一种带限位开关的数字角位变送器的制作方法

本发明属于机电一体化、传感器测量技术领域，特别是涉及一种带限位开关的测量角度范围可调的数字角位变送器。

背景技术：

变送器是工业过程中重要的基础自动化设备之一，主要完成物理量、化学量等信息的测量和变换处理。角位变送器是用来检测转动角度并输出标准化信号的传感器，适用于需要测量物体旋转角度的各种场所，主要应用于水利、冶金、化工、电站、机械等行业。

角位变送器按其对角度信号的处理分类，主要分为模拟型和数字型两种；按其输出分类，主要分为电压型（0~5VDC或0~10VDC）和电流型（4mA~20mA），在工业现场，常采用电流型变送器，原因：①传输的信号是电压信号，长线传输线会受到噪声的干扰；②传输线的分布电阻会产生电压降。而电流对噪声不敏感，因此4mA~20mA电流环是工业现场解决长线传输误差和干扰的较好方案。

模拟型角位变送器采用模拟器件进行角度信号处理，其将角度量转换成电信号的器件采用采样电容传感器、单圈可变电阻、差动变压器式传感器等，有以下不足：易受外界环境影响，比如温度、振动，使输出电流信号发生抖动；由于被测角度范围的多样性，每次使用前需对产品进行调整，且操作过程不简便；一对信号线只能对应一个电流信号，导致现场信号线繁多。数字型角位变送器，采用微处理器将采集到的角度信号进行处理，现有数字型角位变送器的不足之处表现在：在产品使用调试过程中，使用编程线设置角度范围或旋转方向，操作繁琐。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种环境适应性强、可靠性高、调试简便在带有限位开关的数字角位变送器，它能实现快速对单圈内任意角度范围进行开关设定，并就该角度范围线性输出3.5mA…4mA~20mA…24mA电流值。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种带限位开关的数字角位变送器，其特点是，包括：检测部分、控制部分和机械限位单元，检测部分采用数字电位器，数字电位器作为机械角度到电信号的转换器件；控制部分包括DC/DC电源变换、微处理器、信号隔离电路、数模转换电路和电流放大电路；机械限位单元在开关位置触发限位开关，输出相应开关信号，电流放大电路输出反馈电流值。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：所述的机械限位单元包括框架、限位开关、主轴、轴承、凸轮、调节盘、隔环、锁紧盘和压板；主轴的输出接口和需要测量的转轴进行连接，数字电位器通过安装法兰连接在压板上，压板固定在框架上并通过轴承安装在主轴上；主轴通过轴承安装在框架上，轴承进行适当预紧，消除轴承游隙，防止主轴轴向窜动，实现与数字电位器的安装法兰定位孔的同轴度；主轴上安装若干角度驱动凸轮组，角度驱动凸轮组由凸轮和调节盘组成，相邻角度驱动凸轮组之间设置隔环；每个角度驱动凸轮组与一个限位开关配合使用，限位开关连接在框架上，限位开关的曲柄滚轴通过凸轮触发，所有角度驱动凸轮组角度设定完成后，通过锁紧盘锁定。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：所述的角度驱动凸轮组和限位开关分别的4个，其中2个为常用，2个为备用。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：采用霍尔型数字电位器作为机械角度到数字量的转换器件，其采用无接触式霍尔元件为核心器件，固定在机械限位单元尾部，数字电位器的转轴与机械限位单元的主轴通过橡胶圈挤压方式进行柔性连接。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：数字电位器将0~360°机械角度转换成12位数字绝对位置值，并通过同步串行接口传送至微处理器。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：数模转换电路采用环路供电型数字转换器，通过高速串行接口接收相对值角度位置数字信号，内部采用Σ-△DAC架构，线性输出4mA~20mA电流，且具有可编程报警电流功能，通过发送超量程电流来指示传感器故障。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：在微处理器上安装有调零调向开关。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：在电流放大电路上连接有电压调整电路。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：其变换方法如下：外部输入+18V~+36VDC电源后，通过DC/DC电源变换转换成+5VDC电源供数字电位器和微处理器工作，数字电位器将机械角度转化成绝对值数字信号；绝对值数字信号通过SSI接口传送至微处理器，通过轻触开关和拨码开关设置数字角位变送器的开关位置和转动方向，经微处理器逻辑处理后输出与相对角度值呈线性关系的数字信号，数字信号输入数模转换，转换成与相对角度值呈线性关系的3.5mA…4mA~20mA…24mA电流值，其中4mA~20mA与开关位置之间的转动角度线性对应，3.5mA…4mA及20mA…24mA为扩展电流，用于故障报警或状态输出；该数字角位变送器的位置重复偏差不大于±0.25%。

