多量程全自動高精度拉力控制系統的製作方法
2023-09-19 07:42:40 2
專利名稱：多量程全自動高精度拉力控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動控制技術領域，涉及到多量程全自動高精度拉力控制系統， 特別涉及到液位計校驗多量程全自動高精度拉力控制系統。
背景技術：
目前，公知的校驗儀有壓力校驗儀、溫度校驗儀、互感器校驗儀等，主要 用於對各種設備或儀表的精度進行檢驗，但是這些校驗設備中基本上沒有拉力 控制系統，有些缺少良好的人機互動接口；存在拉力控制系統的校驗設備大多 對拉力傳感器量程要求單一，純手動控制的多，而且輸入信號採集精度，拉力 傳感器電源的精度及功耗耍求不高，適用於液位計的校驗比較少。
發明內容
本發明要解決的技術問題是為了能適用於包括液位計在內的一些儀器或 儀表的校驗，克服現有校驗設備存在的缺少良好的人機互動接U，拉力傳感器 量程要求單一，純手動控制的多，對輸入信號採集精度，拉力傳感器電源的精 度及功耗要求不高的不足，本發明的目的是提供多量程全自動高精度拉力控制 系統。該控制系統不僅能自動或手動控制步進電機產生相應拉力作用於浮筒或 其他對象，由拉力傳感器檢測出該拉力，實現校驗功能，而且具有一定的數據 採集精度，並提供高精度， 一定功耗的拉力傳感器電源，以及良好的人機互動 接口。
本發明的技術方案是該控制系統主要由控制板和手操器兩個單元組成，
兩個單元之間通過RS485總線 接實現通信，並通過兩根手動線分別控制歩進電機的正反轉，手操器通過RS232實現與計算機的通信。控制板3路模擬量輸 入(4 20mA、 0 5V /1 5V、 0 10mA)接儀器或儀表的輸出信號，1路模擬 量輸入(0 20mV)接拉力傳感器輸出信號；控制板的輸出IOV標準電源給拉力 傳感器供電，3根輸出線分別接步進電機驅動器的脈衝，轉向以及+5V端；控制 板3路數字量輸入接拉力傳感器上限、停車、下限處限位開關的輸出信號；控 制系統供電電源24VDC。
控制系統的電源部分由24VDC經IN4001保護二極體並濾波，經過LM2576 輸出後接續流二極體IN5819，經電感電容濾波後產生VCC1模擬+5V電壓給 SN74HC161，控制板數字量輸出和RS485通信電路的模擬部分，手操器的RS485 通信和RS232通信電路的模擬部分供電；VCC1模擬+5V電壓經過DC-DC (控制 板為WRB0505一1W，手操器為WRB0505—2W)輸出後經電感電容濾波後產生VCC數 字+5V電壓，該電壓由控制板和手操器電源部分電路各自產生，給控制板和手操 器的數字部分供電；控制板電源部分的4M晶振電路經74HC04反相器驅動產生 0. 25-時鐘提供給SN74HC161的CLK端，由QC輸出2/^方波， 一路經過74HC04 驅動後輸入到由三極體8550和8050組成的推免電路的基極端，兩個三極體共 基極並各由一組2K電阻和l,電容並聯接入，三極體8050的發射極接地，三 極管8550的發射極接VCC1，兩三極體共集電極輸出，經初級與次級匝數比為4: 18的隔離變壓器(用高溫導線分別纏繞初級與次級的瓷環)，次級經過一對二極 管IN4148半波整流並電容濾波後由78L05和TVS 5V輸出並電容濾波產生提供 給信號採集電路部分(CD4052， LM324， ICL7135， 74HC74, MC1403等器件)所 需的模擬士5V電壓，同時次級線圈輸出經一對二極體IN4148上下隔離產生 穩定時鐘到ICL7135的CLK端；另一路直接輸入到由三極體8550和8050組成 的推免電路的基極端，兩個三極體共基極並各由一組5. 