一種石化井用一體化智能傳感器的製作方法

2024-03-21 00:57:05 1

專利名稱：一種石化井用一體化智能傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石化井用一體化智能傳感器
背景技術：
石化行業井下工作環境惡劣，面臨富氫環境下的長使用壽命、精度和穩定性、多點感應、本質安全、極端表面溫度等問題，對傳感器設計帶來很多挑戰。同時，傳統傳感器在功能上的匱乏已經遠遠不能滿足當今實際需要。
發明內容為解決上述現有的缺點，本實用新型的主要目的在於提供一種實用的石化井用一體化智能傳感器，採用了高性能微處理器來處理數據，能以很高的採樣速率和很低的採樣解析度將模擬信號轉換成數位訊號，再利用過採樣、噪聲整形和數字濾波技術，提高精度和性價比。實時進行系統的故障自檢，並作出異常情況的應急處理，避免因傳感器系統本身故障而引起整個測控系統出錯，大大提高可靠性。通過數據處理來自動補償因工作條件與環境參數發生變化後引起的系統特性漂移，其數位訊號處理方式又有效地減少元器件特性漂移對信號的影響，從而提高系統的穩定性。通過軟體對傳感元件採集到的信息進行有效處理，去除輸入信號中夾雜的噪聲，將有用信號提取出來，還可以消除多參數狀態下交叉對靈敏度的影響，保證在多參數影響情況下對目標參數測量的分辨力，獲得高信噪比和高解析度。可靈活適應多種不同的應用場合與使用要求。它能自動對採集到的信息進行處理，對通訊速率等進行優化；在要求輸出信號形式改變的情況下，只需更改系統組態就可實現，無需修改硬體，從而增強了系統的適應能力。為達成以上所述的目的，本實用新型的一種石化井用一體化智能傳感器採取如下技術方案:一種石化井用一體化智能傳感器，包括顯控部件、變送器殼體、M12標準連接器、變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控制板，其特徵在於，所述變送器殼體一端設置顯控部件，另一端設置M12標準連接器，變送器殼體內固定連接設置變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控制板。採用如上技術方案的本實用新型，具有如下有益效果:採用了高性能微處理器來處理數據，能以很高的採樣速率和很低的採樣解析度將模擬信號轉換成數位訊號，再利用過採樣、噪聲整形和數字濾波技術，提高精度和性價比。實時進行系統的故障自檢，並作出異常情況的應急處理，避免因傳感器系統本身故障而引起整個測控系統出錯，大大提高可靠性。通過數據處理來自動補償因工作條件與環境參數發生變化後引起的系統特性漂移，其數位訊號處理方式又有效地減少元器件特性漂移對信號的影響，從而提高系統的穩定性。通過軟體對傳感元件採集到的信息進行有效處理，去除輸入信號中夾雜的噪聲，將有用信號提取出來，還可以消除多參數狀態下交叉對靈敏度的影響，保證在多參數影響情 況下對目標參數測量的分辨力，獲得高信噪比和高解析度。可靈活適應多種不同的應用場合與使用要求。它能自動對採集到的信息進行處理，對通訊速率等進行優化；在要求輸出信號形式改變的情況下，只需更改系統組態就可實現，無需修改硬體，從而增強了系統的適應能力。

圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為本實用新型的內部結構示意圖。
具體實施方式
為了進一步說明本實用新型，
以下結合附圖進一步進行說明:如圖1和圖2所示，本實用新型的一種石化井用一體化智能傳感器，包括顯控部件
