CN102297709A - 无线工业流量变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线工业流量变送器，该流量变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3.3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器和温度传感器直接从主控制器电路板连出到管道，显示器通过插针连接至主控制器电路板。本发明的变送器基于智能无线网络WIA技术体系，符合IEEE802.15.4无线通信标准，主要面向设备间信息的无线通信，特别适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。
Description
技术领域
本发明涉及流量计，具体涉及无线工业流量变送器。
背景技术
流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一，与温度、压力、物位同为热工量。流量测量的意义在于既可以指导生产，同时又是规范工艺操作的需要和进行经济核算的依据。由于流量这个参数受流体的工作条件影响，对其检测有相当的难度。为了满足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的，各种流量计量仪表就应运而生。
流量计是实现流量计量的工具。到目前为止，应用于流体流量测量的仪表有很多种，应用场所也有所不同，主要有差压式流量计(如孔板流量计、文丘里管流量计、均速管流量计等)，浮子流量计，容积式流量计(如椭圆齿轮流量计，腰轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计、圆盘转筒式流量计，双转子式流量计等)，流体振动式流量计(如涡街流量计、旋进式漩涡流量计等)，涡轮流量计，
电磁流量计和超声波流量计等。这些为数众多的流量计，按输出信号分类，可分为频率信号输出和模拟电流(电压)信号输出两类。前者包括涡轮流量计、流体振动式流量计和带发信装置的容积式流量计等。这类流量计产品的数量在所有流量计中占有很大优势。
在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。应用节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。根据所测得节流装置两端的压力差经计算可得出管道中的流量。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种无线工业流量变送器，
在满足工业测量范围和精度要求的基础上，是可根据不同型号传感器实时调整参数的无线流量采集仪表，该仪表根据扩散硅式压力传感器的测量原理，结合热电阻温度采集电路以及高精度模数转换器件，通过WIA网络从远程上位机下载扩散硅和热电偶阻相应的计算系数准确计算出压力和温度数据，并将数据实时上传，同时利用微控制器自身的功耗控制特性以及外围模拟开关电路，使整个仪表有较好的能耗表现。
本发明的技术解决方案是：该流量变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3.3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器和温度传感器直接从主控制器电路板连出到管道，显示器通过插针连接至主控制器电路板。
其中，WIAPA-M1800无线适配器与主控制器均使用MSP430型号单片机，二者之间通过串口进行通讯；显示器采用128段位的液晶玻璃材料，主控制器通过HT1621对其进行驱动。
本发明的测量方法是：在工业设备的测量点处安装此仪表，在WIA网络覆盖范围内安装WIA网关，并通过RS232串口或以太网与上位机相连。
工作时，上位机将压力传感器和温度传感器对应的计算参数通过WIA网络下载到仪表，保存在片外存储器内，传感器探头测量管道内部流体的压力和温度，由电路板的信号调理电路对传感器产生的电压信号进行差分信号采集、放大、去噪声处理，A/D将模拟电压信号转换为数字信号，主控制器将数字信号与下载并存储的计算参数得到准确的温度值和压力值，根据能量守恒原理定律及流体连续性原理计算出管道内流体的流量，并将数据实时上传。
本发明具有以下优点：
1、体积小，重量轻，传感器可与变送器一体化，可视化好，实时性强，安装使用方便。
2、模数转换芯片采用16位A\D，可以使分度号为Ｐｔ１００热电阻的非线性校正采集精度在０.１级以上，数据处理控制器、通信控制器采用高性能超低功耗16位MSP430微处理器，结合电路板上的信号调理电路、稳压电路、抗干扰电路和开关电路，使整个仪表具有较低的功耗和较高的稳定性。
3、在传统有线制流量变送器的结构及性能基础上，结合智能传感器系统的理论，设计了一种基于无线WIA技术的智能流量变送器，它具有体积小、成本低、抗干扰能力强、性能稳定、智能化程度及可靠性高等特点。
4、多个数字流量变送器组成数据采集网络，只需要通过WIA无线网络，上位机便能获得多个数字液位变送器的数据，并能对其进行设置，实用中获得了满意的效果。
5、应用涉及的智能无线网络 WIA技术基于短程无线通信IEEE 802.15.4标准，使用符合中国无委会规定的自由频带，解决恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰，提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务。