1K電阻和lpF電容並聯接入，三極體8050的發射極接地，三極體8550的發射極接24VDC，兩三極體共 集電極輸出，經初級與次級匝數比為10: 18的隔離變壓器(用高溫導線分別纏 繞初級與次級的瓷環)，次級經過一對二極體IN4148半波整流後並經100//F和 0. 1 ^電容並聯濾波再經過7812/1912輸出後並電容濾波產生士 12V電壓給兩個 0P07放大器供電，產生的12V電壓同時給由兩個三極體8050組成的達林頓晶體 管的集電極供電，12V電壓再經78L05輸出後並電容濾波產生+5V電壓，該+5V 電壓經MC1403後輸出基準電壓到0P07運放電路輸入端。
控制系統控制板的輸入信號採集部分4路模擬量輸入信號4 20mA、 0 5V/1 5V、 0 10mA、 0 20mV採用差動全浮空電路設計，4 20mA、 0 5V/1 5V模擬量輸入信號並聯250電阻，0 10mA輸入信號並聯500電阻後經對稱的 470K和2. 4K電阻分壓輸出到CD4052的輸入端，0 20mV輸入信號經2. 4K電阻 後再並聯0. 電容兩端各接5. IV TVS保護後輸出到CD4052的輸入端，兩片 CD4052的片選和通道選擇通過控制板單片機W77E58來控制。兩片CD4052輸出 連接在一起經過高抗共模幹擾放大電路放大70 80倍後輸入到A/D晶片 ICL7135的工N+端，ICL7135的4腳和7腳接0. 1//F的積分電容，26腳STB接 74HC74的CLK端，74HC74的6腳經過光電隔離P521接單片機W77E58的P32腳， 由中斷來控制觸發；MC1403輸出並聯0. l,F電容後由兩個5K電阻分壓後接 ICL7135的2腳VREF端，ICL7135的13、 14、 15、 16、 27、 23腳經74HC244驅 動後輸出通過光電隔離P521接單片機W77E58的P00 P05腳。控制系統輸入信 號採集電路部分採用25PPM和0. 5%精度的電阻匹配；選用AD晶片為ICL7135， 轉換頻率達500KHz，轉換周期為80ms，為工頻幹擾周期的整數倍，且採用雙積 分AD轉換方式，有效抑制工頻幹擾；電路板的合理布線；軟體上採用中值濾波 技術。控制系統控制板的拉力傳感器10V標準電源部分該部分主要由兩個0P07
放大器組成。採用24VDC電壓推挽；變壓器隔離電源設計並濾波； 一對二極體
IN4148半波整流產生士12V供電電壓給兩個0P07放大器供電；利用MC1403作 為基準源，將MC1403輸出經RC濾波後接2K電阻到一個0P07放大器的輸入正 端，該放大器的輸出接一個2K電阻後輸入到由兩個三極體8050組成的達林頓 電晶體的基極，達林頓電晶體的集電極接半波整流得到的+12V電壓，並將該電 壓由100//F/25V電解電容並聯0. 1#和IOOO戶F電容進行對地濾波，該放大器 負端通過1K電位計並聯200電阻後接3K電阻後同另一個0P07放大器的輸出相 連，另一個0P07放大器的負端與輸出相連接成電壓跟隨方式，正端接3K電阻 後與達林頓的發射極相連，經100/^/25V電解電容並聯O. 1//F電容濾波輸出。 拉力傳感器10V標準電源部分的電阻採用25PPM和0. 5%精度的電阻。
控制系統通過手操器按鍵設定不同拉力傳感器的量程範圍(3000. Og、 5000. Og、 7500.0g)，並輸入標準值(SV值)，經運算轉換，得到需要產生的標 準拉力值，通過DO輸出0 5V脈衝到驅動器，控制步進電機轉動，以產生相應 拉力，由拉力傳感器檢測出該拉力，並輸出0 20mV信號，該信號由控制系統 進行AD採樣，作為反饋，構成一個單迴路閉環控制，使得歩進電機產生的拉力 等於按鍵輸入的標準值所對應的拉力，被校驗的儀器或儀表感應該拉力後，輸 出標準信號，該標準信號由控制系統進行AD採樣，經線性轉換後，得到儀器或 儀表的測量值(PV值)，控制系統將該PV值與SV值進行比較，從而得到儀器或 儀表的檢測精度，並把SV值、PV值、測量精度一併顯示在5.7寸液晶屏幕上。
