角，亦即精码盘的转圈。双绝对值光电编码器26，主要包括精码盘1、定位法兰2、轴承3、定位螺钉4、圆柱头螺钉5、上固定板6、小齿轮轴8、轴架9、小齿轮11、粗码盘12、下固定板13、定套14、档套15、轴16、下红外光源18、粗指标盘19、接收光盘20，精指标盘21、上红外光源22；精码盘1紧固在定位法兰2上，定位法兰2用定位螺钉4固定于轴16上；粗码盘12用圆柱头螺钉5紧固在定套14上；小齿轮轴8固定在轴架9上，小齿轮11套装在小齿轮轴8上；精码盘1和粗码盘12均与小齿轮11啮合；精码盘1转一周，粗码盘12突变进位转动一个分度；精指标盘21紧固在上固定板6上，粗指标盘19紧固在下固定板13上，上固定板6和下固定板13固定在壳体上；精指标盘21和粗指标盘19上面均刻有一狭缝，向其投射一束红外光，在另一边由接收光盘20接收到格雷码形式的光电信号。
浮子钢带液位计的输出轴通过钢性联轴节或磁性偶连器与光电编码器的旋转轴相连接，将角位移量直接转换成数字量，用格雷码输入智能器件。其间无齿轮传动，没有齿轮间隙误差和齿轮固有的滞后现象，同时，克服了机械式编码器因触丝和印刷电路板接触不好而造成的错码、误码和漏码等诸多弊端。
第二、为了克服机械式编码器分辨率不高，精度不高，测量范围小的缺陷，本实用新型采用增加码道数目来解决。本例中精码盘为9个码道，则29＝512，取整数舍去12，余500组格雷码，分辨率为360°/500，亦即每分度为圆周的500分之一。如欲增加分辨率，只需增加码道数目即可，假设本例中精盘增加2个码道，变成11个码道，则211＝2048，分辨率就变成360°/2048，亦即每分度为圆周的2048分之一，并且这种方式并没有增加多少制造成本，却大幅度地提高分辨率，同时也提高了精度。
目前，一般变送器的液位测量范围都在0～30(m)左右，大量程很难办到，不能满足使用要求。在扩大测量范围方面，本实用新型采用改变粗码盘的码道数目来实现。例如，精码盘转一圈的液位当量为300mm，该值是由浮子式钢带液位计所确定的定值。当精码盘转动一圈，它的进位机构使粗码盘转一个分度，亦即粗码盘的最大分度数即是精码盘转的最多圈数，编码器的最大量程约等于300mm乘以粗码盘的最大分度数。设计粗码盘为9个码道，则29＝512，取整数舍去12，余500组格雷码，那么最大测量范围约为300(mm)×500＝150000(mm)＝150(m)。现欲加大或缩小量程，只需改变粗码盘的码道数目即可，假设粗码盘增加到11个码道，则211＝2048，那么最大测量范围为300(mm)×2048＝614.4(m)。
第三、为解决目前变送器对液位记忆功能的不足，本实用新型采用的方案是在设计圆光电码盘时，二个码盘均设计为绝对值式，每个分度号都对应唯一一组光电信号，即格雷码组。
目前，有些变送器采用增量式光电编码器测量转角，用电子计数器记忆精盘的圈数，它们在停电后，转角和圈数值均消失。为了保存记忆，停电后采用充电电池来继续维持工作状态，由于充电电池受体积限制容量有限，加之仪器的使用现场多为潮湿环境，电池容易漏电、放电等，所以它们的记忆时间有限，目前大概记忆24小时左右，远远达不到用户的使用要求。
本实用新型将光电编码器设计成双绝对值式，而不是增量式。在停电后，一种情况是液位不变化，那么，浮子式钢带液位计的输出轴停转在某圈和某转角位置上，双绝对值光电液位编码器的轴也停转在某圈和某转角位置上，所对应的格雷码组也应是某圈(粗盘上对应的格雷码组)和某转角(精盘上对应的格雷码组)，通电后，所采集的粗码盘上的格雷码组和精码盘上的格雷码组就能准确记忆停电时的液位值。因此，它无需充电电池来保持，具有永久记忆功能。第二种情况，停电后液位发生了变化，那么浮子式钢带液位计的输出轴，也就是双绝对值光电编码器的轴也转到某圈和某转角位置，如前述，通电后，采集粗码盘上的格雷码组和精码盘上的格雷码组，也就记忆了变化后的某瞬间的液位值了。
第四、为解决目前一般变送器精码盘在转动一周的过程中，粗码盘也随之转动，致使精码盘进位不准的问题，本实用新型采用突变机构进行进位，并在粗码盘上设计有校正码道。
现在一般变送器所采用的是减速齿轮组渐进方式进位，亦即在精码盘转动过程中，粗码盘也随之渐渐转动，往往出现如下错误，当精码盘转动接近一圈时，粗码盘也随之逐渐转动到接近进位的位置，由于齿轮间隙，制造精度和调整误差等，虽然两个码盘的初始零点对准，但其他圈的零点可能对不准，从而出现圈数误差，这是一个大误差，每差一圈，本例中所反应的液位差300mm。
