一种用于核级压力变送器的控制电路和核级压力变送器的制作方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及工业现场测量仪表的技术领域，特别涉及一种用于限制核级压力变送器最大输出电流的控制电路和一种包括该控制电路的核级压力变送器。背景技术：2.核电是目前一种技术成熟的清洁能源，目前核电技术正在大力发展中，核电装备国产化已成为国家战略，我国核电装备国产化率已大幅度提高到85％，尚未国产化的设备主要是用于核电站仪控系统的关键传感器与仪表、工艺系统关键阀门等设备。3.核电仪表和控制系统是核电站的“神经系统”，对核电站整体工艺流程正常、高效、安全的运行起着不可替代的重要作用。其中核级压力变送器更是核电站“神经系统”的关键设备，为核电站安全运行、异常工况处理、事故后监测提供了重要信息。4.经典的压力变送器模拟电子电路电流环最大电流的设置仅是从应用安全角度考虑和安排，对于现行的上位机的最大电流需求难以完全满足。技术实现要素：5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于限制核级压力变送器最大输出电流的控制电路以及一种包括该控制电路的核级压力变送器。6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：7.一种用于限制核级压力变送器最大输出电流的控制电路，包括转换电路和放大输出控制电路，所述转换电路设置为电容-电流转换电路，所述电容-电流转换电路用于将差动电容相对变化值转换为差动电流信号；所述放大输出控制电路用于放大电流信号；8.所述电容-电流转换电路包括振荡器与解调振荡控制电路，所述振荡器用于控制输出振幅；9.所述放大输出控制电路包括放大电路、调整电路以及输出限制电路，所述放大电路用于放大电流信号，所述放大电路包括运算放大器u3、三极管q3和三极管q4，所述运算放大器u3用于前置放大，所述三极管q3和三极管q4组成复合管用于转换输出电压。10.在一些实施例中，所述运算放大器u3输入端设有基准电源，所述基准电源设置为5.1v，所述运算放大器u3输出端参与的电流环回路内设有限流电阻。11.在一些实施例中，所述电流环回路内限流电阻设置为300～315欧姆，所述电流环回路内限流电阻上的最大电流为≤21.6ma。12.在一些实施例中，所述放大电路包括反馈电阻网络，所述反馈电阻网络包括电阻r32、电阻r35、电阻r36以及电位器r37，所述电阻r36和电位器r37用于分流输出电流，所述电阻r36和电位器r37并联，所述电阻r36一端连接电阻r35，电阻r36的另一端通过二极管d14连接输出电源正极，所述电位器r37的滑片端连接电阻r32，所述电阻r32的另一端通过电阻r38连接运算放大器u3正相输入端。13.在一些实施例中，所述电阻r32上的电流为反馈电流if，所述电阻r32为反馈电阻，反馈电阻r32与运算放大器u32构成深度负反馈，并确定输出电流i0与反馈电流if的线性关系。14.在一些实施例中，所述运算放大器u3的反相输入端连接有输入电阻r41，所述输入电阻r41的另一端连接电阻r11、电阻r12和电阻r13，所述输入电阻r41连接在电阻r11、电阻r12的连接处，所述电阻r11、电阻r12和电阻r13依次串联，所述电阻r11与电阻r13的两端并联有稳压管d11，输入电压vf由电阻r11、电阻r12和电阻r13分压所得。15.在一些实施例中，所述调整电路包括迁移设置电路、调零电路以及调量程电路，所述迁移设置电路用于实现测量范围的迁移功能，所述调零电路包括调零电位器r29，所述调零电位器r29两端与稳压管d11并联，调零电位器r29的滑片端通过电阻r30连接电阻r38。16.在一些实施例中，所述输出限制电路包括由三极管q2和电阻r17；17.当输出电流io超过允许值时，电阻r17上压降变大，使三极管q2的集电极电位降低，从而使该三极管处于饱和状态，因此流过三极管q2、三极管q4的电流受到限制，起到保护电子元器件的作用。18.在一些实施例中，所述振荡器用于提供高频电流，包括三极管q1、变压器t1的d/e绕组、电阻r20和电容c7，振荡器上连接有运算放大器u1的输出电压vo1，输出电压vo1实现振荡器输出幅度可控。19.