本發明的效果和益處是可以實現包括液位計在內的一些儀器或儀表的校 驗，並具有良好的人機互動接口，可通過手操器一次性輸入所有校準點後自動 測試，並在手操器上顯示標準值、被測值和誤差，有自校準、數據存儲、檢索功能。通過軟體能與計算機通信並在計算機上生成標準格式報表，有列印、存
儲、檢索等功能；還有支持多量程的拉力傳感器，可全自動控制，而且輸入信 號採集精度達到士O. 2;以及拉力傳感器10V標準電源精度達到士2mV，功率為 250mW。
附圖l是本發明硬體電路框圖。
附圖2是本發明10V傳感器標準電源設計框圖。
附圖3是多量程全自動高精度拉力控制系統的實施例校驗系統框圖。 附圖4是多量程全自動高精度拉力控制系統的實施例控制板的端子接線圖。 附圖5是多量程全自動高精度拉力控制系統的實施例手操器的端子接線圖。 附圖6是多量程全自動高精度拉力控制系統的實施例手操器的按鍵分布圖。
附圖7是多量程全自動高精度拉力控制系統的實施例電路板實物圖。 圖中1 +24V: 24VDC電源正極；2 GNDX: 24VDC電源地；3 XDI1:手動電 機正轉接線(與RIGHT鍵配合)；4XDI2:手動電機反轉接線(與LEFT鍵配合)； 5 DT-: RS485接線正端；6 DT+: RS485接線負端；7 TXD: RS232接口 2腳； 8 RXD: RS232接口 3腳；9 GND: RS232接口 5腳；10 VCC1:電機驅動器直流
+5V; 11 Ql:電機驅動器脈衝端；12 Q2:電機驅動器轉向端；13 SW1:上行程 限位開關；14 SW2:停車位置限位開關；15 SW3:下行程限位開關；16 AI1 + :
浮筒液位計信號(4 20mA)正端；17 All-:浮筒液位計信號(4 20mA)負端； 18 AI2+:浮筒液位計信號(0 5V/1 5V)正端；19 AI2-:浮筒液位計信號(0 5V/1 5V)負端；20 AI3+:浮筒液位計信號(0 10mA)正端；21 AI3-:浮筒液 位計信號(0 10mA)負端；22 AI4+:拉力傳感器信號正端；23 AI4-:拉力傳感 器信號負端；24 AGND:模擬地；25 10V: 10V電源正極輸出；26 GND: 10V電源地。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。
在圖1中，A/D轉換採用的晶片是ICL7135，控制板CPU為W77E58，手操器 CPU為WW77E516，兩單元之間通過RS485總線連接實現通信，並通過兩根手動 線分別控制步進電機的正反轉，手操器通過RS232實現與計算機的通信。EEPR0M 存儲校驗和校準參數，電源部分主要為晶片和器件提供數字和模擬隔離的5V電 壓以及為拉力傳感器提供10V標準電源。手操器中的9個按鍵(UP、 D0WN、 LEFT、 RIGHT、 CHECK/SAVE、 ST0P/DEL、 ENT、 ESC、 MODE)可實現相應的校驗操作。
在圖2中，24VDC經過LM2576和74HC161後，經變壓器隔離並半波整流， 多次濾波再經7812/1912產生± 12V給0P07放大電路供電，產生的12V經78L05 變換成+5V，該+5V電壓經MC1403後輸出基準電壓到0P07運放電路輸入端，經 達林頓電晶體驅動從而輸出標準IOV，功率為250mW的高精度電源。
