双限位数字压力表的制作方法

本发明涉及一种双限位数字压力表，主要用于石油、化工、冶金、电站和二次供水领域，实时测量液体、蒸汽或气体等介质的压力，可通过ZigBee无线通信协议实现无线组网和远距离监控。

背景技术：

传统的电接点压力表被广泛应用于石油、化工、冶金、电站等工业领域，测量无爆炸危险的各种气体、流体介质的压力。以控制空气压缩机为例，当储气灌压力到达下限自动开启压缩机，到达上限时自动关停压缩机。以二次供水来控制水泵高楼恒压送水设备为例，在管网压力的下限时启动水泵，在管网压力的上限时关闭水泵，如此往复，达到自动控制的目的。

传统的电接点压力表由测量系统、指示系统、磁助电接点装置、外壳、调整装置和接线盒（插头座）等组成。其仪表的工作原理是，当对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽或气体等被测介质通过管道接口部件进入弹性敏感元件即弹簧管内腔后，弹簧管在被测介质压力的作用下利用其所具有的弹性特性，可以方便地将压力转变为弹簧管自由端产生的相应弹性位移，其位移量通过扇形齿轮传动放大机构和杆机构转换为对应的转角位移，并传导至与转角位移同步的模拟仪表指针，引起指针转动来显示压力，并在示数装置的度盘刻线上指示出被测介质的当前压力，与此同时，仪表指针带动动触头与设定指针上的上限或下限定触头相接通或切断，致使控制系统中的电路得以断开或接通，以达到自动控制和上下限发信报警的目的。

技术实现要素：

技术问题

传统的电接点压力表是一种模拟的压力检测仪表，主要由三大部分组成，一是壳体，二是弹性敏感检测元件弹簧管，三是由游丝、齿轮、连杆和指针组成的模拟指示装置及滑线电阻式发送器构成的模拟机芯组合。这种传统的电接点压力表几十年一贯制，基本上没什么改变。其内部的结构是，在圆形的外壳内，有一根用无缝铜管或无缝钢管制成的弹簧管，弯成C形，弹簧管横截面呈椭圆形，其椭圆的长轴与表针的中心轴相平行，弹簧管一端与管道相通成为固定端，另一端是封闭的自由端并与连杆的一端连接，连杆的另一端是扇形齿轮，扇形齿轮与中心轴上的小齿轮相衔接。当特制的弹簧管内受到介质的压力时，将形成一定的环应力，此环应力会使弹簧管向外延伸，由于弹簧管自由端没有固定，就会产生变形，其变形的大小取决于测量介质的压力大小，弹簧管的变形经过连杆带动扇形齿轮与小齿轮转动，使指针向顺时针方向转动一定角度，介质的压力越大，指针转动角度也越大。当压力降低时，弹簧弯管会向里收缩，使指针返回到相应的位置，当压力消失后，弹簧弯管恢复到原来的形状，借助游丝的作用，指针回到起始点零位。从上可知，弹簧管的变形通过模拟机芯间接地由指针显示测量介质的压力，通过中心滑动触头在电位器的位置，把被测压力值以电量值的变化传至远离测量装置的二次仪表上，由于传输的是模拟信号，因此抗干扰能力和传输距离均受到限制。值得注意的是，由于工作介质的脉动特性，其压力曲线振幅较大，压力表工作时指针的震动较大，这对压力表是非常有害的，而且读数不准，如何克服现有压力表的缺陷，将远传模拟压力表改造成双限位数字压力表，正是本发明着力要解决的问题。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种双限位数字压力表，其实质性改进在于，通过一种双限位数字压力表机芯同时将三指针数字化指示技术、磁传感位移检测技术、数字通信技术结合起来，同时支持无线通信局域网络的ZigBee协议和SPI高速同步串行通信总线协议，其上限压力指针和下限压力指针均可通过按键编程设定，实现管网的恒压控制，也可作为物联网技术中的一个压力无线传感节点使用，是传统模拟电接点压力表的更新换代产品。

