CN106248156A - 低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路。本发明的大流量采用韦根传感器来检测腰轮的转动产生脉冲来计算累积流量。小流量的测量采用四个铂电阻组成的桥式电路，通过计算桥路中电压的变化来换算成气体的流量。通过温度、压力传感器获得管道的温度和压力对测量数据进行补偿，得出标况流量。由于采用铂电阻测量气体小流量时受气体组份影响较大，可根据韦根传感器的测量结果在两种测量电路的重叠测量范围对铂电阻流量测量的结果进行在线修正，提高气体小流量测量的精度，从而扩大了电路的流量测量量程。通过低功耗元件设计测量电路，并控制不同模块的供电电源，选择性的打开与关闭模块电源，降低了整体电路的功耗。

Description

低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路

技术领域

本发明属于气体流量检测技术领域，涉及一种低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路。

背景技术

目前工业应用领域，大量程的流量计主要有热式流量计，它主要在管路中插入两个探头，一个用来测量气体的温度，一个用来测量气体的速度，通过测量气体流过速度探头时与其发生热交换，速度探头失去的热量与电路提供的电功率相等的原理，可以计算出气体流量。虽然热式流量计具有较宽的测量范围，但是热式流量传感器易受气体组份介质的影响，变化较大，导致测量精度降低，存在一定的局限性。罗茨流量计又称为腰轮流量计，属于容积式流量计，在气体流量测量中占有着重要地位，测量原理主要通过计量室把流体连续分割成单个已知的体积大小，反复累积计量室内流体进行流量计量。与其它类型的流量计比较，罗茨流量计虽然计量精度高，重复性好，但是测量量程小，功耗大，特别容易受到杂质的影响，导致测量精度降低甚至不能工作。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路。

本发明设计了一种低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，大流量采用韦根传感器来检测腰轮的转动产生脉冲来计算累积流量。小流量的测量采用四个铂电阻组成的桥式电路，通过计算桥路中电压的变化来换算成气体的流量。通过温度、压力传感器获得管道的温度和压力对测量数据进行补偿，得出标况流量。由于采用铂电阻测量气体小流量时受气体组份影响较大，可根据韦根传感器的测量结果在两种测量电路的重叠测量范围对铂电阻流量测量的结果进行在线修正，提高气体小流量测量的精度，从而扩大了电路的流量测量量程。通过低功耗元件设计测量电路，并控制不同模块的供电电源，选择性的打开与关闭模块电源，降低了整体电路的功耗。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明的电路主要由韦根传感器及放大滤波电路模块，铂电阻电桥测量电路模块、放大电路模块、信号滤波电路模块、AD模数转换电路模块、单片机；气体温度采用铂电阻PT1000及温度测量电路模块，气体压力采用压力传感器测量电路模块，电源开关控制电路模块及LCD模块组成。铂电阻电桥测量电路模块的输出信号经放大电路模块、信号滤波电路模块和AD模数转换电路模块输送给单片机。

韦根传感器放置在管路的外壁，用于检测两个腰轮的转动，铂电阻电桥安装在测量管道的几何中心，用于测量小流量气体的流量。在气体流动方向上，铂电阻电桥安装在韦根传感器前的一段距离，压力传感器安装在铂电阻电桥与韦根传感器中间一段距离的管道上，温度传感器安装在韦根传感器的后一段距离的管道上。

本发明的有益效果在于：本发明设计的气体流量测量电路，采用韦根传感器测量两个腰轮转动实现气体大流量的测量，该方法的测量精度受气体组份的影响小。由于采用铂电阻测量气体小流量时受气体组份影响较大，可根据韦根传感器的测量结果对铂电阻流量测量的结果进行在线修正，提高气体小流量测量的精度，并且扩大了整个电路的测量量程。同时，可根据铂电阻的测量结果判断腰轮是否转动，实现测量仪表的自诊断功能。通过电路控制不同模块电路的电源，减少了电源的供电，达到降低功耗的目的。