在圖3所示實施例中，浮筒式液位計輸出的標準信號根據不同類型接圖4 的AIl+、 All-， AI2+、 AI2-， AI3+、 AI3-。拉力傳感器的輸出信號接圖4的AI3+、 AI3-;拉力傳感器的輸入電壓接圖4的IOV、 GND;步進電機驅動器的脈衝端接 圖4的Q1，步進電機驅動器的轉向端接圖4的Q2，步進電機驅動器直流5V端 接圖4的VCC1;圖4的SW1、 SW2、 SW3分別接浮筒式液位計執行機構上行程的 限位開關，傳感器停車位置的限位開關以及下行程的限位開關。校驗儀上電後， 通過手操器可對浮筒式液位計進行標準、百分比、自定義、單點等方式的校驗。
附圖4和附圖5中的兩個單元之間通過一對RS485總線DT-， DT+相連而實 現通信，附圖5中RS232接口通過串行線與計算機的串口相連。
權利要求
1、一種多量程全自動高精度拉力控制系統，其特徵是控制系統輸入信號採集精度達到±0.2‰和拉力傳感器10V標準電源精度達到±2mV，功率為250mW對於控制系統輸入信號採集精度達到±0.2‰，4路模擬量輸入信號4～20mA、0～5V/1～5V、0～10mA、0～20mV採用差動全浮空電路設計，4～20mA、0～5V/1～5V模擬量輸入信號並聯250電阻，0～10mA輸入信號並聯500電阻後經對稱的470K和2.4K電阻分壓輸出到CD4052的輸入端，0～20mV輸入信號經2.4K電阻後再並聯0.1μF電容兩端各接5.1V TVS保護後輸出到CD4052的輸入端，兩片CD4052的片選和通道選擇通過控制板單片機W77E58來控制；兩片CD4052輸出連接在一起經過高抗共模幹擾放大電路放大70～80倍後輸入到A/D晶片ICL7135的IN+端，ICL7135的4腳和7腳接0.1μF的積分電容，26腳STB接74HC74的CLK端，74HC74的6腳經過光電隔離P521接單片機W77E58的P32腳，由中斷來控制觸發；MC1403輸出並聯0.1μF電容後由兩個5K電阻分壓後接ICL7135的2腳VREF端，ICL7135的13、14、15、16、27、23腳經74HC244驅動後輸出通過光電隔離P521接單片機W77E58的P00～P05腳；控制系統輸入信號採集電路部分採用25PPM和0.5％精度的電阻匹配；選用AD晶片為ICL7135，轉換頻率達500KHz，轉換周期為80ms，為工頻幹擾周期的整數倍，且採用雙積分AD轉換方式，有效抑制工頻幹擾；電路板的合理布線；軟體上採用中值濾波技術，對於拉力傳感器10V標準電源精度達到±10mV，功率為250mW，該部分主要由兩個OP07放大器組成；採用24VDC電壓推挽；變壓器隔離電源設計並濾波；一對二極體IN4148半波整流產生±12V供電電壓給兩個OP07放大器供電；利用MC1403作為基準源，將MC1403輸出經RC濾波後接2K電阻到一個OP07放大器的輸入正端，該放大器的輸出接一個2K電阻後輸入到由兩個三極體8050組成的達林頓電晶體的基極，達林頓電晶體的集電極接半波整流得到的+12V電壓，並將該電壓由100μF/25V電解電容並聯0.1μF和1000PF電容進行對地濾波，該放大器負端通過1K電位計並聯200電阻後接3K電阻後同另一個OP07放大器的輸出相連，另一個OP07放大器的負端與輸出相連接成電壓跟隨方式，正端接3K電阻後與達林頓的發射極相連，經100μF/25V電解電容並聯0.1μF電容濾波輸出；拉力傳感器10V標準電源部分的電阻採用25PPM和0.5％精度的電阻。
