通用型礦用本安壓力變送器的研制

摘要:壓力變送器主要用于壓力信號的測量和變換處理。在煤礦井下的壓力變送器通常用來(lái)測量支架壓力、錨桿(索)應力、礦井水壓等,不同應用場(chǎng)合的壓力變送器不能夠相互替換，即不具有通用性。針對這一問(wèn)題,我們提出一種通用的礦用本安壓力變送器的解決辦法，該變送器輸出200-1000赫茲頻率信號，通過(guò)選擇接線(xiàn)、撥碼設置即可將其應用于不同的測量場(chǎng)合。
       壓力變送器”是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中最重要的基礎自動(dòng)化設備之一,主要完成壓力信號的測量和變換處理。在眾多的礦用監測監控系統科技項目中,由于各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家的需求不同，在應用壓力變送器進(jìn)行系統關(guān)聯(lián)時(shí)，出現了壓力變送器型號多、通用性差的問(wèn)題。為了解決現有礦用本安壓力變送器通.用性差的問(wèn)題,提出了研制一種通用性強的礦用本安壓力變送器。此外，礦用壓力變送器用量較大,市.場(chǎng)前景非常廣闊。
1技術(shù)研制
1.1通用性需求分析
       礦用本安壓力變送器是能夠滿(mǎn)足煤礦井下使用的,可以將壓力探頭輸出的毫伏級電壓信號或0~5V電壓信號經(jīng)過(guò)處理后,變換成能夠實(shí)現遠距離傳輸的信號制式。通常的信號制式有:4~20mA電流.信號、200~1000Hz頻率信號及總線(xiàn)信號等。
       為了實(shí)現礦用本安型壓力變送器的通用性,需要完成的功能有以下幾點(diǎn):①為了達到監測不同數據的硬件要求，需要增加輸入接口,以適應不同信號的輸入，可對毫伏級信號及0~5V電壓信號進(jìn)行處理。②需要增設撥碼開(kāi)關(guān),配合自主編制的多套監測程序,軟硬件結合實(shí)現同一檢測設備,可以對支架壓力、錨索應力、水壓、水位等數據進(jìn)行監測及數據處理。③需要增設JTAG接口，實(shí)現單片機的ISP在線(xiàn)編程，更好地增強了設備的通用性。④需要實(shí)現0~10MPa量程數據顯示，誤差0.1MPa;200~1000Hz頻率輸出,誤差不大于1Hz。通過(guò)調整程序也可達到0~60MPa量程。⑤關(guān)鍵器件盡量采用表貼封裝，以縮小變送器外形尺寸，節省空間。
1.2工作原理.
       礦用本安型壓力變送器工作原理圖早如圖1所示。單片機對信號進(jìn)行采集,經(jīng)過(guò)A/D轉換器將模擬信號經(jīng)過(guò)放大、位換算、阻尼、開(kāi)方等一-系列運算,轉換輸出標準電流信號或者頻率信號，并送到顯示模塊進(jìn)行顯示，方便用戶(hù)讀取。同時(shí)將數據保存在EEPROM內，即使斷電數據也保存完整。

1.3實(shí)驗板設計
       在對礦用本安型壓力變送器的需求進(jìn)行分析，完成其通用性設計。設計的礦用本安壓力變送器是由AT89s52單片機單元、電源變換單元、信號放大單元、存儲電路單元、A/D轉換單元、頻率信號驅動(dòng)電路單元、顯示器、撥碼開(kāi)關(guān)等組成。單片機最小系統包括外部晶體振蕩器、硬件復位電路及ISP編程接口,其中硬件復位電路可以實(shí)現單片機的上電復位、欠壓復位及看門(mén)狗定時(shí)復位。礦用本安型壓力變送器電路原理圖如圖2所示:
       如圖所示:礦用本安壓力變送器包括了由U1、U9等構成的單片機系統;由U3、U4等構成的電源變換電路單元;由U6等構成的信號放大器;由U5等構成的A/D轉換器;由U8等構成的存儲電路單元;由U7等構成的頻率信號驅動(dòng)電路單元
       工作時(shí)，接入的直流電壓通過(guò)二極管進(jìn)行隔離.和反向保護,通過(guò)增加一級串接功率電阻的方式達到降低三端線(xiàn)性穩壓器的輸入電壓，從而減小三端穩壓器的功率損耗。設計了兩級三端穩壓電路，目的是分別得到12VDC和5VDC電壓，以便滿(mǎn)足不同的應用需求。轉換得到的5VDC電壓，一是接入到板.上其他各電路單元作為供電電源，一是接入到U4輸入引腳，進(jìn)而產(chǎn)生A/D轉換芯片所需的5VDC電壓。

       通過(guò)調整電阻R63阻值,可調節運算放大器的放大倍數;調整信號分壓電阻R51、R52阻值，即可實(shí)現對輸入到A/D轉換器的信號范圍調節，又可將探頭輸出的高于5VDC信號進(jìn)行降壓處理，增大壓力變送器的信號處理范圍;設置J3跳線(xiàn)，作用是實(shí)現信號放大器與A/D轉換器的分離與連接。設置J7按鍵,可以完成變送器測試數據的清零調校。設計電位器R2可以實(shí)現調節液晶顯示器的亮度。
       現已將設計完成的礦用本安型壓力變送器的實(shí)驗板進(jìn)行加工焊接,樣機圖如圖3所示:

2實(shí)施方式
       本設計可以選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。在測量前，首先判斷是哪一類(lèi)的信號和哪一個(gè)量程范圍的信號，同時(shí)將撥碼開(kāi)關(guān)置于相應的位置上。撥碼開(kāi)關(guān)的設計解決了不同應用場(chǎng)合壓力變送器的通用性。當測量時(shí)，將壓力變送器接入相應的電路中,并采用24V直流給其供電,經(jīng)過(guò)內部的信號放大、AD轉換等-系列的信號處理后，最終實(shí)現實(shí)時(shí)測量，顯示測量的數據，與此同時(shí)將測量的數據進(jìn)行存儲，方便日后的讀取。此外，也可以根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，調節電位器R,以改變液晶顯示器的亮度。
3結語(yǔ)
       根據實(shí)際需求情況,我們設計研制出一種通用的本安型礦用壓力變送器。該壓力變送器可以通過(guò)它將監測到的信號轉換成電信號,并在液晶上顯示，同時(shí)能夠以通訊協(xié)議的方式輸出。設計中四位撥碼.開(kāi)關(guān)S,,根據單片機程序存儲空間容量大小，最多可選擇16種不同量程范圍的壓力變送器。
       本設計結構簡(jiǎn)單、設計靈活.有效解決了礦用本安壓力變送器通用性差的問(wèn)題。滿(mǎn)足適用于應用于支架壓，力監測系統、頂板動(dòng)態(tài)監測系統、水害預警系統中有關(guān)壓力數據的采集、顯示、傳輸。同時(shí)還可適用于各類(lèi)煤礦井下監測監控系統中。