其技术方案具体如下：

一种双限位数字压力表，由外壳、弹簧管部分、双限位数字压力表机芯三部分组成，所述的外壳部分包括，前端外壳、后盖、扣手、倒齿、刻度面板、下限压力指针、实测压力指针、上限压力指针、下限压力预置功能按键L、上限压力预置功能按键R、减少功能按键Dn、增加功能按键Up、2.4G天线座、2.4G天线杆和五芯航空插座，所述的弹簧管部分包括弹簧管接头、C形弹簧管、弹簧管铰链、弧形拉杆，其要点在于：

所述的双限位数字压力表机芯部件包括PCB板以及压力表机芯上盖和压力表机芯下盖所叠合的圆形壳体内封装的部件，所述的封装在压力表机芯上盖和压力表机芯下盖中的部件包括位移转动盘、拉手、位移转动盘支撑轴、永磁体、上轴承和下轴承、衬板、实测压力指针驱动用步进电机组件、上限压力指针驱动用步进电机组件、下限压力指针驱动用步进电机组件；

所述的PCB板为四边带弧度的四边形，其上开有磁感应孔和四个定位孔，PCB板上贴装有支持ZigBee2006协议栈的无线单片机、用于步距细分的步进电机驱动芯片、磁位移检测芯片，PCB板通过螺丝与后盖上的四个固定桩相连；

所述的压力表机芯下盖上开有一个条形槽，位移转动盘的中心与位移转动盘支撑轴相连，位移转动盘伸出的拉手穿过条形槽与弧形拉杆的一端相连，弧形拉杆的另一端与C形弹簧管的自由端的弹簧管铰链相连，C形弹簧管的另一端与弹簧管接头相连，所述的位移转动盘支撑轴上套接有一个上轴承和一个下轴承，其上轴承固定安装在衬板的上轴承嵌入孔座中，下轴承固定安装在压力表机芯下盖的下轴承嵌入台阶孔中，所述的位移转动盘支撑轴的一端嵌入一块正方形的永磁体，位移转动盘支撑轴穿过压力表机芯下盖的下轴承嵌入台阶孔后伸向PCB板的磁感应孔，其磁位移检测芯片的圆形磁敏感部分刚好贴装对准磁感应孔处，但不接触，C形弹簧管发生弹性变形位移时，通过弹簧管铰链、弧形拉杆、拉手带动位移转动盘转动，使嵌入位移转动盘支撑轴上的永磁体也发生偏转，磁位移检测芯片的圆形磁敏感部分可以检测到平行于芯片表面的磁通密度变化量，所述的磁位移检测芯片的输出引脚与无线单片机的I/O端口相连；

所述的压力表机芯下盖上有四个压力表机芯定位桩，安装时直接插入PCB板上的四个定位孔中，所述的实测压力指针驱动用步进电机组件安装在衬板（38）的一边上，上限压力指针驱动用步进电机组件和下限压力指针驱动用步进电机组件则安装在衬板的另一边上，实测压力指针安装在实测压力指针驱动用步进电机组件的实测指针驱动轴上，上限压力指针安装在上限压力指针驱动用步进电机组件的上限指针驱动轴上，下限压力指针安装在下限压力指针驱动用步进电机组件的下限指针驱动轴上，三根驱动轴同心嵌套，但无干涉，以上所述的三个步进电机组件各自的步进电机线圈输出引脚分别穿过压力表机芯下盖后焊接固定在PCB板上，并通过PCB板上的印制线路分别与微型步进电机驱动芯片的I/O引脚相连，实测压力指针停留在刻度面板上的位置，即为当前指示的压力。

所述的前端外壳上的四个角上分别嵌入一个轻触按键，分别是下限压力预置功能按键L、上限压力预置功能按键R、减少功能按键Dn、增加功能按键Up。

所述的前端外壳上的顶端安装有一个支持无线通信局域网络的ZigBee协议的2.4G天线座，并与2.4G天线杆相连。

所述的前端外壳上正前方的左下侧处安装一个五芯航空插座，五芯航空插座的引脚定义分别为电源VCC、地线GND、时钟信号SCLK、数据输出SDO、使能信号CS，所述的以上五个引脚分别与无线单片机的引脚对应相连。

