CN102305686B - 温度校正压力数据采集器及其测量热网管道压力的方法 - Google Patents

Abstract

温度校正压力数据采集器及其测量热网管道压力的方法，属于压力数据采集技术领域。它解决了压力数据采集器在进行现场压力测量时忽略温度影响使测量结果不准确的问题。它由压力传感器、数据放大器、基准稳压源、A/D转换器、单片机、显示电路、复位电路、非易失串行存储器、串行通信接口、锂电池及电压转换单元、第一温度传感器和第二温度传感器；通过钢结构连接管机壳外侧的外壁上的螺纹将机壳与待测压力数据的管网管道相连接，使管网管道内的水从钢结构连接管的内孔流向温度校正压力数据采集器的壳体内；用单片机对A/D转换器输入给单片机的压力数据进行校正，获得校正后的管网管道真实压力P_真。本发明适用于热网管道压力的检测。

Description

温度校正压力数据采集器及其测量热网管道压力的方法

技术领域

本发明涉及一种温度校正压力数据采集器及其测量热网管道压力的方法，属于压力数据采集技术领域。

背景技术

压力数据采集器主要应用在市政给水管网、供热管网及燃气管网等大型系统中，它由压力传感器、放大器、A/D转换器、显示电路及复位电路等部位组成，在进行现场压力测试的过程中，压力传感器、放大器、A/D转换器及基准稳压源都会由于受到温度的影响，而造成很大的测量结果误差。一般情况下压力传感器的温漂在0.01％/℃～0.03％/℃范围内，放大器、A/D转换器及基准稳压源合成的温漂在100ppm/℃左右。在哈尔滨地区的寒冷冬天，供热管网的最高温度可达120℃，管外温度可达-10℃以下，在这种高温差环境下，测供热管网中的压力时，如果没有温度校正，压力传感器将产生1％～3％的误差，放大器、A/D转换器及基准稳压源的合成误差将达到0.35％；现有压力数据采集器对压力数据的测量，均忽略了温差造成的影响，而这种温差很大的情况下，忽略温度的影响测出的压力数据是极不准确的，不能满足科研及工程的要求，故需对压力数据采集器进行温度校正。

发明内容

本发明的目的是解决压力数据采集器在进行现场压力测量时忽略温度影响使测量结果不准确的问题，提供一种温度校正压力数据采集器及其测量热网管道压力的方法。

本发明所述温度校正压力数据采集器，它包括压力传感器、数据放大器、基准稳压源、A/D转换器、单片机、显示电路、复位电路、非易失串行存储器、串行通信接口和锂电池及电压转换单元，它还包括第一温度传感器和第二温度传感器，

压力传感器用于测量管网管道内压力，压力传感器的压力信号输出端连接数据放大器的压力信号输入端，数据放大器的压力信号输出端连接A/D转换器的模拟信号输入端，基准稳压源用于调控A/D转换器的输出电压，A/D转换器的数字信号输出端连接单片机的压力数据信号输入端，单片机的显示信号输出端连接显示电路的显示信号输入端，单片机的复位信号输入端连接复位电路的复位信号输出端，单片机的存储数据信号输出端连接非易失串行存储器的存储数据信号输入端，非易失串行存储器的存储数据信号输出端连接单片机的存储数据信号输入端，单片机的数据传输接口与串行通信接口连接，