在一些实施例中，所述解调振荡控制电路包括解调电路和振荡控制电路，解调电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、二极管d7以及二极管d8。20.在一些实施例中，所述振荡控制电路包括运算放大器u1、电阻ri、电容c13，电阻ri与电容c13相互并联，运算放大器u2为电压跟随器，运算放大器u2为运算放大器u1提供基准电压源。21.本发明还提供一种包括上述控制电路的核级压力变送器。22.本发明的有益效果：利用电容-电流转换电路将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号，放大及输出控制电路的功能是将电流信号ii放大，并以4～20ma的标准信号输出，同时实现零满调整、正负迁移、阻尼调整等功能；将基准电源为由6.4v降低为5.1v，使得电路电流环最大电流由28ma降低至22.5ma，同时调整电流环回路参数，使得电路电流进一步降低到21.6ma，进而满足现代上位机系统对压力变送器最大输出电流限制的要求。附图说明23.下面结合附图描述本发明的一些实施例。24.图1为经典的核级压力变送器电路原理框图。25.图2为本发明一实施例的放大电路原理图；26.图3为本发明一实施例的基准电压电路示意图；27.图4为本发明一实施例的电流环回路内电阻示意图；28.图5为本发明一实施例的迁移设置电路原理图；29.图6为本发明一实施例的调零电路原理图；30.图7为本发明一实施例的调量程电路原理图；31.图8为本发明一实施例的振荡器原理图；32.图9为本发明一实施例的解调和振荡控制电路原理图。具体实施方式33.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。34.图1示出了经典的核级压力变送器电路原理框图。35.参考图2，示出了本发明的用于限制压力变送器最大输出电流的控制电路，包括转换电路和放大输出控制电路，转换电路设置为电容-电流转换电路，电容-电流转换电路用于将差动电容相对变化值转换为差动电流信号；放大输出控制电路用于放大电流信号。电容-电流转换电路包括振荡器与解调振荡控制电路，振荡器用于控制输出振幅；放大输出控制电路包括放大电路、调整电路以及输出限制电路，利用放大电路将输出电压降低，进而使得输出电流降低。36.参考图2至图4，放大电路包括运算放大器u3、三极管q3和三极管q4，运算放大器u3用于前置放大，三极管q3和三极管q4组成复合管，复合管用于转换输出电压，将运算放大器u3的输出电压转换为变送器的输出电流。运算放大器u3的同相输入端连接有电阻r38，反相输入端连接有电阻r41。37.在一些实施例中，运算放大器u3输入端设有基准电源，采用稳定电压5.1v的精密稳压管，将现有的基准电源为6.4v降低为5.1v，运算放大器u3输出端参与的电流环回路内设有限流电阻，电流环回路内限流电阻上的最大电流为22.5ma。在一些实施例中，将电流环回路内限流电阻设置为300～315欧姆(比如采用型号rn55c3050，其为军标电阻，是具有高可靠性、低温漂的精密电阻，其电阻值为305欧姆)；对电流环的参数进行上述调整，使得电流环回路限流电阻上最大电流进一步降低至21.6ma。38.参考图2，放大电路还包括反馈电阻网络，反馈电阻网络由电阻r32、电阻r35、电阻r36以及电位器r37，电阻r36和电位器r37用于分流输出电流，电阻r36和电位器r37并联，电阻r36一端连接电阻r35，另一端通过设置的二极管d14连接输出电源正极，电位器r37的滑片端连接电阻r32，电阻r32的另一端通过电阻r38连接运算放大器u3正相输入端。图2中记载了输出电流ii、输出电流i0、以及反馈电流if，输出电流i0经过反馈电阻网络完成分流等到反馈电流if，并将反馈电流if送至运算放大器u3的同相输入端，构成深度负反馈，从而保证输出电流i0和反馈电流if之间的线性关系。39.将运算放大器u3的反相输入端的电压设置为电压vf，电压vf即图中b点的电压，电压vf由稳压管d11通过电阻r11、电阻r12和电阻r13分压所得，电压vf使运算放大器u3输入端的电位在共模输入电压范围内，以保证运算放大器u3能正常工作；40.