附图说明

图1是流量测量电路的传感器安装示意图；

图2是系统测量电路原理框图；

图3是韦根传感器的信号处理电路图；

图4是铂电阻桥式电路及放大电路图；

图5是铂电阻测量信号的两级滤波电路图；

图6是温度压力检测电路连接图；

图7是AD模块电路连接图；

图8是低功耗单片机最小系统及各模块连接电路图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1的流量测量电路的传感器安装示意图，韦根传感器放置在管路的外壁，用于检测两个腰轮的转动，其中的一个腰轮上安装有磁钢，铂电阻电桥安装在测量管道的几何中心，用于测量小流量气体的流量。在气体流动方向上，铂电阻电桥安装在韦根传感器前的一段距离，压力传感器安装在铂电阻与韦根传感器中间的一段管道上，温度传感器安装在韦根传感器的后一段距离的管道上。

正常工作情况下，当测量大流量时，气体冲击腰轮转动，腰轮的转动带动磁钢的转动。当磁钢经过装有韦根传感器的管壁时，韦根传感器检测磁钢转动并输出脉冲，通过脉冲数计算累积流量。小流量时，腰轮的检测能力下降，通过铂电阻电桥可以及时的计算出小流量的气体体积，扩大了整个电路的测量范围。同时，采集管道的压力、温度传感器信息，把工况下的气体流量体积换算成标况下的气体体积流量。由于铂电阻测量气体小流量时受气体组份影响较大，可根据韦根传感器的测量结果在两种测量电路的重叠测量范围对铂电阻电桥测量的流量结果进行在线修正，修正数据可通过两种测量电路获得的瞬时流量比值计算获得。

参照图2，本发明的测量电路系统原理框图如图2所示。整个控制系统主要包括单片机模块、铂电阻电桥、韦根传感器、放大电路、整形电路、滤波电路、AD模块、温度传感器、压力传感器、LCD显示模块。韦根传感器输出的脉冲信号经过放大、整形电路，直接输送给单片机。铂电阻电桥输出的电压信号经过放大、滤波电路，然后通过AD模块转换成数字量，输入到单片机。温度传感器采用铂电阻PT1000，通过电路采集PT1000两端的电压，把采集的电压信号通过AD模块转换成数字量输入到单片机上；压力传感器采用硅压阻式传感器，将采集的压力信号直接输给单片机模块；单片机把采集到的信号经过处理，通过LCD液晶显示温度、压力及相关流量信息。

图3为韦根传感器的信号处理电路图模块1。韦根传感器采用WG102，芯片U10选择74LVC2G17，三极管选择9013。韦根传感器的接口1与电阻R10的一端，电容C10的一端连接；韦根传感器的接口2与电阻R10的另一端，电阻R11的一端，三极管T10的发射极，电容C11的一端连接，并与数字地DGND连接；电容C10的另一端与电阻R11的另一端，三极管T10的基极连接；三极管T10的集电极与电阻R12的一端，电容C11的另一端，芯片U10的A1端连接；电阻R12的另一端与电源3V端连接；芯片U10的输出段Y1与芯片U10的输入端A2连接，芯片U10的输出段Y2与单片机的脉冲信号检测Pluse端连接，芯片U10的GND端与数字地DGND连接。

图4为铂电阻桥式电电路模块2及放大电路模块3，铂电阻电桥采用四个PT100的铂电阻，接入惠更斯电桥电路，运算放大芯片选择AD8651。其中铂电阻PT1的一端与铂电阻PT2的一端，电源的3V端连接，铂电阻PT1的另一端与铂电阻PT3的一端、电阻R24的一端连接；铂电阻PT2的另一端与铂电阻PT4的一端、电阻R25的一端连接；铂电阻PT3的另一端与铂电阻PT4的一端连接、数字地DGND端连接；电阻R24的另一端与运放芯片的“-”端，电阻R26的一端连接；电阻R25的另一端与运放芯片的“+”端，电阻R27的一端连接；电阻R27的另一端与数字地DGND连接；运放芯片U20的输出端与R26的另一端连接，输出的电压接入图5的两级滤波电路4。

