專利名稱：液位壓力真空儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于壓力液位真空度多參數(shù)測試儀表，尤其是涉及采用單片機控制的智能化儀表。
隨著我國航天技術(shù)和國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，稱為“工業(yè)血液”的低溫液體(液氧、液氮、液氬、液體二氧化碳)需求量與日巨增，由于這些低溫液體(除液體二氧化碳外)佛點溫度均在-180℃以下，要長期保存這些低溫液體，必須采取具有最佳絕熱方式并安全可靠的低溫液體貯存設(shè)備。目前國內(nèi)外廣泛采用的雙層金屬壓力容器作為低溫液體貯存設(shè)備，容器絕熱方式為真空粉末絕熱或真空多層絕熱。低溫液體貯存過程中，分為低溫液體進入低溫容器；在低溫容器內(nèi)貯存；從低溫容器排出三個過程。由于低溫液體價格較為昂貴，故對低溫液體進出低溫容器時精確計量十分重要。從容器排出低溫液體是采用升高容器內(nèi)壓力，強迫低溫液體從低溫容器排出。低溫液體排出低溫容器過程中，對容器壓力的監(jiān)測，對保證低溫容器使用安全及操作人員人生安全也十分重要。低溫液體在低溫容器的保存是依靠低溫容器夾層真空度來保證的，因而監(jiān)測容器夾層真空度的變化很有必要。
長期以來，對低溫液體容器液位、壓力、真空監(jiān)測采用的儀表及配套閥門在安裝使用等方面存在著諸多缺陷和不足。1、液位、壓力均采用單獨的指針機械式儀表，讀數(shù)不精確。液位儀采用mmH2O水位表，讀數(shù)后要與所測低溫液體的比重進行運算轉(zhuǎn)換成所測低溫液體的液位，然后用手工計算法或查表法換算出液體容積，過程繁鎖，累積誤差大。2、由于液位的測量采用差壓方式(P=γH)測量，要液位儀正確使用，如

圖1所示必須正確操作液位儀上、下閥V1、V2及平衡閥V3三只截止閥。正確使用時，液位儀上、下閥V1、V2打開，平衡閥V3關(guān)閉。若在使用時，液位儀上、下閥中一只閥關(guān)閉，一只閥打開，將對液位儀傳感器形成單面受壓，損壞傳感器或降低傳感器壽命。操作人員操作三只截止閥時，也常操作失誤。損壞液位儀傳感器時有發(fā)生。管路上還設(shè)置了一只壓力表閥。實際中，液位儀、壓力表、四只截止閥安裝在一面小型儀表盤上。實際使用中，由于閥門管路中存在較多接頭，安裝檢漏不當(dāng)時，閥門與管路間接頭常產(chǎn)生微小壓力泄漏，液位儀就讀數(shù)不穩(wěn)，指示飄移，產(chǎn)生測量誤差。3、低溫液體容器真空度測量采用臺式指針式真空儀測量。真空儀置于室內(nèi)，測量真空度時才拿到室外使用，容器真空度不能隨時監(jiān)測。真空度變化時，不能立即采取措施。測量真空度時，還要接一交流電源線，測量過程較為繁瑣。
本實用新型目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點及不足，提供一種液位壓力真空儀，它是采用單片機控制、LED數(shù)碼顯示的多參數(shù)測量儀表。
本實用新型通過以下設(shè)計實現(xiàn)一種液位壓力真空儀，主要由四通閥、液位壓力復(fù)合傳感器以及與該傳感器信號輸出端連接、對其輸出信號進行處理而順次級聯(lián)的多路開關(guān)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器單元、LED數(shù)碼顯示電路所組成；所述四通閥由閥體和置于閥體內(nèi)腔、與之轉(zhuǎn)動配合的閥芯組成；該閥體上開設(shè)有與閥體內(nèi)腔相連通的兩個壓力入口和兩個壓力出口；該閥芯上開設(shè)有兩個通孔，通孔設(shè)置在一對壓力入口和壓力出口二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間，在閥芯處于同一轉(zhuǎn)動位置下，另一通孔設(shè)置在另一對壓力入口和壓力出口二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間；該復(fù)合傳感器由開設(shè)有壓力進口的左腔室部件和開設(shè)有壓力進口的右腔室部件相靠接構(gòu)成，差壓芯片設(shè)置在左、右腔室氣體通道之間，并將其分隔，壓力芯片設(shè)置在右腔室內(nèi)；該四通閥的兩個壓力出口分別與復(fù)合傳感器的兩個壓力進口相連通。