所述的衬板上有四个衬板定位孔，通过螺钉固定在压力表机芯下盖的衬板支架上。

所述圆形的压力表机芯上盖有四个扣手，圆形的压力表机芯下盖上有四个倒齿，压力表机芯上盖与压力表机芯下盖叠合后，四个扣手刚好挂住四个倒齿，使压力表机芯上盖和压力表机芯下盖连成一体。

技术效果

本发明所提出的双限位数字压力表具有如下显著的有益效果：

1、本发明所提出了一种集压力数据采集、多指针数字指示、数字有线传输和数字无线通信功能融于一身的双限位数字压力表，其创造性的工作包括，率先采用了双限位数字压力表机芯结构以及无线单片机、磁感应位移技术、步进电机驱动的三指针数字化指示技术、SPI总线通信技术，该仪表不但可以作为一个工业控制现场压力的传感节点，完成单点数据采集功能，而且可以作为一个监测终端应用于大型分布式无线局域网络系统，特别是适应于管网压力的集中无线控制。

2、结构和原理上完全剔除了传统电接点压力表中容易损坏的游丝等模拟阻尼部件以及上/下限压力指针的机械调整装置和磁助电接点装置，其上/下限压力指针均可按键编程设定，使用寿命长，维护性能好，是一款全新的数字压力表表型。

3、本发明实质性改进包括，同时支持无线通信局域网络的ZigBee协议和高速同步串行通信总线SPI协议，其内嵌的基于ZigBee 2006协议栈的无线单片机，融入了ZigBee无线局域网络的优良特性，具有制造成本低、运行功耗小等特点，使其压力监测终端不同于传统的压力无线传感节点，具有数据显示与预处理功能，能够有效的降低无线网络的数据吞吐量，当无线网络遭遇拥塞时，监测终端仍然能够独立运行，完成对部分区域数据采集与监控。因此，本发明的意义在于能够改变无线网络的结构，减小控制系统对于压力终端节点的依赖性，增强了整个控制系统的健壮性。特别有意义的是，传统的电接点压力表是工业控制现场和管网供水设备的主要测试仪表，它的无触点和数字化对于实现工业控制现场压力控制节点的物联网组网，提供了一种全新的解决方案。

4、本发明的实质性改进还包括，由于工作介质的脉动特性，传统的电接点压力表工作时指针的震动较大，这对采用游丝结构的压力表是非常有害的，特别是动触点指针在上/下限指针附近摆动时，两电触点之间还可能会产生电火花，长时期则导致电触点间的电腐蚀。而本发明中，通过数字滤波的方法可以有效地改善指针的脉动特性，由于实测压力指针与下限压力指针、上限压力指针无物理触点连接，所以也不存在电触点间的电火花腐蚀，其抗干扰能力强，寿命大大延长。

5、基于本发明所设计的双限位数字压力表不但是传统模拟电接点压力表最佳更新换代产品，实际上也提出了对现有模拟压力表的进行更新改造的最优方案，这是因为，本发明合理保留了传统电接点压力表中弹性敏感检测元件部分，新增了体积小巧的双限位数字压力表机芯，因此对现有电接点压力表的改造只须将数字压力表机芯直接替换模拟指示机芯，即可将现有的模拟电接点压力表升级成双限位数字压力表。

6、所述的磁位移检测芯片是采用平面霍尔传感技术的单片集成电路，它可以检测到平行于芯片表面由于永磁体旋转导致的磁通密度变化，芯片可实现温度漂移的自动补偿，通过其引脚输出准确度很高的数字式绝对位移信号，该信号送到单片机中，从而可以准确检测弹簧管的变形位移量，单片机通过数字滤波和工程量变换，可以转化为当前压力下驱动步进电机指针偏转所需的步进角度，并通过SPI总线实现压力数据数字传送，具有成本低廉，测量精度高的特点。