锂电池及电压转换单元为单片机提供工作电源，

第一温度传感器用于采集压力传感器所处位置的水温，第一温度传感器的水温信号输出端连接单片机的水温信号输入端，

第二温度传感器用于采集所述压力数据采集器内部的温度，第二温度传感器的采集器温度信号输出端连接单片机的采集器温度信号输入端。

本发明所述采用上述装置测量热网管道压力的方法，

通过钢结构连接管机壳外侧的外壁上的螺纹将机壳与待测压力数据的管网管道相连接，使该管网管道内的水从钢结构连接管的内孔流向温度校正压力数据采集器的壳体内；

采用单片机对A/D转换器输入给单片机的压力数据进行校正，获得校正后的管网管道真实压力P_真：

P_真＝P_测+ΔP₁+ΔP₂，

式中P_测为25℃的标准环境下A/D转换器输出的数字信号的压力数据：

P_测＝4095×(VIN×G-0)/(VREF-0)，

式中VIN为压力传感器的输出电压，G为数据放大器的增益，VREF为基准稳压源的输出电压，式中数字0为0MPa时数据放大器的电压输出值和基准稳压源的0点电压，

ΔP₁为第一温度传感器的测量值T₁改变时，获得的第一修正值，

ΔP₁＝(a₁(ΔT₁)+b₁)ΔT₁，

式中a₁和b₁分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，ΔT₁为第一温度变化值，

ΔT₁＝T₁-25℃；

ΔP₂为第二温度传感器的测量值T₂改变时，获得的第二修正值：

ΔP₂＝(a₂(ΔT₂)+b₂)ΔT₂，

式中a₂和b₂分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，ΔT₂为第二温度变化值，

ΔT₂＝T₂-25℃。

本发明的优点是：本发明在原有压力数据采集器的基础上增加了两个温度传感器，通过两个温度传感器分别采集压力传感器所处位置和压力数据采集器内部的温度值，直接对现场直接测量的压力数值进行校正，使压力数据采集器的应用场合大大拓宽，不再受温度影响的限制，克服了由于温度影响造成的压力数据采集器测量数据不准确的缺陷。

本发明不仅可应用于市政供水管网，也可以应用于温差变化很大的供热管网；它在满足实际工程测量的需要的同时，也满足了测量精度要求较高的科学研究的要求。

附图说明

图1为本发明所述温度校正压力数据采集器的结构示意图；

图2为温度校正压力数据采集器实施的安装示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的温度校正压力数据采集器，它包括压力传感器1、数据放大器2、基准稳压源3、A/D转换器4、单片机5、显示电路6、复位电路7、非易失串行存储器8、串行通信接口9和锂电池及电压转换单元10，它还包括第一温度传感器11和第二温度传感器12，

压力传感器1用于测量管网管道内压力，压力传感器1的压力信号输出端连接数据放大器2的压力信号输入端，数据放大器2的压力信号输出端连接A/D转换器4的模拟信号输入端，基准稳压源3用于调控A/D转换器4的输出电压，A/D转换器4的数字信号输出端连接单片机5的压力数据信号输入端，单片机5的显示信号输出端连接显示电路6的显示信号输入端，单片机5的复位信号输入端连接复位电路7的复位信号输出端，单片机5的存储数据信号输出端连接非易失串行存储器8的存储数据信号输入端，非易失串行存储器8的存储数据信号输出端连接单片机5的存储数据信号输入端，单片机5的数据传输接口与串行通信接口9连接，

锂电池及电压转换单元10为单片机5提供工作电源，

第一温度传感器11用于采集压力传感器1所处位置的水温，第一温度传感器11的水温信号输出端连接单片机5的水温信号输入端，

第二温度传感器12用于采集所述压力数据采集器内部的温度，第二温度传感器12的采集器温度信号输出端连接单片机5的采集器温度信号输入端。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述锂电池及电压转换单元10为3.6V锂电池及电压转换单元。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，单片机5的型号为MSP430F149。

采用MSP430F149单片机作为压力数据采集器的核心部件，可以充分利用MSP430F149的超低功耗的性能和丰富的对外接口能力，可直接与压力、温度传感器连接及进行系统的功耗控制。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一至三的进一步说明，本实施方式还包括机壳和钢结构连接管13，钢结构连接管13的一端嵌入机壳，并与机壳固定连接，所述钢结构连接管13位于机壳外侧的外壁上带有螺纹，压力传感器1位于机壳内，并且其压力测量面覆盖在钢结构连接管13的内孔上，用于测量该内孔内的压力，钢结构连接管13位于机壳内侧的外侧壁上开有凹槽，第一温度传感器11通过导热硅胶固定在该凹槽内，钢结构连接管13的内孔与壳体内密闭，数据放大器2、基准稳压源3、A/D转换器4、单片机5、显示电路6、复位电路7、非易失串行存储器8、串行通信接口9、锂电池及电压转换单元10和第二温度传感器12均位于壳体内。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一至四的进一步说明，所述结构连接管13的内孔直径为2.5mm。