1、變送器殼體2、M12標準連接器3、變送器模擬電路板4、數字轉換板5和顯示控制板6，變送器殼體2 —端設置顯控部件1，另一端設置M12標準連接器3，變送器殼體2內固定連接設置變送器模擬電路板4、數字轉換板5和顯示控制板6。顯控部件1、變送器殼體2、M12標準連接器3 —體化組成，通體不鏽鋼設計，以提高IP防護等級、增強在惡劣環境下的工作能力，內部包括變送器模擬電路板4、數字轉換板5、顯示控制板6三塊印製電路板。在設計上打破了傳統的傳感器設計原理，縮小了傳感器尺寸的同時，實現了靈活的安裝方式、系統可靠性高、高精度等級測量和信息傳輸功能，項目的研製成功填補了國內市場空白，具有廣闊市場應用前景。顯示控制板6提供兩個按鈕用於快速菜單翻轉與選擇，Enter按鈕用於修改的安全儲存；傳感器上體能夠旋轉，配以45傾角的清晰數顯功能，滿足各種安裝要求；測量精度最高能夠達到0.2K，僅使用少量不同的產品即可覆蓋較大範圍的溫度傳感器應用；通體不鏽鋼材料設計，加以高性能EMC特性和IP65防護等級，確保操作安全性。採用先進的半導體電子技術和集成電路技術，使得工作原理和結構都十分簡單。測溫元件為鉬熱電阻或銅熱電阻的變送器，其線路由測量、放大、整形、調整和信號轉換等幾部分組成。在被測介質的溫度發生變化時，測溫元件 的電阻值將發生相應的變化，此變化經測量線路轉換為電信號，在經高穩定性運算放大器放大，線形化校正電路進行精確的線形補償，最後輸出一個與被測溫度成線形關係的4 20mADC電流信號。對於測溫元件為熱電偶的變送器，其線路組成除此幾部分外，還具有冷端補償電路。作為壓力傳感器時，被測介質的壓力直接作用於傳感器的擴散矽膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，用電子線路檢測這一變化，並轉換輸出一個對應於這一壓力的標準測量信號。系統分為模擬信號採集/處理、數字信息處理及通訊、人機界面3個子系統。電路均採用模塊化設計方法，具體劃分為模擬電路板、數字電路板、顯示控制板3個部分。模擬板將現場參量信號經過PT100 (或其它類似傳感元件，如Cu50、PT1000、壓阻式壓力傳感器或差分應變電橋電路等等)進行轉換，採用精準恆流源/恆壓源驅動、全差分電橋測量方式，將溫度(或壓力、應變電信號等等，以下均以溫度參量示例)信號轉換為0.4 2V對應電壓信號，並可進行VI轉換一一輸出標準4 20mA模擬量電流，以方便連接二次儀表/設備；模擬板轉換後的電壓信號送至數字電路板進行AD轉換並進行數字濾波處理，AD轉換後的數值依據PT100分度表進行非線性轉換，轉換結果通過I2C接口控制顯示輸出，並可提供HART或MODBUS現場總線通訊，以便於現場總線控制。顯示板接受來自數字板的數據並可通過對應按鍵對系統參數進行調整，以滿足通用性/一致性要求。系統軟體功能豐富，採用開機自檢、滿量程自標校、硬體錯誤告警、軟體數據雙備份自糾錯、自動定時退出死循環等多項實用技術，確保現場環境下的產品功能及安全性。本實用新型的一種石化井用一體化智能傳感器，參考國內外最新技術的基礎上，立足自主探索和技術攻關，採用了 「精準恆流源/恆壓源激勵」、「全差分電橋檢測」、「數字濾波」、「VI轉換抗幹擾」和「環境溫度自適應補償」等技術，有效解決了精度和穩定性問題；採用通體不鏽鋼設計和內部結構優化，實現了高防護等級，提升了在惡劣環境下的工作能力；依照MODBUS等現場總線通訊協議，定位於分布式現場測量、顯示、操作，並有利於連接二次儀表及組網應用設計目標，直接利用現場總線控制原則進行開發，方便構建傳感器網；同時，本項目具備開機自檢、滿量程自標校、軟體失效安全自糾錯等豐富功能，集傳感信號採集、變送、顯示、控制、報警及通訊於一身；本項目產品具備體積小、精度高、通用性高、互換性強等優點，技術水平處於國際先進、國內領先水平。模擬電路板採用「精準恆流源/恆壓源驅動」技術設計，可激勵多種傳感器敏感元件及驅動各種差分電橋類型電路，模擬量信號通過「全差分電橋檢測」電路進行放大輸出，後續電路採用「VI轉換抗幹擾」及「環境自適應溫度補償」技術，使其具有廣泛的通用性及互換性，滿足工業及民用現場對多種參量的測量、處理需要，並增加系統的通用性。