图5为铂电阻测量信号的两级滤波电路图，运放U30，U31采用单精度运算放大器LM741。由图4采集到电压信号U之后，采用巴特沃斯低通滤波器和LM741运算放大器电路，得到稳定的电压信号。巴特沃斯滤波器能够使其对应通平带范围内的频率响应的曲线尽量逼近平坦，并且曲线基本上没有起伏，一旦进入阻频带内，曲线会逐渐下降为零。放大电路采用了有源负载，设计两级的放大电路可以达到较高的电压增益和较宽的共模及差模输入电压范围。并且该电路还能滤掉频率范围外的噪声信号。具体的电路连接如下：

电阻R30的一端与图4的运放U20的输出端连接；电阻R30的另一端与电阻R31的一端、电容C31的一端连接；电阻R31的另一端与电容C30的一端，运放U30的“+”端连接；电容C30的另一端与数字地DGND连接；运放U30的“-”端与电阻R32的一端、电阻R33的一端连接；电阻R32的另一端与数字地DGND连接；运放U30的输出端与电容C31的另一端、电阻R33的另一端、电阻R34的一端连接。

电阻R34的另一端与电阻R35的一端、电容C33的一端连接；电阻R35的另一端与电容C32的一端、运放U31的“+”端连接；电容C32的另一端与数字地DGND连接；运放U31的“-”端与电阻R36的一端连接，与电阻R37的一端连接；电阻R36的另一端与数字地DGND连接；运放U31的输出端与电容C33的另一端、电阻R37的另一端连接，并且输出的电压信号Vin与图6的AD转换芯片的AIN1端连接。

图6为AD系统模块电路5连接图。AD芯片U41采用高精度24位的AD7714芯片，参考电压采用电压芯片AD780提供的高准确度的参考电压，AD芯片驱动晶振X40为1MHz。AD7714的外围电路如下:

U41的UDDA端与电源的3V端、电容C42的一端、电容C43的一端、U41的UDD端、电容C44的一端连接；U41的UDD端与电源的3V端、电容C42的一端、电容C43的一端、U41的UDDA端、电容C44的一端连接；电容C42的另一端与模拟地AGND连接；电容C43的另一端与模拟地AGND连接；电容C44的另一端与数字地DGND连接。

U41的AIN1端与图5的U31的输出电压端连接；U41的AIN2端与模拟地AGND连接；U41的AGND端与模拟地AGND连接；U41的DGND端与数字地DGND连接。

U41的UREFIN+端与芯片AD780的Uout端、电容C40的一端、电容C41的一端连接；U41的UREFIN-端与模拟地AGND连接。U40为AD780芯片，U40的Uin端与电源3V连接；U40的GND端与模拟地AGND连接。电容C40的另一端与模拟地AGND连接；电容C41的另一端与模拟地AGND连接。

U41的BUF端与数字地DGND连接；U41的MCLKOUT端与晶振X40的一端连接；U41的MCLKIN端与晶振X40的另一端连接；U41的POL端与数字地DGND端连接；

U41的STANDBY端与U41的SYNC端、U41的RESET端连接，并与电源3V端连接；U41的SYNC端与U41的STANDBY端、U41的RESET端连接，并与电源3V端连接；U41的RESET端与U41的SYNC端、U41的STANDBY端连接，并与电源3V端连接；

U41的SCLK端与单片机的MCLK端连接；U41的DIN端与单片机的P1.2端连接；U41的DOUT端与单片机的P1.3端连接；U41的CS端与单片机的P1.4端连接；U41的DRDY端与单片机的P1.5端连接。