选取内孔直径为2.5mm的钢结构连接管13，使该内孔直径略大于第一温度传感器11的尺寸，既可以满足第一温度传感器11的尺寸要求，又可以在钢结构连接管13的凹槽内充满一定量的导热硅胶。

具体实施方式六：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为基于实施方式一至五所述采用温度校正压力数据采集器测量热网管道压力的方法，

通过钢结构连接管13机壳外侧的外壁上的螺纹将机壳与待测压力数据的管网管道相连接，使该管网管道内的水从钢结构连接管13的内孔流向温度校正压力数据采集器的壳体内；

采用单片机5对A/D转换器4输入给单片机5的压力数据进行校正，获得校正后的管网管道真实压力P_真：

P_真＝P_测+ΔP₁+ΔP₂，

式中P_测为25℃的标准环境下A/D转换器4输出的数字信号的压力数据：

P_测＝4095×(VIN×G-0)/(VREF-0)，

式中VIN为压力传感器1的输出电压，G为数据放大器2的增益，VREF为基准稳压源3的输出电压，式中数字0为0MPa时数据放大器2的电压输出值和基准稳压源3的0点电压，

ΔP₁为第一温度传感器11的测量值T₁改变时，获得的第一修正值，

ΔP₁＝(a₁(ΔT₁)+b₁)ΔT₁，

式中a₁和b₁分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，ΔT₁为第一温度变化值，

ΔT₁＝T₁-25℃；

ΔP₂为第二温度传感器12的测量值T₂改变时，获得的第二修正值：

ΔP₂＝(a₂(ΔT₂)+b₂)ΔT₂，

式中a₂和b₂分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，ΔT₂为第二温度变化值，

ΔT₂＝T₂-25℃。

本实施方式中采用第一温度传感器11对压力传感器1的温度进行校正，采用第二温度传感器12对数据放大器2、基准稳压源3和A/D转换器4的温度进行校正。

由于压力传感器1处于管网管道内的水温度场中，与管道液体接触，数据放大器2、基准稳压源3和A/D转换器4处于管道外的空气温度环境中，两区域的温差较大，因此需要分别测量两个温度场的温度，故两个温度传感器的安装位置非常重要。通过对温度场的分析，将两个温度传感器按照图2所示位置安装。第一温度传感器11实际要测量的是压力传感器1附近的表面温度，由于钢结构连接管13的高导热系数，将第一温度传感器11设置于钢结构连接管13的凹槽内，并在凹槽内充满导热硅胶，使第一温度传感器11测得的温度即为压力传感器1的温度。第二温度传感器12采集的为温度校正压力数据采集器自身形成的封闭的空间温度，可将其直接设置于电路板上。采用两温度传感器采集获得的数据，即可实现对压力数据的校正。

第一温度传感器11和第二温度传感器12均可采用数字式温度传感器，以保证对测量精度无影响。

压力传感器1的输出电压VIN，数据放大器2的增益G及基准稳压源3的输出电压VREF与温度的关系均为采用二次曲线进行描述。压力传感器1的输出电压VIN为P_测和第一温度传感器11的测量值T₁的函数，数据放大器2的增益G是第二温度传感器12的测量值T₂的函数。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式六的进一步说明，单片机5的型号为MSP430F149。

采用MSP430F149单片机作为压力数据采集器的核心部件，可以充分利用MSP430F149的超低功耗的性能和丰富的对外接口能力，可直接与压力、温度传感器连接及进行系统的功耗控制。

本发明方法在实施时，可具体设定采样时间，然后进行一系列的采样并进行结果校正后，最后通过显示电路6对最终压力数据进行显示。

Claims (6)

1.一种温度校正压力数据采集器，它包括压力传感器（1）、数据放大器（2）、基准稳压源（3）、A/D转换器（4）、单片机（5）、显示电路（6）、复位电路（7）、非易失串行存储器（8）、串行通信接口（9）和锂电池及电压转换单元（10），它还包括第一温度传感器（11）和第二温度传感器（12），