将运算放大器u3的同相输入端的电压设置为电压vt，电压vt即图中b点的电压，电压vt是由三个电压信号叠加而成，包括输出电流ii在b点产生的电压vi、b点产生的调零电压v0’以及反馈电流if在b点产生的电压vf。41.运算放大器u3的反相输入端连接有输入电阻r41，输入电阻r41的另一端连接电阻r11、电阻r12和电阻r13，输入电阻r41连接在电阻r11、电阻r12的连接处，电阻r11、电阻r12和电阻r13依次串联，电阻r11与电阻r13的两端并联有稳压管d11。42.参考图2至图6，压力变送器的电路设计上具备测量范围迁移功能，为避免接插件的使用以提高可靠性，结合核级压力变送器的选型清晰的特点，拟取消现场迁移功能，迁移动作只发生于制造商。调整电路包括迁移设置电路、调零电路以及调量程电路。43.迁移设置电路实质上是通过零电阻对电路的二选一动作，以满足可能的现场迁移需求，pcb设计时，迁移焊点距离为2.54mm，实际上的迁移操作是通过焊锡对相应过孔进行通断实现的。44.参考图2和图6，调零电路包括调零电位器r29，调零电位器r29两端与稳压管d11并联，调零电位器r29的滑片端通过电阻r30连接电阻r38，r0’为调零电压主，r0’为计算r0’时在b点处的等效电阻，改变电阻r30在调零电位器r29连接的位置，即改变电阻ro’分得的电压，进而实现电路调零的功能。45.参考图7，调量程电路由电阻r36、电位器r37、电阻r32、电阻rf以及电阻r35组成，输出电流i0经过电阻r36、电位器r37分流，电位器r37改变反馈电流if的大小，电流if经过电阻rf，实现对电压vf的调节。46.参考图2至图7，输出限制电路包括由三极管q2和电阻r17；当输出电流io超过允许值时，电阻r17上压降变大，使三极管q2的集电极电位降低，从而使该三极管处于饱和状态，因此流过三极管q2、三极管q4的电流受到限制，起到保护电子元器件的作用。47.参考图8，振荡器用于提供高频电流，包括三极管q1、变压器t1的d/e绕组、电阻r20和电容c7，振荡器上连接有运算放大器u1的输出电压vo1，输出电压vo1实现振荡器输出幅度可控。48.参考图9，解调振荡控制电路包括解调电路和振荡控制电路，解调电路二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6、二极管d7以及二极管d8。振荡控制电路包括运算放大器u1、电阻ri、电容c13，电阻ri与电容c13相互并联。49.图8中标记有等效电阻ri，等效电阻ri并在电容c11两端，包括温度补偿电路、零满调整、迁移选择等电路。vr是运算放大器u2的输出电压。运算放大器u2本质上是一个电压跟随器，为运算放大器u1提供基准电压源，即为vr，其值维持不变，从而控制振荡器的电源电压维持不变。50.解调振荡控制电路还包括变压器t1，变压器t1的三个绕组(a/b/c)分别与解调电路及差动电容串接在电路中。由于差动电容ch和cl＜＜c13和c18，因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，通过ch和cl的电流的大小主要取决于其自身电容的容值。51.解调电路用于对差动电容ch和cl的高频电流进行半波整流，经整流后流过ri‖c13的电流：[0052][0053]因此，只要i1+i2为常数，则输出电流正比于差动电容的相对变化量。[0054]振荡控制电路的运算放大器u1的作用就是使i1+i2为常数。运算放大器u1的输入端接受两个电压信号：基准电压vr在r8、r9上的压降、电流i1+i2在r6‖r8和r7‖r9上的压降，这两个电压信号之差作为u1信号源，经放大输出vo1去控制振荡器。由运算放大器u1、振荡器及解调器的部分电路构成深度负反馈电路，使运算放大器u1的输入端的两个电压信号近似相等。由于r6＝r9＝定值，r7＝r8＝定值，vr为定值，因此i1+i2＝(r8－r9)·vr/(r6·r8)＝常数，定义该常数为k，则：[0055][0056]由于传感器固有的分布电容的存在，导致差动电容的相对变化值减少，从而使ii偏小，将产生非线性误差。[0057]上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。









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