所述多路開關(guān)的一個輸入端與真空傳感器的輸出端連接。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，將低溫液體容器上高壓和低壓信號P1、P2接入四通閥兩個入口，四通閥兩個出口接入所述液位壓力復(fù)合傳感器兩個入口，并且，將復(fù)合傳感器輸出的差壓及壓力信號與真空傳感器(通常采用熱偶規(guī)管)的真空信號接入多路開關(guān)，經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換，微控制器單元最后由LED數(shù)碼顯示電路將監(jiān)測對象--低溫液體容器的三個測量參數(shù)直接顯示出來。其優(yōu)越性在于測量精度高(測量數(shù)據(jù)由微機運算處理，數(shù)字式顯示)；結(jié)構(gòu)簡單(減少兩只儀表、三只閥門、一面小型儀表盤)；安裝方便(四通閥與儀表合為一體，現(xiàn)場只需將容器上高低壓力信號引入四通閥入口即可)；減少了氣路管路上泄漏點，提高了低溫液體容器儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以下結(jié)合附圖對本實用新型加以說明圖1是現(xiàn)有低溫液體容器的儀表系統(tǒng)示意圖；圖2是改進后低溫液體容器儀表系統(tǒng)示意圖；圖3是本實用新型四通閥剖面圖；圖4是圖3所示四通閥沿A-A線的剖面圖(閥門開啟即兩組進出口同時連通狀況)；圖5是本實用新型液位壓力復(fù)合傳感器剖面圖6是本實用新型儀表面板圖；圖7圖8分別是本實用新型電原理框圖和電路圖。
由圖1圖2對比可見，本實用新型采用四通閥取代原有V1、V2、V3、V4四只閥門，將原有液位儀、壓力表、真空儀三種儀表合為一體。
圖3圖4示出，四通閥主要由閥體1a，閥芯2a，手柄3a構(gòu)成，閥芯置于閥體內(nèi)腔、與之轉(zhuǎn)動配合。閥體上開設(shè)有與閥體內(nèi)腔相連通的兩個壓力入口4a、6a和兩個壓力出口5a、7a。閥芯上開設(shè)有兩個通孔8a、9a。通孔8a設(shè)置在壓力入口4a和壓力出口5a二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間，在閥芯處于同一轉(zhuǎn)動位置下，通孔9a設(shè)置在壓力入口6a和壓力出口7a二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間，即是，當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動處于某一特定位置時，通孔8a將壓力入口4a和壓力出口5a連通，同時通孔9a將壓力入口6a和壓力出口7a連通。當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動處于其它位置時，兩個通道同時封閉。用手柄轉(zhuǎn)動閥芯，就可同時接通或切斷壓力信號通道。避免了P1或P2單獨作用傳感器的情況。圖5示出，液位壓力復(fù)合傳感器由開設(shè)有壓力進口7b的左腔室部件1b和開設(shè)有壓力進口8b的右腔室部件4b相靠接構(gòu)成，外殼3b將其聯(lián)為一體。差壓芯片2b設(shè)置在左、右腔室氣體通道之間，并將其分隔，壓力芯片5b設(shè)置在右腔室內(nèi)，可采用壓緊螺母6b將壓力芯片固定。結(jié)構(gòu)上，壓力芯片5b傳感壓力P2，差壓芯片2b的一側(cè)感受壓力P1，同時另一側(cè)感受壓力P2，形成差壓，并輸出ΔP=P1-P2差壓信號。參見圖7，由四通閥引入低溫液體容器的壓力信號P1、P2(見圖2)，四通閥的兩個壓力出口分別與復(fù)合傳感器的兩壓力進口連通，該傳感器的對應(yīng)差壓和壓力的兩個信號輸出端接多路開關(guān)2輸入端，同時，真空傳感器(常用熱偶規(guī)管)的信號輸出端接多路開關(guān)2輸入端。上述信號再經(jīng)順次級聯(lián)的放大器3、A/D轉(zhuǎn)換器4、微控制器單元5，最后由LED數(shù)碼顯示電路6將液位、壓力、真空度的測試結(jié)果顯示出來。此外，微控制器單元后還設(shè)置有報警聯(lián)鎖電路7、信號遠傳電路8、4-20ma信號輸出9。遙控接收器11與微控制器單元連接，接受遙控發(fā)射器10發(fā)出的信號，直接控制指定測量參數(shù)的顯示。圖6示出，儀表面板設(shè)計兩排數(shù)碼管同時顯示數(shù)據(jù)。上排顯示容器液位、容積、真空；下排數(shù)碼管顯示容器的壓力、熱偶規(guī)管的工作電流。面板上LED發(fā)光管，指示液體介質(zhì)及測量參數(shù)，聯(lián)鎖信號狀態(tài)。工作時液位、壓力同時顯示；切換后，同時顯示真空度及加熱電流。四通閥與儀表殼體連為一體，即將四通閥設(shè)置在儀表殼體上，儀表殼體采用全封閉式的圓形或方型，整個儀表尺寸為φ100×100mm；φ150×80mm；φ160×80mm；160×80×180mm；96×96×150mm。
