CN102620789A - 宽量程气体流量计积算仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体流量计量技术领域，尤其涉及一种宽量程气体流量计积算仪。包括微处理器、信号采集单元和显示单元，所述信号采集单元包括放大器和A/D转换器，所述放大器的输入端同时连接至安装在气体流量计上的温度传感器和压力传感器，所述A/D转换器位于放大器和所述微处理器之间；所述显示单元为通过液晶驱动电路连接至所述微处理器的液晶显示屏；所述信号采集单元还包括一个直接连接至所述微处理器的选通电路，其输入端为两个，分别通过各自的前置放大器连接至安装在气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器；还包括连接至所述微处理器的存储器，用于存储实时数据并进行永久保存。

Description

宽量程气体流量计积算仪

技术领域

本发明属于气体流量计量技术领域，尤其涉及一种宽量程气体流量计积算仪。

背景技术

目前，世界上主流的流量仪表厂家所生产的各种气体流量计量仪表，由于测量原理上的原因，单台仪表流量测量范围的局限性。一般量程都在1∶30左右，只有热式气体流量计和罗茨流量计的量程范围比较宽，一般在1∶200左右。而且，由于气体管道内的气流流速经常出现过快和过慢的情况发生，超过仪表所能计量的流速范围，超出计量范围的气流一般都不能被流量仪表准确的记录下来，尤其是小于量程下限的情况，甚至有时根本就记录不到流量数值。

为了解决上述问题，人们一直在研究宽量程的流量仪表，研究方向主要是通过合理的技术手段对现有仪表量程下限以下的低速气流进行准确计量，到目前为止还没有妥善的解决办法。正因为如此，目前在气流流量的测量方面，往往在同一管道上将不同口径的仪表并联使用，利用控制阀来控制不同口径的仪表来适应不同的流速。此办法虽然部分解决了现有计量仪表存在的问题，但由于仪表的流量信号输出和控制阀的动作均需要一个缓冲时间，这给气流流量的精确计量带来了问题，进而为气流的供给方和使用方造成了诸多不便，更造成了原材料和安装场地上的极大浪费，这和世界主流的节能环保理念相冲突。

在传感器领域出现了一种高灵敏度的热加速度传感器为上述问题的解决提供了可能性。传统的热加速度计是基于电容或压电技术，用于测量微机械质量结构运动，这种技术在许多方面有一定的局限性，如表面粘附(称为黏附)、滞后、机械震动、电磁干扰(EMI)。昂贵而复杂的制造过程也面临一些与微机械运动结构相关问题的挑战，为了解决这些问题，MEMSIC开发出一种独特的技术，该技术解决了与传统基于MEMS的加速度计相关的问题，利用热对流技术，是全球第一家使用标准的CMOS工艺的单芯片集成混合信号处理电路的热对流MEMS惯性传感器。

其测量原理如下：一个被放置在芯片中央的热源在这个空腔中产生一个悬浮的“热气团”，同时四个由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电偶组均因感应温度相同而产生的电压是相同的。上面是一个空腔气室，因无加速度的外力作用，热气团位于正中央的中央热源之上。当受到一个加速度的作用，热气团偏移，原来四个热电偶组的平衡被破坏，其温度的下降陡度是以热源为中心而向右发生△的偏量。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电偶组的输出电压会出现差异，而这热电偶组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部，有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则是用于测量Y轴上所感应的加速度。

热对流式加速度传感器的内部还包含传感器的模拟信号后处理电路。来自同一轴、两个方向的热电偶组信号经差分放大、温度比较、模数转换、数模转换、低通滤波和缓冲，输出已经放大了的模拟信号；或经差分放大、温度比较和模数转换，直接将信号处理成I2C接口界面。因此，热对流式加速度传感器是一个多芯片的片上系统，即SOC或MCM。

器件测量由加速度产生内在热传递中的变化提供较传统固态校对更具有质量优势的结构，因为在MEMSIC传感器设计中是利用气体分子校对质量，所以运动机械结构在加速度计内会被消除，MEMSIC加速度计可承受的理论撞击极限超过50000g，是传统加速度计的5倍之多，同时也消除了与表面粘附相连的问题。另外，MEMSIC加速度计不在要求特殊处理和测试，可大幅减少OEM的成本，MEMSIC标准的CMOS兼容工艺具备高质量的制备能力。故障率比传统的加速度计减少数千倍，这样的技术和制造能力，从根本上消除了故障率和其他的相关制造成本。