附图说明

图1双限位数字压力表外形图；

图2去掉后盖的内部背面视图；

图3去掉前端外壳、后盖和PCB板的背面视图；

图4去掉前端外壳和后盖、压力表机芯上盖和PCB板后的前面视图之一；

图5去掉前端外壳和后盖、压力表机芯上盖和PCB板后的前面视图之二；

图6去掉前端外壳和后盖、压力表机芯上盖和PCB板后的背面视图；

图7去掉前端外壳和后盖、压力表机芯上/下盖后和PCB板的背面视图；

图8去掉前端外壳和后盖、压力表机芯上/下盖后的前面视图；

图9双限位数字压力表正向爆炸图；

图10双限位数字压力表反向爆炸图。

标号说明：

1 前端外壳 2 后盖

3 刻度面板 4 下限压力指针

5 实测压力指针 6 上限压力指针

7 五芯航空插座 8 弹簧管接头

9 C形弹簧管 10 下限压力预置功能按键L

11 上限压力预置功能按键R 12 减少功能按键Dn

13 增加功能按键Up 14 2.4G天线座

15 2.4G天线杆 16 PCB板

17 步进电机驱动芯片 18 无线单片机

19 磁位移检测芯片 20 拉手

21 压力表机芯定位桩 22 步进电机线圈输出引脚

23 永磁体 24 弹簧管铰链

25 弧形拉杆 26 位移转动盘

27 定位孔 28 压力表机芯上盖

29 压力表机芯下盖 30 扣手

31 倒齿 32 条形槽

33 上轴承 34 下轴承

35 实测压力指针驱动用步进电机组件

36 上限压力指针驱动用步进电机组件

37 下限压力指针驱动用步进电机组件

38 衬板

39 位移转动盘支撑轴 40 下轴承嵌入台阶孔

41 上轴承嵌入孔座 42 磁感应孔

43 衬板支架 44 衬板定位孔

45 上限指针驱动轴 46 实测指针驱动轴

47 下限指针驱动轴

具体实施方式

本发明双限位数字压力表如图1至图10所示，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

一种双限位数字压力表，由外壳、弹簧管部分、双限位数字压力表机芯三部分组成，所述的外壳部分包括，前端外壳1、后盖2、扣手30、倒齿31、刻度面板3、下限压力指针4、实测压力指针5、上限压力指针6、下限压力预置功能按键L 10、上限压力预置功能按键R 11、减少功能按键Dn 12、增加功能按键Up 13、2.4G天线座14、2.4G天线杆15和五芯航空插座7，所述的弹簧管部分包括弹簧管接头8、C形弹簧管9、弹簧管铰链24、弧形拉杆25，其特征在于：

所述的双限位数字压力表机芯部件包括PCB板16以及压力表机芯上盖28和压力表机芯下盖29所叠合的圆形壳体内封装的部件，所述的封装在压力表机芯上盖28和压力表机芯下盖29中的部件包括位移转动盘26、拉手20、位移转动盘支撑轴39、永磁体23、上轴承33和下轴承34、衬板38、实测压力指针驱动用步进电机组件35、上限压力指针驱动用步进电机组件36、下限压力指针驱动用步进电机组件37；

所述的PCB板16为四边带弧度的四边形，其上开有磁感应孔42和四个定位孔27，PCB板16上贴装有支持ZigBee2006协议栈的无线单片机18、用于步距细分的步进电机驱动芯片17、磁位移检测芯片19，PCB板16通过螺丝与后盖2上的四个固定桩相连；

所述的压力表机芯下盖29上开有一个条形槽32，位移转动盘26的中心与位移转动盘支撑轴39相连，位移转动盘26伸出的拉手20穿过条形槽32与弧形拉杆25的一端相连，弧形拉杆25的另一端与C形弹簧管9的自由端的弹簧管铰链24相连，C形弹簧管9的另一端与弹簧管接头8相连，所述的位移转动盘支撑轴39上套接有一个上轴承33和一个下轴承34，其上轴承33固定安装在衬板38的上轴承嵌入孔座41中，下轴承34固定安装在压力表机芯下盖29的下轴承嵌入台阶孔40中，所述的位移转动盘支撑轴39的一端嵌入一块正方形的永磁体23，位移转动盘支撑轴39穿过压力表机芯下盖29的下轴承嵌入台阶孔40后伸向PCB板16的磁感应孔42，其磁位移检测芯片19的圆形磁敏感部分刚好贴装对准磁感应孔42处，但不接触，C形弹簧管9发生弹性变形位移时，通过弹簧管铰链24、弧形拉杆25、拉手20带动位移转动盘26转动，使嵌入位移转动盘支撑轴39上的永磁体23也发生偏转，磁位移检测芯片19的圆形磁敏感部分可以检测到平行于芯片表面的磁通密度变化量，所述的磁位移检测芯片19的输出引脚与无线单片机18的I/O端口相连；