圖8示出圖7電原理框圖的一個實施例多路開關(guān)2由集成塊CD4051組成，傳感器來的差壓、壓力、真空信號分別接入其X0、X1、X2端；放大器3由運算放大器OP07和電阻Rf、R1、R2組成同相負反饋放大電路，Rf跨接在OP07的反相輸入端和輸出端之間，R2一端接于其反相輸入端，另一端接地；CD4015的引腳Vcom串接一電阻后接于OP07的正相輸入端；A/D轉(zhuǎn)接器(4)主要由集成塊14433、電阻R3、R4、電容C1、C2、C3組成，R3串接在14433引腳CLK0和CLK1之間，R4串接在其引腳R1/C1和R1之間，C1串接在其引腳C1和R1/C1之間，C2串接在其引腳C01和C02之間，其引腳Vx與C3一端串接R1后接于運放OP07的輸出端，C3另一端接地；微控制器單元5主要由單片機80C31、可編程I/O接口芯片81C55、數(shù)據(jù)存儲器HC373、可編程只讀存儲器27C64組成；81C55的引腳PB0～PB2分別接于CD4051的引腳A、B、C；80C31的引腳P00～P07分別接于HC373的腳1D～8D,HC373的1Q～8Q分別接于27C64的腳A0～A7，即80C31的P0口經(jīng)HC373與27C64的A0～A7相連；80C31的P20～P23分別與27C64的A8～A11相連，以組成地址線；80C31的P00～P07分別與27C64的D0～D7相連組成數(shù)據(jù)線；80C31的引腳PSEN接于27C64的引腳OE,80C31的腳EA接地，組成控制線；80C31的P10～P17分別接于14433的引腳DS1～DS4以及Q0～Q3,80C31的引腳P27接于81C55的腳CE,81C55的引腳D0～D7分別與80C31的P00～P07相連；LED數(shù)碼顯示電路6為LED數(shù)碼動態(tài)顯示電路，它主要由可編程鍵盤顯示模塊82C79、譯碼器HC138、兩塊驅(qū)動模塊8708 Ⅰ、Ⅱ以及LED數(shù)碼顯示器組成；模塊82C79的腳D0～D7分別接于單片機的腳P00～P07,82C79的腳OA0～OA3以及OB0～OB3分別接于模塊8708Ⅰ的腳1A～8A,82C79的引腳A0與單片機引腳P20相連，HC138的腳Y0～Y7分別接于模塊8708Ⅱ的腳1A～8A,8708Ⅰ和Ⅱ的腳1Y～8Y分別與數(shù)碼顯示器(共陰極結(jié)構(gòu))連接；上述81C55、80C31以及82C79三者的引腳ALE相連接，三者的引腳RD相連接，三者的引腳WR相連接，三者的引腳RESET相連接。報警聯(lián)鎖電路7由I/O接口芯片81C55的腳PB4～PB7分別連接的4個相同的報警控制電路組成，該控制電路由光電耦合器GD、二極管D、繼電器J、三極管T1、T2、電阻R5、R6組成，上述81C55的PB腳與GD的發(fā)光二極管相連，繼電器J和二極管LED的一端接GD的集電極，前二者的另一端接于T1和T2的集電極，T1的基極串接R5后與GD的發(fā)射極連接并串接R6后接地，T1的發(fā)射極接于T2的基極，T2的發(fā)射極接地。上述4個報警控制電路分別對應(yīng)低溫液體容器的液位上限、下限以及壓力上限、下限等4個參數(shù)，其報警電路由用戶自選并最終由上述控制電路的繼電器J控制其動作。信號遠傳電路8由模塊75176組成，單片機80C31的引腳TXD、RXD分別與收發(fā)器75176的引腳D、R相連，80C31的腳T0與75176的腳RE和DE相連接，75176的腳A、B輸出Rs-485串行數(shù)據(jù)信號。此外，由81C55的腳P25串接一電容后接于F/V(頻率/電壓)轉(zhuǎn)換模塊LM331的腳Vx,LM331的腳Iout串接一電阻后接于運放741的正相輸入端，運放741的電路為正相負反饋電路，741的輸出端串接一電阻后接于三極管T3基極，最后向外輸出4～20mA信號與上位機聯(lián)系。微控制器單元5中還設(shè)置遙控接收器(TXC50型號)11，用于接收遙控發(fā)射器(TXC50)10發(fā)出的遙控信號，接收器11的引腳D0～D7分別與80C31的引腳P00～P07相連，其引腳CE接于80C31的引腳P21，其引腳OE與82C79的引腳RD相連。