6、本发明的流量计信号采集电路包括电荷放大器、交流放大器、二阶有源滤波器和施密特整形器，采用Ptl00型铂热电阻的电桥电路测量温度，硅微电容式压力传感器测量压力进行温度、压力补偿，液晶显示模块具有瞬时及分段流量的显示功能，传感器参数通过无线网络另一端的上位机进行标定，主要面向设备间信息的无线通信，特别适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的控制器及其外围电路原理图。
图3为图1的管道压力数据采集及环境温度补偿电路原理图。
图4为图1的管道温度数据采集电路原理图。
图5为图1的数据处理电路及无线接口原理图。
图中：1、天线，2、液晶显示屏，3、管道，4、外壳，5、温度、压力传感器探头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术解决方案，实施例不应理解为对技术解决方案的限制。
如图1-5所示，该流量变送器的电路连接如下：
电源：3.3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3.3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源，3.3V电源由C3、C14、C15、C16、C20、C21、C22、C24滤波，3V电源由C1、C9、C10、C18滤波；
16位A/D：选用美国德州电气公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADS1110的1脚与第二运算放大器OP2的输出端连接，ADS1110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连，R7、R8的另一端以及ADS1110的5脚与+3.3V电源连接，ADS1110的2脚和6脚接地；
MCU：选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片，晶振选用3.6264MHz，程序下载使用标准JTAG接口，XT2IN、XT2OUT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C11、C12到地，MCU的54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连，MCU的12和22脚分别与JP2的2脚和6脚相连，MCU的58脚与JP2的11脚相连；
铂热电阻：R42、R43、R44 和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431 稳至2.5V，从电桥获取的差分信号对热电偶输出信号进行温度补偿，电桥的一个桥臂采用可调电阻R43，通过调节R43 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点；
压力传感器：R1、R2、R3、R4、R5 和扩散硅组成传感器电路，扩散硅的1脚连接-OUT和R1的一端，R1的另一端连接扩散硅的2脚、R2的一端，R5的一端和+IN，R2的另一端连接扩散硅的3脚、+OUT，R5的另一端连接R3的一端、R4的一端、-IN,R3的另一端连接扩散硅的3脚，R4的另一端连接扩散硅的5脚；
信号调理电路：压力传感器和温度传感器的一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接，R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接，OP的反相输入端分别与电阻R46的一端、A/D的负输入端连接，R46的另一端电桥的另一个平衡点连接，R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接，R40的另一端与A/D的正输入端连接，滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正电源端与+3.3V电源连接；
EEPROM存储器：片外存储芯片选用MicroChip公司的24LC64芯片，采用I2C接口。由3.3V电源供电，5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4.5、P4.6口相连，C25用于滤波，1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址。
显示器：选用SPI总线结构的48管脚 HT1621B驱动液晶屏幕，其中SEG0～SEG23和COM0～COM3共24个管脚与液晶玻璃连接，DATA管脚接上拉电阻R52的一端再与MCU的P5.1口连接，CS管脚接上拉电阻R53的一端再与MCU的P1.5口连接，WR管脚接上拉电阻R54的一端再与MCU的P1.6口连接，RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的P1.7口连接，上拉电阻R52、R53、R54、R55的另一端与VDD连接，VDD与VLCD管脚之间连接R51可变电阻，VDD与VSS分别于主控制器电路板上的3.3V电源和地线连接，其余管脚悬空；
无线通信：MCU的P3.4、P3.5口与WIAPA-M1800无线通信模块的串口接口相连。
Claims (2)
1.无线工业流量变送器，其特征在于：该流量变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3.3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器和温度传感器直接从主控制器电路板连出到管道，显示器通过插针连接至主控制器电路板；其电路连接如下：