2、根據權利要求1所述的一種多量程全自動高精度拉力控制系統，其特 徵是:它的控制系統的電源部分由24VDC經IN4001保護二極體並濾波，經過 LM2576輸出後接續流二極體IN5819，經電感電容濾波後產生VCC1模擬+5V電壓 給SN74HC161，控制板數字量輸出和RS485通信電路的模擬部分，手操器的RS485 通信和RS232通信電路的模擬部分供電；VCC1模擬+5V電壓經過DC-DC輸出後 經電感電容濾波後產生VCC數字+5V電壓，該電壓由控制板和手操器電源部分電 路各自產生，給控制板和手操器的數字部分供電；控制板電源部分的4M晶振電 路經74HC04反相器驅動產生0. 25-時鐘提供給SN74HC161的CLK端，由QC輸 出2-方波，-一路經過74HC04驅動後輸入到由三極體8550和8050組成的推免 電路的基極端，兩個三極體共基極並各由一組2K電阻和l/^電容並聯接入，三 極管8050的發射極接地，三極體8550的發射極接VCC1，兩三極體共集電極輸 出，經初級與次級報數比為4: 18的隔離變壓器，次級經過一對二極體IN4148 半波整流並電容濾波後由78L05和TVS 5V輸出並電容濾波產生提供給信號採集 電路部分所需的模擬士5V電壓，同時次級線圈輸出經一對二極體IN4148上卜l鬲 離產生2/^穩定時鐘到ICL7135的CLK端；另一路直接輸入到由三極體8550和 8050組成的推免電路的基極端，兩個三極體共基極並各由一組5. 1K電阻和電容並聯接入，三極體8050的發射極接地，三極體8550的發射極接24VDC，兩 三極體共集電極輸出，經初級與次級匝數比為10: 18的隔離變壓器，次級經過 一對二極體IN4148半波整流後並經100/^和0. 1/^電容並聯濾波再經過 7812/1912輸出後並電容濾波產生士12V電壓給兩個0P07放大器供電，產生的 12V電壓同時給由兩個三極體8050組成的達林頓電晶體的集電極供電，12V電 壓再經78L05輸出後並電容濾波產生+5V電壓，該+5V電壓經MC1403後輸出基 準電壓到OP07運放電路輸入端。
3、根據權利要求1所述一種多量程全自動高精度拉力控制系統，其特徵 是該控制系統主要由控制板和手操器兩個單元組成，兩個單元通過RS485總線 連接實現通信，並通過兩根手動線分別控制歩進電機的止反轉，手操器通過 RS232實現與計算機的通信；控制系統通過手操器按鍵設定不同拉力傳感器的量 程範圍3000.0g、 5000.0g、 7500.0g，並輸入標準值SV，經運算轉換，得到需 要產生的標準拉力值，通過D0輸出0 5V脈衝到驅動器，控制步進電機轉動， 以產生相應拉力，由拉力傳感器檢測出該拉力，並輸出0 20mV信號，該信號 由控制系統進行AD採樣，作為反饋，構成一個單迴路閉環控制，使得步進電機 產生的拉力等於按鍵輸入的標準值所對應的拉力，被校驗的儀器或儀表感應該 拉力後，輸出標準信號，該標準信號由控制系統進行AD採樣，經線性轉換後， 得到儀器或儀表的測量值PV，控制系統將該PV值與SV值進行比較，從而得到 儀器或儀表的檢測精度，並把SV值、PV值、測量精度一同顯示到液晶屏幕上。
全文摘要
一種多量程全自動高精度拉力控制系統，屬於自動控制技術領域。其特徵是該控制系統主要由控制板和手操器兩個單元組成，控制板輸入信號採集採用差動全浮空電路設計，利用高抗共模幹擾放大電路，選用AD晶片為ICL7135，轉換頻率達500KHz，轉換周期為80ms，為工頻幹擾周期的整數倍，且採用雙積分AD轉換方式，有效抑制工頻幹擾，變壓器隔離電源設計並濾波，DC-DC數模隔離，軟體上採用中值濾波技術；控制板傳感器電源部分採用OP07運放電路，達林頓電晶體驅動，隔離濾波技術以及MC1403作為基準源。本發明的效果和益處是可以實現包括液位計在內的一些儀器或儀表的校驗，有良好的人機互動接口，信號採集精度達到±0.2‰；拉力傳感器10V標準電源精度達到±2mV，功率為250mW。
文檔編號G05D15/01GK101620447SQ20091001261
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者唐雲龍, 毅 安, 徐高峰, 李亞芬, 李卓函 申請人:大連理工大學