系統(tǒng)軟件分為兩部分。一部分為執(zhí)行軟件，它完成各種具體任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、運算、顯示、調(diào)節(jié)控制等。另一部分為監(jiān)控軟件，它協(xié)調(diào)完成操作者對系統(tǒng)各個功能的調(diào)度安排，即人機對話。根據(jù)軟件設(shè)計，由選擇的所測介質(zhì)及容器大小，將液體的差壓值自動轉(zhuǎn)換成液體的容積值，解決了手工轉(zhuǎn)換的煩瑣。
本實用新型克服了前述現(xiàn)有技術(shù)存在的多種缺點和不足之處。對原有的單個儀器，閥門進行優(yōu)化設(shè)計，組合成了一個有機的整體。大大降低了原有系統(tǒng)的制造成本，安裝成本，提高了儀表系統(tǒng)的可靠性，測量的準(zhǔn)確性。使低溫液體容器配套的儀表系統(tǒng)躍上了一個新臺階，在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。
權(quán)利要求1.一種液位壓力真空儀，其特征在于，主要由四通閥、液位壓力復(fù)合傳感器(1)以及與該傳感器信號輸出端連接、對其輸出信號進行處理而順次級聯(lián)的多路開關(guān)(2)、放大器(3)、A/D轉(zhuǎn)換器(4)、微控制器單元(5)、LED數(shù)碼顯示電路(6)所組成；所述四通閥由閥體(1a)和置于閥體內(nèi)腔、與之轉(zhuǎn)動配合的閥芯(2a)組成；該閥體上開設(shè)有與閥體內(nèi)腔相連通的兩個壓力入口(4a、6a)和兩個壓力出口(5a、7a)；該閥芯上開設(shè)有兩個通孔(8a、9a)，通孔(8a)設(shè)置在壓力入口(4a)和壓力出口(5a)二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間，在閥芯處于同一轉(zhuǎn)動位置下，通孔(9a)設(shè)置在壓力入口(6a)和壓力出口(7a)二者與閥體內(nèi)腔的連通口之間；該復(fù)合傳感器由開設(shè)有壓力進口(7b)的左腔室部件(1b)和開設(shè)有壓力進口(8b)的右腔室部件(4b)相靠接構(gòu)成，差壓芯片(2b)設(shè)置在左、右腔室氣體通道之間、并將其分隔，壓力芯片(5b)設(shè)置在右腔室內(nèi)；該四通閥的兩個壓力出口分別與復(fù)合傳感器的兩個壓力進口相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述多路開關(guān)(2)的一個輸入端與真空傳感器的輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述四通閥與儀表殼體連為一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述儀表殼體為全封閉式的圓型或方型，其外形尺寸為φ100×100mm；φ150×80mm；φ160×80mm；160×80×180mm；96×96×150mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述多路開關(guān)(2)由集成塊CD4051組成，傳感器來的差壓、壓力、真空信號分別接入其X0、X1、X2端；所述放大器(3)由運算放大器OP07和電阻Rf、R1、R2組成同相負反饋放大電路，Rf跨接在OP07的反相輸入端和輸出端之間，R2一端接于其反相輸入端，另一端接地；CD4051的引腳Vcom串接一電阻后接于OP07的正相輸入端；所述A/D轉(zhuǎn)換器(4)主要由集成塊14433、電阻R3、R4、電容C1、C2、C3組成；R3串接該集成塊引腳CLK0和CLK1之間，R4串接在其引腳R1/C1和R1之間，C1串接在其引腳C1和R1/C1之間，C2串接在其引腳C01和C02之間，其引腳Vx與C3一端串接R1后接于運放OP07的輸出端，C3另一端接地；所述微控制器單元(5)主要由單片機80C31、可編程I/O接口芯片81C55、數(shù)據(jù)存儲器HC373、可編程只讀存儲器27C64組成；81C55的引腳PB0～PB2分別接于CD4051的引腳A、B、C；80C31的腳P00～P07分別接于HC373的1D～8D,HC373的1Q～8Q分別接于27C64的腳A0～A7；80C31的P