本实用新型为解决该技术问题所采用的方案是，将粗码盘的进位方式设计成在固定点瞬间突变式的结构，亦即精码盘在一圈以内转动，粗码盘固定不动，当粗码盘应该进位时，瞬间突变，旋转一个分度，记一圈。这样精码盘处在进位临界状态，粗码盘还固定在原来位置，差一个分度位置，它的齿轮误差等不会造成错误进位，也就避免了粗码盘记圈数的错误。参见图7。图7中精码盘1旋转一圈，瞬间拨动小齿轮11，通过小齿轮11，瞬间拨动粗码盘12转一个齿，亦即一个分度角。但是，精码盘1在一圈以内转动过程中，小齿轮11固定不动，粗码盘12也固定不动。而且粗码盘每圈的进位点固定不变，使每圈零点都能对准。
第五、为了解决目前一般变送器采用分时采集精码盘和粗码盘的数据而造成的错误信息问题。本实用新型输入接口采用54HC373，8D锁存器方案，可实现同时对精码盘和粗码盘的数据采集。
一般变送器精码盘和粗码盘的数据采集是分时制式，容易产生动态下的错误数据信息。例如，欲测某时刻的液位值，假设此时刻精码盘处在359°位置，粗码盘处在1分度号位置，那么同时采集，反映液位的总转角应为359°+360°×1＝719°，这是正确值。但若用分时制采集情况下，先采集精码盘为359°，后采集粗码盘，因是动态的，此刻粗码盘可能进位到2分度号位置，那么反映液位总转角变为359°+360°×2＝1079°，显然出现错误，多出360°。
本实用新型采用54HC373，8D锁存器方案，通过软件控制，给8D锁存器的11脚同一时刻加一高电平，三只8D锁存器，同时对精码盘和粗码盘进行数据采集，而后锁存在8D中。
第六、为了解决变送器多输入量和多输出量问题，本实用新型应用16位单片机取代8位单片机。
本例中，所应用的16位单片机，它的一般性输入/输出口多达40个，还有4根高速输入脚和6根输出线，即解决了多输入量和多输出量问题，而8位单片机输入/输出口少，需扩口，使线路复杂，抗干扰和可靠性都较差。此16位机的软件资源也特别适用于数据采集、处理和控制系统，特别是它的16位×16位的乘法指令和32位÷16位的除法指令，使本产品的计算变得简单直接，大大地提高了软件的“时空”指标，加强了该产品的稳定性。
第七、本实用新型为了解决系统的抗干扰问题，硬件设计有带隔离电源的三组各自独立的稳压电源。一组供给光电编码器，一组供给单片机等电子线路，一组供给通讯光隔以外的电子线路。这样既防止彼此牵扯，又防止了彼此互相干扰。还设计有看门狗电路，系统定时电路等，防止程序“跑飞”或“程序进入死循环”等。软件设计有“软件陷阱”，“出错处理子程序”和“冗余设计”，进行软件抗干扰。
第八、本实用新型采用电压抑制管，金属一氧化物压敏电阻和间隙放电管等措施，进行避雷和抑制过电压等。
第九、本实用新型采用DS75176B差分线路收发器、RS—485总线方式和线转发器等，解决信号远传问题。
本实用新型的有益效果是 解决了机械式编码器和目前有些编码器的各种不足。使液位测量准确无误。精度高。测量范围大，设计有进位突变机构和校正码道，进位准确，能满足各种要求。对液位具有永久性记忆功能，无须任何电池保持。实现了对贮罐或其他容器远距离液位和温度数据传输。对信号同时采集锁存，克服了分时采集造成的错误信息问题。能有效避雷和抑制过电压，硬件和软件抗干扰性强，系统稳定可靠。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1、图2、图3、图4和图5是电路原理图。图1是输入接口图，图2是16位单片机图，图3是信号放大和A/D转换图，图4是输出接口、远距离传输和避雷装置图，图5是三组稳压电源图。
图6是电路方框图。也是摘要附图。
图7是双绝对值光电编码器结构图。
图中，1.精码盘，2.定位法兰，3.轴承，4.定位螺钉，5.圆柱头螺钉，6.上固定板，7.固定螺钉套，8.小齿轮轴，9.轴架，10.定位片，11.小齿轮，12.粗码盘，13.下固定板，14.定套，15.档套，16.轴，17.垫片，18.下红外光源，19.粗指标盘，20.接受光盘，21.精指标盘，22.上红外光源，23.联轴节，24.钢带液位计轴，25.浮子钢带液位计。
图8是单片机程序流程图。
具体实施方式
在图7中，浮子钢带液位计25，它的钢带与贮罐中的浮子相连接，浮子随着液位而升降。钢带驱动其输出轴24转动，输出轴24通过钢性联轴节23与双绝对值光电编码器的旋转轴16相连接，两轴同步转动。当轴16旋转一圈，其带动精码盘1转一圈，通过突变机构瞬间由小齿轮11拨动粗码盘12转1个分度。对应贮罐某一液位，精、粗码盘也就相应处在某一位置。
在图7中，下红外光源18向粗指标盘19投射一束红外光束；上红外光源22同时也向精指标盘21投射一束红外光束。各自通过指标盘的唯一一条狭缝，射向粗码盘和精码盘，在它们的后面装有光电三级管的接受光盘20，各自就接收到光电信号。