电源：3.3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3.3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源；
16位A/D：选用美国德州电气公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，由于内置1一8增益的低噪声可编程仪表放大器，可对来放大电路的电压信号进行放大处理并采样转化为数字信号；
MCU：选对A/D输出的数字信号进行处理，计算出温度，通过无线模块与远程PC通信，接收热电阻计算参数表，将采集到的结果上传PC以及其他实时通信，通过对工作模式的切换进行能耗控制；
恒压电路：选用的扩散硅压力传感器是恒流供电型的，供电电流为1.5mA，恒流电源采用美国国家半导体公司生产的三端可调恒流源LM334，具有1～40V宽的动态电压范围，恒流源的建立只需一只外接电阻，是无需独立电源供电的真正悬浮恒流源；由于LM334的输出电流具有与绝对温度成正比的敏感特性，只有在温度恒定时电流才恒定，因此需要进行补偿，只要在基本电路中再增加一只电阻和一只二极管，就可以构成抵消LM334温度漂移的零温度系数恒流源；
铂热电阻：热电阻的阻值会跟随环境温度的变化而改变，以热电阻为核心的电桥进行温度的硬件或软件补偿；
信号调理电路：对扩散硅采集的信号进行放大、滤波；
EEPROM存储器：由于不同的热电阻在计算时对应不同的计算参数，故使用64K的EEPROM存储各种常用热电阻的计算参数；
显示器：显示传感器探头所在环境下的压力，测量精度0.01℃；
无线通信：采集的数据通过串口发送到WIAPA-M1800无线通信模块，再接入WIAPA-GW1498无线网关，在远程PC上对数据进行显示，同时在系统初次使用时由PC将对应于每个传感器探头的分度表经该无线模块传送至MCU，保存在外部存储器中。
2.根据权利要求1所述的无线工业流量变送器，其特征在于硬件连接与工作方式如下：
电源：3.3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3.3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源，3.3V电源由C3、C14、C15、C16、C20、C21、C22、C24滤波，3V电源由C1、C9、C10、C18滤波；
16位A/D：选用美国德州电气公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADS1110的1脚与第二运算放大器OP2的输出端连接，ADS1110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连，R7、R8的另一端以及ADS1110的5脚与+3.3V电源连接，DS1110的2脚和6脚接地；
MCU：选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片，晶振选用3.6264MHz，程序下载使用标准JTAG接口，XT2IN、XT2OUT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C11、C12到地，MCU的54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连，MCU的12和22脚分别与JP2的2脚和6脚相连，MCU的58脚与JP2的11脚相连；
铂热电阻：R42、R43、R44 和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431 稳至2.5V，从电桥获取的差分信号对热电偶输出信号进行温度补偿，电桥的一个桥臂采用可调电阻R43，通过调节R43 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点；
压力传感器：R1、R2、R3、R4、R5 和扩散硅组成传感器电路，扩散硅的1脚连接-OUT和R1的一端，R1的另一端连接扩散硅的2脚、R2的一端，R5的一端和+IN，R2的另一端连接扩散硅的3脚、+OUT，R5的另一端连接R3的一端、R4的一端、-IN,R3的另一端连接扩散硅的3脚，R4的另一端连接扩散硅的5脚；
信号调理电路：压力传感器和温度传感器的一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接，R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接，OP的反相输入端分别与电阻R46的一端、A/D的负输入端连接，R46的另一端电桥的另一个平衡点连接，R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接，R40的另一端与A/D的正输入端连接，滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正电源端与+3.3V电源连接，EEPROM存储器：片外存储芯片选用MicroChip公司的24LC64芯片，采用I2C接口，由3.3V电源供电，5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4.5、P4.6口相连，C25用于滤波，1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址；
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