正是因为该传感器具备上述优势，将其应用到气体流量仪表中可以很好地解决存在的测量量程问题。结合当前主流各种气体流量计，应用上述热加速度传感器可派生出多种复合式宽量程气体流量计，如宽量程旋进旋涡气体流量计、宽量程气体涡轮流量计、宽量程涡街式气体流量计、宽量程动差式气体流量计、宽量程V锥式气体流量计等。

为了配合上述的新型宽量程气体流量计，需要一种与之对应的宽量程气体流量计积算仪。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种适用于宽量程气体流量计的积算仪。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：宽量程气体流量计积算仪包括微处理器、信号采集单元和显示单元，所述信号采集单元包括放大器和A/D转换器，所述放大器的输入端同时连接至安装在气体流量计上的温度传感器和压力传感器，所述A/D转换器位于放大器和所述微处理器之间；所述显示单元为通过液晶驱动电路连接至所述微处理器的液晶显示屏；所述信号采集单元还包括一个直接连接至所述微处理器的选通电路，其输入端为两个，分别通过各自的前置放大器连接至安装在气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器；还包括连接至所述微处理器的存储器，用于存储实时数据并进行永久保存。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述微处理器为MCU。

所述存储器为电可擦可编程只读存储器EEPROM。

还包括连接至所述微处理器的用户接口单元，所述用户接口单元包括可与用户计算机或仪表连接的RS485通讯接口、D/A转换器和脉冲放大器。

还包括连接至所述微处理器的输入设置单元。

还包括内置电源单元。

所述内置电源单元包括锂离子电池。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过设置与微处理器直接相连的选通电路，将安装于气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器整合到一起，通过微处理器的判断与控制，根据不同情况选通不同传感器工作，即气体流速在流量传感器的量程范围内时选通流量传感器，低于其量程范围的下限时选通热加速度传感器，也就是拓展了原流量传感器的范围，解决了现有技术中多表并联带来的问题。存储器的设置实现了数据的实时存储，系统掉电重启后数据自动重新载入。显示单元、用户接口和输入设置单元实现了人机交互，操作简单、稳定可靠。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，本发明包括MCU微处理器、信号采集单元和显示单元。微处理器中设置处理程序，接收来自信号采集单元的数字信号并进行高速监控处理；对管路中的工况进行判断并选通相应传感器；对计算得到的数值进行显示处理并控制外置其它单元。

信号采集单元包括放大器和A/D转换器，放大器的输入端同时连接至安装在气体流量计上的温度传感器和压力传感器收集两者产生的模拟信号，A/D转换器位于放大器和微处理器之间，将模拟信号转化为数字信号。

显示单元为通过液晶驱动电路连接至微处理器的液晶显示屏，集中显示气体流量计中的温度、压力、工况、标况和累计气体总量等信息。

信号采集单元还包括一个直接连接至微处理器的选通电路，其输入端为两个，分别通过各自的前置放大器连接至安装在气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器，该选通电路在微处理器的控制下选通一个传感器、断开另一个。

根据热加速度传感器的工作原理，在芯片中央产生一个悬浮的“热气团”，同时四个由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。为了实现用该热加速度传感器进行对气流速度的测量，需要经过精确的数学建模来得到气流速度与各热电偶测量温度值的关系曲线。由于气流在管路中均匀流动，可以将其假想为均一介质，将热加速度传感器的四个热电偶中的两个设置在流量计的中心线上，一个靠近入口一个靠近出口。当流量计中没有气流流过时，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电偶组均因感应温度相同而产生相同的电压。当气流以一定的速度流过时，“热气团”沿气体流向有一个△的偏量，即扰乱了热场的轮廓，从而导致其不对称，此时流量计中心线上的两个热电偶的输出电压会出现差异，而该电压的差异是直接与所感应的气流速度成比例的。由此建立了气流速度与热电偶间电压差的关系模型。

还包括连接至微处理器的存储器，用于存储实时数据并进行永久保存，存储器选取为电可擦可编程只读存储器EEPROM。

还包括连接至微处理器的用户接口单元，该用户接口单元包括可与用户计算机或仪表连接的RS485通讯接口、D/A转换器和脉冲放大器，用户可以通过该接口单元将该积算仪连接至电脑进行数据读取、分析，也可连接其它仪表进行显示以及深度处理等操作。