在图1中，光电编码器GDB通过接线端子，把精、粗码盘各码道输出端连接到54HC373型8D锁存器U1、U2和U3的对应输入端。配合软件控制，同时给8D锁存器U1、U2和U3的触发送数端11脚加一高电平，精、粗码盘同时送数。此后，通过软件控制再给11脚加一低电平，精、粗码盘数据就同时锁存在U1、U2和U3中了。
源程序段为 ORB IOPORT2，#01000000B；精、粗码盘同时送数 ANDB IOPORT2，#10111111B；精、粗码盘数据锁存 由此，通过软件和硬件相配合，实现了同时对精码盘和粗码盘的数据采集和锁存。
精码盘和粗码盘锁存器同时数据锁存后，在图8中，“精码盘锁存器数据允许”，“读精码盘锁存器数据”，“粗码盘锁存器数据输出允许”，“读粗码盘锁存器数据”，然后进行精码盘数据处理计算，粗码盘数据处理计算，最后将精码盘值和粗码盘值相加，液位终值送寄存器，等待发送给上位机。
源程序段为 ORBIOPORT1，#00010000B ；精码盘锁存器数据允许 LDBSMALLL，IOPORT3 ；读P3口送寄存器SMALLL(70H) LDBSMALLH，IOPORT4 ；读P4口送寄存器SMALLH(71H) ANDB IOPORT1，#11101111B ；精码盘锁存器数据输出禁止 ORBIOPORT1，#00100000B ；粗码盘锁存器数据输出允许 LDBLARGE，IOPORT3 ；读粗码盘数据送寄存器LARGE(80H) ANDB IOPORT1，#11011111B ；粗码盘锁存器数据输出禁止 ；精码盘数据处理和计算程序 GTOB16LDB9AH，#OFH ；将16位格雷码转换为16位二进制数 SHL70H，#1 ADDC 70H，0 GBLPO JBC70H，0，GBGON ADDB 71H，#80H GBGON SHL70H，#1 ADDC 70H，0 DJNZ 9AH，GBLP0 CMP70H，#F9H JH DATA2 DATA1MULU LREGS，70H，#0006H ；乘精码盘分辨率，#06H ；LREGS，为双字型操作数， ；地址为090H，091H，092H，093H DATA2SUB 70H，70H，#OCH LJMP DATA1 ；粗码盘数据处理和计算程序 GTOB8LDB OAAH，#07H ；将8位格雷码转换为8位二进制数 SHLB LARGE，#1 ADDCB LARGE，0 GBLP1JBC LARGE，0，GBGOM ADDB LARGE，#80H GBGOMSHLB LARGE，#1 ADDCB LARGE，0 DJNZ OAAH，GBLP1 MULU LREGL，LARGE，#OBB8H ；乘粗码盘系数OBB8H ；LREGL为双字型操作数， ；地址为OA0H，OA1H，0A2H，0A3H ；精、粗码盘值相加程序 ADDC LREGS，LREGL ；液位终值存在LREGS中， ；地址为090H，091H，092H，093H 在图8中，“允许EXTINT中断”，用ACK上升沿响应中断，进入200EH温度响应服务程序起址。将放大后的温度信号进行A/D转换，送入单片机，经过计算和处理，把温度终值送寄存器，等待发送给上位机，中断子程序返回。多机通信，主机(上位机)首先发出要寻址的从机地址呼叫，从机(本机)接收地址信号帧。
在图8中，当软件程序进行到“置标志寄存器FLAG为零，接收中断”，从机在“开放RI中断”，“置串行口模式2，允许接收(REN＝1)”的条件下，在一帧的“起始”位下降沿启动串口接收中断响，进入串口接收中断服务程序起址2032H。从机接收主机发送的地址，进行地址比较，确认后，向主机返回地址供主机核对，核对无误后，主机向被寻址的从机发送命令，通知从机进行数据发送，从机回答主机准备接收，置标志FLAG为1，中断子程序返回。
在图8中，当软件程序进行到“写SBUF(TX)，启动发送中断”，“开放T1中断”，在FLAG等于1条件下，进入串口发送中断服务程序起址2030H，被寻址的从机向主机发送数据，先发送液位终值，校对无误，后发送温度终值，校对无误，中断程序返回。再无条件转回，等待下一次发送。
权利要求1、一种双绝对值光电编码液位温度变送器，包括浮子钢带液位计，温度传感器，其特征在于包括双绝对值光电编码器(26)，电路装置(36)；