图7为温度压力检测电路连接图。温度模块6中温度传感器选用PT1000，接入惠更斯电桥，并提供电流源供电。PT1000的一端与电阻R50的一端、电流源的一端连接；PT1000的另一端与电阻R51的一端、AD7714的AIN4端连接；电阻R51的另一端与电阻R52的一端、电流源的另一端连接；电阻R50的另一端与电阻R52的另一端、AD7714的AIN3端连接。

压力模块7中压力传感器采用硅压阻式的传感器，压力传感器的正端接入电源3V端，压力传感器的负端接入数字地DGND，压力传感器的SDA端与SCL端直接与单片机I/O口连接。

图8是低功耗单片机最小系统及各模块连接电路图。低功耗单片机选用MSP430F449芯片，电源控制芯片选用TPS76930。单片机的AVcc端与DVcc端、钽电容CD80的一端、电容C81的一端、电阻R80的一端连接，并与电源3V连接。电阻R80的另一端与电容C80的一端、单片机的RST端连接；电容C80的另一端与数字地DGND连接。单片机的XIN端与晶振X80的一端、电容C82的一端连接；单片机的XOUT端与晶振X80的另一端、电容C83的一端连接；电容C82的另一端与数字地DGND连接；电容C83的另一端与数字地DGND连接。

压力传感器选用MS5637-30，其SDA端输出的信号与单片机的P2.2连接，压力传感器的SCL端输出的信号与单片机的P2.3连接；LCD显示模块9与单片机液晶对应的引脚端连接；韦根传感器输出的脉冲信号Pluse连接到单片机的P2.1端；电源控制芯片TPS76930的使能端EN与单片机的P2.0引脚连接，电源控制芯片8的电源输入端IN与电源3V端连接，芯片TPS76930的输出端Vout与铂电阻桥式电路模块2的3V端、放大电路模块3的3V端、两级滤波电路模块4的3V端、温度模块6的3V端、AD模块5的3V端、压力模块7的3V端连接。

电路通过单片机P2.0端控制电源控制芯片TPS76930的使能端，控制不同电路模块的3V电源开关，减少了电源的供电，达到降低功耗的目的。

Claims (8)

1.低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：该测量电路在大流量测量时，采用韦根传感器；在小流量测量时，采用铂电阻电桥；韦根传感器和铂电阻电桥经各自的信号处理电路后传输至单片机；其中韦根传感器放置在管道的外壁，用于检测两个腰轮的转动，铂电阻电桥安装在管道的几何中心，用于测量小流量气体的流量，在气体流动方向上，铂电阻电桥安装在韦根传感器前的一段距离；该测量电路还包括温度测量电路模块和压力测量电路模块，其中温度测量电路模块中的温度传感器安装在韦根传感器的后一段距离的管道上；压力测量电路模块中的压力传感器安装在铂电阻电桥与韦根传感器中间一段距离的管道上；在测量气体小流量时，根据韦根传感器的测量结果在重叠测量范围对铂电阻电桥测量的流量结果进行在线修正；根据铂电阻的测量结果判断腰轮是否转动，实现自诊断功能；通过电源控制电路控制不同模块电路的电源，达到降低功耗的目的。

2.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：其中的一个腰轮上安装有磁钢，腰轮的转动带动磁钢的转动；当磁钢经过装有韦根传感器的管壁时，韦根传感器检测磁钢转动并输出脉冲，通过脉冲数计算累积流量。

3.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：温度测量电路模块和压力测量电路模块用于把工况下的气体流量体积换算成标况下的气体体积流量。

4.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：韦根传感器的信号处理电路包括放大电路和整形电路。

5.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：铂电阻电桥的信号处理电路包括放大电路、滤波电路和AD转换电路。

6.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：温度传感器采用铂电阻PT1000。

7.根据权利要求1所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：压力传感器采用硅压阻式传感器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的低功耗自诊断的大量程气体流量测量电路，其特征在于：还包括与单片机连接的LCD显示模块。