模擬量信號對現場環境適應性差，其中尤以溫度影響最大。設計現場安裝型傳感器必須考慮現場環境特別是溫度對測量精度的影響。為儘量減少現場環境溫度對系統的影響，本系統從兩個方面進行了優化:分立元件，本系統所有分立元件使用高精度級別類型並進行嚴格老煉篩選，確保系統的一致性及可靠性；電路板布局，本系統電路板使用模塊化設計方法，在電路板布局上將對溫度最敏感的模擬電路板放置在底層，防止熱源集中。採用「量程遷移」、「軟體失效安全自糾錯」、「數字濾波」技術對採集信號進行了優化，加強了適應性。同時，為避免現場環境的劇烈變化及考慮敏感元件的互換性，在軟體設置上增加了誤差補償功能，以保證產品的可靠連續運行。反覆優化結構設計，將多種功能集成在很小的外殼尺寸裡，最終成型產品外形尺寸僅為0 36*140 (圓徑及長度)；採用316不鏽鋼外殼，提升了 EMC及IP防護等級；敏感元件可通過連接電纜進行分體式安裝，減少了 惡劣環境影響；配套電纜和適配器實現了標準化、系列化，便於移植使用。本實用新型的一種石化井用一體化智能傳感器，採用了高性能微處理器來處理數據，能以很高的採樣速率和很低的採樣解析度將模擬信號轉換成數位訊號，再利用過採樣、噪聲整形和數字濾波技術，提高精度和性價比。實時進行系統的故障自檢，並作出異常情況的應急處理，避免因傳感器系統本身故障而引起整個測控系統出錯，大大提高可靠性。通過數據處理來自動補償因工作條件與環境參數發生變化後引起的系統特性漂移，其數位訊號處理方式又有效地減少元器件特性漂移對信號的影響，從而提高系統的穩定性。通過軟體對傳感元件採集到的信息進行有效處理，去除輸入信號中夾雜的噪聲，將有用信號提取出來，還可以消除多參數狀態下交叉對靈敏度的影響，保證在多參數影響情況下對目標參數測量的分辨力，獲得高信噪比和高解析度。可靈活適應多種不同的應用場合與使用要求。它能自動對採集到的信息進行處理，對通訊速率等進行優化；在要求輸出信號形式改變的情況下，只需更改系統組態就可實現，無需修改硬體，從而增強了系統的適應能力。
權利要求1.一種石化井用一體化智能傳感器，包括顯控部件、變送器殼體、M12標準連接器、變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控制板，其特徵在於，所述變送器殼體一端設置顯控部件，另一端設置M12標準連接器，變送器殼體內固定連接設置變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控 制板。
專利摘要本實用新型公開一種石化井用一體化智能傳感器，包括顯控部件、變送器殼體、M12標準連接器、變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控制板，其特徵在於，所述變送器殼體一端設置顯控部件，另一端設置M12標準連接器，變送器殼體內設置變送器模擬電路板、數字轉換板和顯示控制板。本實用新型借鑑國外先進技術，使結構小型化，集測溫元件與信號轉換放大功能於一體的新型傳感器。通過敏感元件產生電信號，經變送器組件處理後，可輸出4～20mADC的標準信號以及485信號，支持MODBUS或hart等常用通信協議，並且能與顯示儀表、模擬調節儀表或計算機控制系統方便連接，主要應用於油田、井用及其他工業控制場合，對被測介質溫度、壓力進行檢測或控制。
文檔編號E21B47/00GK203130068SQ20132015511
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者王強 申請人:西安國宇航空科技有限責任公司