所述的双绝对值光电编码器(26)，主要包括精码盘(1)、定位法兰(2)、轴承(3)、定位螺钉(4)、圆柱头螺钉(5)、上固定板(6)、小齿轮轴(8)、轴架(9)、小齿轮(11)、粗码盘(12)、下固定板(13)、定套(14)、档套(15)、轴(16)、下红外光源(18)、粗指标盘(19)、接收光盘(20)，精指标盘(21)、上红外光源(22)；精码盘(1)紧固在定位法兰(2)上，定位法兰(2)用定位螺钉(4)固定于轴(16)上；粗码盘(12)用圆柱头螺钉(5)紧固在定套(14)上；小齿轮轴(8)固定在轴架(9)上，小齿轮(11)套装在小齿轮轴(8)上；精码盘(1)和粗码盘(12)均与小齿轮(11)啮合；精码盘(1)转一周，粗码盘(12)突变进位转动一个分度；精指标盘(21)紧固在上固定板(6)上，粗指标盘(19)紧固在下固定板(13)上，上固定板(6)和下固定板(13)固定在壳体上；精指标盘(21)和粗指标盘(19)上面均刻有一狭缝，向其投射一束红外光，在另一边由接收光盘(20)接收到格雷码形式的光电信号；
所述的电路装置(36)，包括输入接口(27)、16位单片机(28)、输出接口(29)、远距离传输器(30)、安全装置(31)、稳压电源(32)、信号放大器(34)、模数转换器(35)；浮子钢带液位计(25)通过联轴节(23)与双绝对值光电编码器(26)相连；双绝对值光电编码器(26)的输出端通过接线端子与输入接口(27)相连；输入接口(27)与16位单片机(28)相连；16位单片机(28)与输出接口(29)相连；输出接口(29)与远距离传输器(30)相连；远距离传输器(30)通过数据总线RS-485与上位工控机相连；稳压电源(32)与各需供电部分相连；温度传感器(33)与信号放大器(34)相连；信号放大器(34)与模数转换器(35)相连；模数转换器(35)与16位单片机(28)相连。
2、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的双绝对值光电编码器的精码盘(1)和粗码盘(12)均为绝对值式，码盘的各码道上沉积有铬膜层，每分度对应唯一一组格雷码。
3、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的双绝对值光电编码器有突变机构，亦即精码盘(1)在转一圈过程中，粗码盘(12)不动，只在精码盘(1)转到一周处粗码盘(12)突然转一分度。
4、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的输入接口(27)使用54HC373型8D锁存器。
5、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的单片机(28)使用87C196KB型16位单片机，有40个输入/输出口。
6、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的输出接口(29)使用TPL521—2型光电耦合器。
7、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的远距离传输器(30)使用DS75176B型差分线路收发器和线路转发器。
8、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的数据总线使用RS-485数据总线。
9、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的稳压电源(32)使用带有DC-DC隔离电源模块的三组各自独立的稳压电源。
10、根据权利要求1所述的双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于所述的安全装置(31)使用电压抑制管、金属—氧化物压敏电阻和间隙放电管。
专利摘要一种双绝对值光电编码液位温度变送器，其特征在于包括双绝对值光电编码器和电路装置。所述编码器包括精、粗码盘、指标盘、红外光源、接收光盘、突变机构等。精码盘转一周，粗码盘瞬间转一分度，指标盘不动，精、粗码道上沉积铬膜层，向指标盘上的狭缝投射红外光，另一侧接收光盘接收到格雷码形式光电信号，能准确编码，记忆永久且无须电池。设有突变机构和校正码道使进位准确。码盘易制成多码道，分辨率高，量程大。所述电路装置包括输入/输出接口、16位单片机、光电耦合器、远距离传输器及带隔离模块的三组稳压电源等。实现两码盘数据同时采集，有效防干扰，信号远传和避雷。广泛用于测量贮罐或其他容器的液位和温度并远传到上位机。
文档编号G01D5/347GK201237507SQ20082007942
公开日2009年5月13日 申请日期2008年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者翟允正 申请人:翟允正