应指出的是，所述的C形弹簧管的横截面呈环形，测量的介质的压力作用在C形弹簧管的内侧，这样C形弹簧管的环形界面将在介质压力的作用下趋向圆形，形成一定的环应力，从而使C形弹簧管在其没有固定的自由端，即弹簧管铰链24处发生变形延伸，其形变的大小取决于C形弹簧管中被测量介质的压力大小；

所述的压力表机芯下盖29上有四个压力表机芯定位桩21，安装时直接插入PCB板16上的四个定位孔27中，所述的实测压力指针驱动用步进电机组件35安装在衬板38的一边上，上限压力指针驱动用步进电机组件36和下限压力指针驱动用步进电机组件37则安装在衬板38的另一边上，实测压力指针5安装在实测压力指针驱动用步进电机组件35的实测指针驱动轴46上，上限压力指针6安装在上限压力指针驱动用步进电机组件36的上限指针驱动轴45上，下限压力指针4安装在下限压力指针驱动用步进电机组件37的下限指针驱动轴47上，三根驱动轴同心嵌套，但无干涉，以上所述的三个步进电机组件各自的步进电机线圈输出引脚22分别穿过压力表机芯下盖29后焊接固定在PCB板16上，并通过PCB板16上的印制线路分别与微型步进电机驱动芯片17的I/O引脚相连，实测压力指针5停留在刻度面板3上的位置，即为当前指示的压力。

所述的前端外壳1上的四个角上分别嵌入一个轻触按键，分别是下限压力预置功能按键L 10、上限压力预置功能按键R 11、减少功能按键Dn 12、增加功能按键Up 13。

所述的衬板38上有四个衬板定位孔44，通过螺钉固定在压力表机芯下盖29的衬板支架43上。

所述圆形的压力表机芯上盖28有四个扣手30，圆形的压力表机芯下盖29上有四个倒齿（31），压力表机芯上盖28与压力表机芯下盖29叠合后，四个扣手30刚好挂住四个倒齿31，使压力表机芯上盖28和压力表机芯下盖29连成一体。

工作时，双限位数字压力表通过其弹簧管接头8上的螺纹与压力管网相连，双限位数字压力表的实测压力指针5在刻度面板3上所指示的刻度，反映的是当前管网中工作介质的实时压力，实测压力指针5应在所设置的下限压力指针4和上限压力指针6之间摆动偏转，无线单片机18将根据实测压力指针5与下限压力指针4及上限压力指针6的相对位置，通过五芯航空插座7所构成的SPI总线，对变频器和其它控制设备实时发出对应控制指令，以保证管网中工作介质的压力维持在下限压力指针4和上限压力指针6所规定的区间内，实现恒压控制。

应指出的是，本发明的实质性改进还包括，由于工作介质的脉动特性，传统的电接点压力表工作时指针的震动较大，这对于通常采用柔弱的游丝结构的压力表是非常有害的，特别是动触点指针在上/下限指针附近摆动时，两电触点之间还可能会产生电火花，长期则导致电触点间的电腐蚀。而本发明中，通过数字滤波的方法可以有效地改善指针的脉动特性，由于实测压力指针5与下限压力指针4、上限压力指针6无触点连接，所以也不存在电触点间的电火花腐蚀，其抗干扰能力强，寿命长。

本发明中，无线通信机构包括内嵌ZigBee2006版本协议栈的无线单片机18、在前端外壳1上的顶端安装有一个支持ZigBee无线通信局域网络的2.4G天线座14和与之相连的2.4G天线杆15。所述的ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用的技术标准，其无线单片机18结合了高性能的2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心，因此，所检测到的管道压力数据还可通过基于ZigBee协议的无线通信局域网络发送出去，具有制造成本低、运行功耗小等特点，使其压力监测终端不同于传统的无线传感节点，具有数据显示与预处理功能，能够有效的降低无线网络的数据吞吐量，当无线网络遭遇拥塞时，监测终端仍然能够独立运行，完成对部分区域数据采集与监控。其意义在于，每一个双限位数字压力表均可自动组网，构成工业物联无线局域控制网中的一个压力监控节点。