还包括连接至微处理器的输入设置单元，包括键盘、触摸屏等设备，用户由此对积算仪进行设置。

还包括内置电源单元，其中采用锂离子电池，电量由液晶显示屏进行显示。

该系统将安装于气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器整合到一起，其等效为双传感器输入，单微处理器来无触点执行切换。通过选通电路利用I2C总线同微处理芯片相连接，由软件程序在内部做实时高速监控处理，来判断当前管道内的气流流速，根据结果选通是该由流量传感器电路工作还是由热加速度传感器电路工作，总运算反应时间为2ns-10ns之间，通过无触点快速切换，来自动执行量程切换功能。

同时，由微处理器经过质量和体积转换，驱动液晶显示屏进行显示，并且由EEPROM实时进行数据存储，来永久保存。

当系统初次上电，执行自检，完毕后默认热加速度传感器工作，并且执行间歇扫描，当检测到流速后根据当前运算结果来决定是否选通切换常规传感器，或者在用户了解流量的前提下直接人工设置默认传感器状态。然后由仪表自动执行相关选通。

电气性能指标：

(1)工作电源

外电源：(8～24)VDC，纹波≤50mV，当接入外电源时内电源自动断开，整机由外电源供电工作。内电源：一节3.6V DC锂电池，屏幕实时显示电池电量，并有电池欠压报警，以提示用户及时更换。

(2)整机功耗

外电源：整机功耗≤1W；

内电源：平均功耗≤0.8mW，处于休眠状态时，功耗≤0.2mW。

(3)输入信号

流量信号：(0～2)kHz脉冲信号，V_pp＝2.5V；

温度信号：由温度传感器输出的阻值信号；

压力信号：由压力传感器输出的mV级的信号。

(4)输出信号

输出信号(三线制)：直接将流量传感器检测的工况脉冲信号放大输出，传输距离≤50m，由外电源+24VDC供电工作；

(4～20)mA标准模拟信号：(4～20)mA标准模拟信号线性对应于(0～Q_max)m³/h标准体积流量，流量范围由仪表参数设定，传输距离≤200m，接线方式为两线制或三线制，由外电源+24VDC供电工作；

标准流量信号：以脉冲信号串方式输出，周期分别为5ms、500ms，脉冲幅值约为3V，常态为低电平，传输距离≤50m，每一个脉冲分别代表0.1m³、1m³，适用与IC卡系统配套使用；

RS485接口信号：直接与上位机联网，可远传被测介质的温度、压力、瞬时流量、标准体积总量等仪表有关参数、故障代码、运行状态及实时数据。与专用MODEM配套使用，可实现电话通讯，一台专用MODEM可带16台流量计；

实时数据库：为满足数据管理的需要，仪表具有实时数据存储功能，包括：

a)最近400次流量计的启停时间和对应累积流量值；

b)最近48个月内每个月的累积流量值；

c)最近300次的状态记录数(包括：时间、温度、压力、瞬时流量、累积流量值等)，间隔时间可设定为(1min～999min)；

以上存储数据可利用笔记本电脑或台式计算机通过RS485接口进行读取，根据用户需要形成数据表或曲线图以供分析。

电话通讯网络及通讯管理软件：流量计与专用MODEM配套，通过电话线路进行数据传输，可对网络中的任何一台流量计的历史数据、故障状态进行读取并能远程设置各种流量计有关参数，电话通讯管理软件可根据用户需要实现自动管理功能。

Claims (7)

1.一种宽量程气体流量计积算仪，包括微处理器、信号采集单元和显示单元，其特征在于：

所述信号采集单元包括放大器和A/D转换器，所述放大器的输入端同时连接至安装在气体流量计上的温度传感器和压力传感器，所述A/D转换器位于放大器和所述微处理器之间；

所述显示单元为通过液晶驱动电路连接至所述微处理器的液晶显示屏；

所述信号采集单元还包括一个直接连接至所述微处理器的选通电路，其输入端为两个，分别通过各自的前置放大器连接至安装在气体流量计上的流量传感器和热加速度传感器；

还包括连接至所述微处理器的存储器，用于存储实时数据并进行永久保存。

2.按照权利要求1所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：所述微处理器为MCU。

3.按照权利要求1所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：所述存储器为电可擦可编程只读存储器EEPROM。

4.按照权利要求1所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：还包括连接至所述微处理器的用户接口单元，所述用户接口单元包括可与用户计算机或仪表连接的RS485通讯接口、D/A转换器和脉冲放大器。

5.按照权利要求1所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：还包括连接至所述微处理器的输入设置单元。

6.按照权利要求1至5任一项所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：还包括内置电源单元。

7.按照权利要求6所述的宽量程气体流量计积算仪，其特征在于：所述内置电源单元包括锂离子电池。

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