本发明所述的一种带限位开关的数字角位变送器，其进一步优选的技术方案是：微处理器具有系统监控模块和信号逻辑处理模块，系统监控模块实现电源状态和微处理器工作状态的实时监控，当系统电压降至安全电压以下或微处理器工作异常时进行系统保护和复位；信号逻辑处理模块包括串口数据采集模块和标度转换模块，其中串口数据采集模块采用堆栈式均值滤波消除脉冲干扰的影响，即建立一个定长度的先进先出FIFO线性队列，每次队首放进一个绝对值角度数据并将队尾绝对值角度数据放出，对该线性队列的各个数据累加求和取均值，得到有效采样值；标度转换模块将当前绝对值角度数据转换成为以开限位位置为起始，关限位位置为截止的相对值角度位置数据，其中包括转向及绝对值角度位置数据过零点的逻辑处理。

本发明包含机械限位单元，能够在开关位置触发限位开关，输出相应开关信号，与反馈电流值一并发送给上位机控制系统。它能实现快速对单圈内任意角度范围进行开关设定，并就该角度范围线性输出3.5mA…4mA~20mA…24mA电流值。本发明的显著优点是：数字式，适应工业现场智能技术的发展及应用，易于信号的处理和变换；操作简便，易于现场调试，适应范围广，环境适应性强、可靠性高；机电一体化的设计，包含机械限位装置，增强了技术的可靠性。

附图说明

图1为本发明数字角位变送器原理框图；

图2为电压调整电路图；

图3为电流放大电路图；

图4为本发明数字角位变送器机械限位单元组成图；

图5为角度开度与输出电流线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1，一种带限位开关的数字角位变送器，包括：检测部分、控制部分和机械限位单元，检测部分采用数字电位器，数字电位器作为机械角度到电信号的转换器件；控制部分包括DC/DC电源变换、微处理器、信号隔离电路、数模转换电路和电流放大电路，参照图3；机械限位单元在开关位置触发限位开关，输出相应开关信号，电流放大电路输出反馈电流值。

参照图4，所述的机械限位单元的一个设计方案是：包括框架1、限位开关8、主轴2、轴承3、凸轮4、调节盘5、隔环6、锁紧盘7和压板9；主轴2的输出接口和需要测量的转轴进行连接，数字电位器10通过安装法兰连接在压板9上，压板9固定在框架1上并通过轴承3安装在主轴2上；主轴2通过轴承3安装在框架1上，轴承3进行适当预紧，消除轴承3游隙，防止主轴2轴向窜动，实现与数字电位器10的安装法兰定位孔的同轴度；主轴2上安装若干角度驱动凸轮组，角度驱动凸轮组由凸轮4和调节盘5组成，相邻角度驱动凸轮组之间设置隔环6；每个角度驱动凸轮组与一个限位开关8配合使用，限位开关8连接在框架1上，限位开关8的曲柄滚轴通过凸轮4触发，所有角度驱动凸轮组角度设定完成后，通过锁紧盘7锁定。

上述机械限位单元设计方案中：最优的角度驱动凸轮组和限位开关8分别的4个，其中2个为常用，2个为备用。

采用霍尔型数字电位器作为机械角度到数字量的转换器件，其采用无接触式霍尔元件为核心器件，固定在机械限位单元尾部，数字电位器的转轴与机械限位单元的主轴通过橡胶圈挤压方式进行柔性连接。数字电位器将0~360°机械角度转换成12位数字绝对位置值，并通过同步串行接口传送至微处理器。

数模转换电路采用环路供电型数字转换器，通过高速串行接口接收相对值角度位置数字信号，内部采用Σ-△DAC架构，线性输出4mA~20mA电流，且具有可编程报警电流功能，通过发送超量程电流来指示传感器故障。

参照图1，所述的带限位开关的数字角位变送器中，在微处理器上还可以安装有调零调向开关。在电流放大电路上连接有电压调整电路，参照图2。

所述的带限位开关的数字角位变送器的一种变换方法如下：外部输入+18V~+36VDC电源后，通过DC/DC电源变换转换成+5VDC电源供数字电位器和微处理器工作，数字电位器将机械角度转化成绝对值数字信号；绝对值数字信号通过SSI接口传送至微处理器，通过轻触开关和拨码开关设置数字角位变送器的开关位置和转动方向，经微处理器逻辑处理后输出与相对角度值呈线性关系的数字信号，数字信号输入数模转换，转换成与相对角度值呈线性关系的3.5mA…4mA~20mA…24mA电流值，其中4mA~20mA与开关位置之间的转动角度线性对应，3.5mA…4mA及20mA…24mA为扩展电流，用于故障报警或状态输出；该数字角位变送器的位置重复偏差不大于±0.25%。

微处理器具有系统监控模块和信号逻辑处理模块，系统监控模块实现电源状态和微处理器工作状态的实时监控，当系统电压降至安全电压以下或微处理器工作异常时进行系统保护和复位；信号逻辑处理模块包括串口数据采集模块和标度转换模块，其中串口数据采集模块采用堆栈式均值滤波消除脉冲干扰的影响，即建立一个定长度的先进先出FIFO线性队列，每次队首放进一个绝对值角度数据并将队尾绝对值角度数据放出，对该线性队列的各个数据累加求和取均值，得到有效采样值；标度转换模块将当前绝对值角度数据转换成为以开限位位置为起始，关限位位置为截止的相对值角度位置数据，其中包括转向及绝对值角度位置数据过零点的逻辑处理。