除开支持ZigBee无线通信协议栈之外，双限位数字压力表同时也支持有线的SPI高速串行总线，使其具有普适性。为此，所述的前端外壳1上正前方的左下侧处安装一个五芯航空插座7，芯航空插座7的引脚定义分别为电源VCC、地线GND、时钟信号SCLK、数据输出SDO、使能信号CS，所述的以上五个引脚分别与无线单片机18的引脚对应相连。

应指出的是，所述的磁位移检测芯片19是采用平面霍尔传感技术的单片集成电路，其芯片由两部分组成，圆形部分为磁感应部分，矩形部分为信号调理部分，它可以检测到平行于芯片表面由于永磁体旋转导致的磁通密度变化，并且可实现温度漂移时的自动补偿，通过其引脚输出准确度很高的数字式绝对位移信号，该信号送到无线单片机18中，从而可以准确检测C形弹簧管9的变形位移量，无线单片机18通过软件数字滤波和工程量变换，将该位移量转化为当前压力下实测压力指针驱动用步进电机组件35驱动指针轴偏转所需的步进角度，该信号送到步距细分的步进电机驱动芯片17，直接驱动实测压力指针驱动用步进电机组件的线圈引脚，实测压力指针5将在刻度面板3上指示当前工作介质的压力数据，具有成本低廉，测量精度高的特点。

本发明中，其实测压力指针驱动用步进电机组件35、上限压力指针驱动用步进电机组件36和下限压力指针驱动用步进电机组件37，实际上是采用了发明人的另一项发明专利技术，即同心三驱动轴微型步进电机 （专利号：ZL201010299613.1）,具体实施时，将这一发明专利的各个驱动轴组件安装在衬板38上。

综上所述，本发明所提出的双限位数字压力表设计方案，是一种全新的数字压力表表型，其新颖之处在于，采用了一种双限位数字压力表机芯，率先将无线单片机、磁感应位移技术、步进电机驱动的数字化多指针指示技术和高速数字总线通信技术结合一体，即可测量管网压力，又可实施控制，同时支持无线通信局域网络的ZigBee协议和高速同步串行通信总线SPI协议，结构和原理上完全剔除了传统电接点压力表中容易损坏的游丝等模拟阻尼部件及上/下限压力指针的机械调整装置和磁助电接点装置，无电触点，其上限压力指针和下限压力指针均可按键编程设定，使用寿命长，维护性能好，是一款全新的电接点数字压力表表型，抗干扰能力强，可靠性好，是传统模拟电接点压力表的最佳更新换代产品。

本发明所设计的双限位数字压力表不但是传统模拟电接点压力表最佳更新换代产品，实际上也提出了对现有模拟压力表的进行更新改造的最优方案，这是因为，本发明合理保留了传统电接点压力表中弹性敏感检测元件部分，新增了体积小巧的双限位数字压力表机芯，因此对现有电接点压力表的改造只须将数字压力表机芯直接替换模拟指示机芯，即可将现有的模拟电接点压力表升级成双限位数字压力表。更重要的是，这种双限位数字压力表，由于无电接点，因此可广泛应用于石油、化工领域，测量有爆炸危险的各种石化气体、流体介质的压力。

本发明的意义在于物联网上的应用，这种双限位数字压力表因为改变无线传感网络的结构，减小控制系统对于压力终端节点的依赖性，从而增强了整个控制系统的健壮性。特别的是，电接点压力表是工业控制现场和管网供水设备的主要测试仪表，它的数字化对于实现工业控制现场压力控制节点的物联网组网，或者作为一个监测终端应用于大型分布式无线局域网络系统，提供了一种低成本的解决方案，可满足未来物联网所需的压力传感节点的联网需求，应用前景相当广阔。