压力传感器（1）用于测量管网管道内压力，压力传感器（1）的压力信号输出端连接数据放大器（2）的压力信号输入端，数据放大器（2）的压力信号输出端连接A/D转换器（4）的模拟信号输入端，基准稳压源（3）用于调控A/D转换器（4）的输出电压，A/D转换器（4）的数字信号输出端连接单片机（5）的压力数据信号输入端，单片机（5）的显示信号输出端连接显示电路（6）的显示信号输入端，单片机（5）的复位信号输入端连接复位电路（7）的复位信号输出端，单片机（5）的存储数据信号输出端连接非易失串行存储器（8）的存储数据信号输入端，非易失串行存储器（8）的存储数据信号输出端连接单片机（5）的存储数据信号输入端，单片机（5）的数据传输接口与串行通信接口（9）连接，锂电池及电压转换单元（10）为单片机（5）提供工作电源，

第一温度传感器（11）用于采集压力传感器（1）所处位置的水温，第一温度传感器（11）的水温信号输出端连接单片机（5）的水温信号输入端，

第二温度传感器（12）用于采集所述压力数据采集器内部的温度，第二温度传感器（12）的采集器温度信号输出端连接单片机（5）的采集器温度信号输入端；其特征在于：

它还包括机壳和钢结构连接管（13），钢结构连接管（13）的一端嵌入机壳，并与机壳固定连接，所述钢结构连接管（13）位于机壳外侧的外壁上带有螺纹，压力传感器（1）位于机壳内，并且其压力测量面覆盖在钢结构连接管（13）的内孔上，用于测量该内孔内的压力，钢结构连接管（13）位于机壳内侧的外侧壁上开有凹槽，第一温度传感器（11）通过导热硅胶固定在该凹槽内，钢结构连接管（13）的内孔与壳体内密闭，数据放大器（2）、基准稳压源（3）、A/D转换器（4）、单片机（5）、显示电路（6）、复位电路（7）、非易失串行存储器（8）、串行通信接口（9）、锂电池及电压转换单元（10）和第二温度传感器（12）均位于壳体内。

2.根据权利要求1所述的温度校正压力数据采集器，其特征在于：所述锂电池及电压转换单元（10）为3.6V锂电池及电压转换单元。

3.根据权利要求1或2所述的温度校正压力数据采集器，其特征在于：单片机（5）的型号为MSP430F149。

4.根据权利要求1所述的温度校正压力数据采集器，其特征在于：所述结构连接管（13）的内孔直径为2.5mm。

5.采用权利要求1所述温度校正压力数据采集器测量热网管道压力的方法，其特征在于：

通过钢结构连接管（13）机壳外侧的外壁上的螺纹将机壳与待测压力数据的管网管道相连接，使该管网管道内的水从钢结构连接管（13）的内孔流向温度校正压力数据采集器的壳体内；

采用单片机（5）对A/D转换器（4）输入给单片机（5）的压力数据进行校正，获得校正后的管网管道真实压力P_真：

P_真=P_测+△P₁+△P₂，

式中P_测为25℃的标准环境下A/D转换器（4）输出的数字信号的压力数据：

P_测=4095×（VIN×G-0）/（VREF-0），

式中VIN为压力传感器（1）的输出电压，G为数据放大器（2）的增益，VREF为基准稳压源（3）的输出电压，式中数字0为0MPa时数据放大器（2）的电压输出值和基准稳压源（3）的0点电压，

△P₁为第一温度传感器（11）的测量值T₁改变时，获得的第一修正值，

△P₁＝（a₁（△T₁）+b₁）△T₁，

式中a₁和b₁分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，△T₁为第一温度变化值，

△T₁=T₁-25℃；

△P₂为第二温度传感器（12）的测量值T₂改变时，获得的第二修正值：

△P₂=（a₂（△T₂）+b₂）△T₂，

式中a₂和b₂分别为由实验获取的二次修正曲线的各项系数，△T₂为第二温度变化值，

△T₂=T₂-25℃。

6.根据权利要求5所述的采用温度校正压力数据采集器测量热网管道压力的方法，其特征在于：单片机（5）的型号为MSP430F149。

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