20～P23分別與27C64的A8～A11相連，以組成地址線，80C31的P00～P07分別與27C64的D0～D7相連組成數(shù)據(jù)線；80C31的引腳PSEN接于27C64的引腳OE,80C31的腳EA接地，組成控制線；80C31的引腳P10～P17分別接于14433的引腳DS1～DS4及Q0～Q3,80C31的引腳P27接于81C55的腳CE,81C55的引腳D0～D7分別與80C31的引腳P00～P07相連；所述LED數(shù)碼顯示電路(6)為LED數(shù)碼動態(tài)顯示電路，它主要由可編程鍵盤顯示模塊82C79、譯碼器HC138、兩塊驅(qū)動模塊8708(Ⅰ、Ⅱ)以及LED數(shù)碼顯示器組成；模塊82C79的腳D0～D7分別接于單片機的腳P00～P07,82C79的腳RLO～RL3通過矩陣式鍵盤分別和譯碼器HC138的腳Y0～Y7接通；82C79的腳OA0～OA3以及OB0～OB3分別接于模塊8708(Ⅰ)的腳1A～8A,82C79的引腳A0與單片機引腳P20相連，HC138的腳Y0～Y7分別接于模塊8708(Ⅱ)的腳1A～8A,8708(Ⅰ)和(Ⅱ)的腳1Y～8Y分別與數(shù)碼顯示器連接；上述81C55、80C31以及82C79三者的引腳ALE相連接，三者的引腳RD相連接，三者的引腳WR相連接，三者的引腳RESET相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述微控制器單元(5)后還設(shè)有報警聯(lián)鎖電路(7)，它由I/O接口芯片81C55的腳PB4～PB7分別連接的4個相同的報警控制電路組成，該控制電路由光電耦合器GD、二極管D、繼電器J、三極管T1、T2、電阻R5、R6組成，上述81C55的PB腳與GD的發(fā)光二極管相連，繼電器J和二極管D的一端接GD的集電極，前二者的另一端接于T1和T2的集電極，T1的基極串接R5后與GD的發(fā)射極連接并串接R6后接地，T1的發(fā)射極接于T2的基極，T2的發(fā)射極接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述微控制器單元(5)后還設(shè)有信號遠傳電路(8)，該電路由模塊75176組成，單片機80C31的引腳TXD、RXD分別與收發(fā)器75176的引腳D、R相連，80C31的腳T0與75176的腳RE和DE相連接，75176的腳A、B輸出Rs-485遠傳信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述微控制器單元(5)后還設(shè)有4～20mA信號輸出電路(9)，該電路主要由F/V(頻率/電壓)轉(zhuǎn)換模塊LM331和運放741組成，其連接關(guān)系如下I/O接口芯片81C55的引腳P25串接一電容后接于LM331的腳Vx,LM331的腳Iout串接一電阻后接于741的正相輸入端，運放741的電路為正相負反饋電路，741的輸出端串接一電阻后接于三級管T3基極，最后向外輸出4～20mA信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液位壓力真空儀，其特征在于，所述微控制器單元(5)中還設(shè)有遙控接收器TXC50(11)，用于接收遙控發(fā)射器TXC50(10)發(fā)出的遙控信號，接收器(11)的引腳D0～D7分別與單片機80C31的引腳P00～P07相連，其引腳CE接于80C31的引腳P21，其引腳OE與82C79的引腳RD相連。
專利摘要一種液位壓力真空儀屬智能化儀表，包括四通閥、液位壓力復(fù)合傳感器、真空傳感器以及順次級聯(lián)的多路開關(guān)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器單元和LED數(shù)碼顯示電路。四通閥由開有兩入口兩出口的閥體和可轉(zhuǎn)動的閥芯組成；閥芯上開有可將兩入口和兩出口分別同時連通的兩個通孔；復(fù)合傳感器由左、右腔室部件靠接構(gòu)成，差壓芯片設(shè)在兩腔室氣體通道之間，壓力芯片設(shè)在右腔室內(nèi)，四通閥兩出口與傳感器左、右腔室進口分別連通。
文檔編號G01F23/18GK2452010SQ0024523
公開日2001年10月3日 申請日期2000年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月7日
發(fā)明者吳煒, 吳同文, 吳勝 申請人:吳煒