CN106679738B - 具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路。本发明包括气体流量测量单元、流量自校准单元、压力测量及自诊断单元、温度测量及自诊断单元和单片机单元。流量自校准单元采用红外技术检测涡轮叶片的转速。压力自诊断单元包括恒流源电路、压力传感器、自诊断参考电阻Rref4、电阻Rgnd、第二AD采集芯片。温度测量自诊断单元包括恒流源电路，桥路温度测量诊断电路和第一AD采集芯片。本发明结构简单，同时兼顾温度压力的自诊断功能，避免需要拆卸下来检定这一过程，既保证了涡轮流量传感器流量测量的精度，又保证了它的使用时间。

Description

具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路

技术领域

本发明属于流量计量技术领域，尤其是涉及一种具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路。

背景技术

涡轮流量计是利用涡轮在流体推动下转动而测量通过管道流体的流量，具有一定的抗杂质能力、结构简单、测量量程范围宽、流通能力大、重复性好，压损小等优点，广泛运用于天然气能量计量领域。

由于涡轮流量计具有可动部件，长期使用不可避免的会产生结构、轴承磨损、叶轮损坏等问题，难以长期使计量精度保持在出厂检定/校准的特性下。同时，在测量过程中，被测气体介质的温度、压力、密度等物理特性的变化，对标准流量的测量精度会产生影响，从而影响计量收费。目前，智能型涡轮流量计具有温压补偿功能，但是对于内部叶轮结构变化引起的计量精度下降不能得以修正，不能在运行中判断温度压力传感器的故障，从而影响标准流量的测量精度。因此，需要研究具有自诊断功能的涡轮流量计测量电路。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路，包括：气体流量测量单元、流量自校准单元、压力测量及自诊断单元、温度测量及自诊断单元、单片机单元。

所述的流量自校准单元采用红外技术检测涡轮叶片的转速，由单片机单元输出红外控制信号经红外发射电路发射红外信号，信号通过涡轮叶片反射，使红外接收头接收到红外信号，信号经过接收处理电路回传至单片机单元，此时，涡轮叶片每经过红外检测处，单片机单元将接收一个脉冲信号。

所述的压力测量及自诊断单元包括恒流源电路、压力传感器、自诊断参考电阻Rref4、电阻Rgnd、第二AD采集芯片；AD采集芯片分别对压力传感器的输出信号、自诊断参考电阻Rref4的电压信号进行转换，然后通过单片机单元计算，并判断压力传感器是否正常工作。

所述的温度测量自诊断单元包括恒流源电路，由第一模拟切换开关、 PT1000、参考电阻Rmin和Rmax、第二模拟切换开关、电阻Rref1、Rref2、 Rref3组成的桥路温度测量诊断电路、第一AD采集芯片；通过第一模拟切换开关和第二模拟切换开关分别切换测量温度下限参考电阻Rmin、温度上限参考电阻Rmax、PT1000所对应的温度值，通过单片机单元判断当前 PT1000测量是否正常。

所述的流量自校准单元的校准方法：通过气体流量测量单元输出的脉冲信号N，仪表系数为K，由流量自校准单元的红外技术检测的脉冲信号N1，仪表系数K1，则根据关系式1与经验公式进行涡轮叶片损坏信息判断和流量自校准；

K*(N-1)<＝K1*N1<＝K*(N+1) (1)

所述的温度测量及自诊断单元，其诊断方法由第一AD采集芯片测量得到的Rmin、Rmax、PT1000的信号，经单片机单元处理转换得到TRmin、 TRmax、TPT1000；通过关系式2判断PT1000是否工作正常；

TRmin<TPT1000<TRmax (2)

所述的压力测量及自诊断单元，其诊断方法为恒流源电路提供恒定电流，第二AD采集芯片获取自诊断参考电阻Rref4的电压信号，通过公式3 计算自诊断参考电阻Rref4的电流值，从而判断压力传感器是否正常供电工作；

I＝U/R； (3)

所述的恒流源电路由运算放大器TLV3491构成同相放大器，输出端加上一个由三极管Q2组成的射级跟随器以提高输出能力，输入电压由电阻R30 和稳压二极管VD2产生基准电压。

本发明的有益效果在于：结构简单，利用红外检测电路构成的红外涡轮叶片转速传感器采集脉冲数，判断涡轮叶片结构的损坏程度，并根据经验公式，进行在线修正涡轮流量测量系数；同时本发明兼顾温度压力的自诊断功能；采用在线校准的方法，避免需要拆卸下来检定这一过程，既保证了涡轮流量传感器流量测量的精度，又保证了它的使用时间，大大提高了它的工作效率；采用低功耗设计，扩大了涡轮流量的使用环境。

附图说明

图1是本发明电路的结构图；

图2 是本发明电路的涡轮气体流量测量安装结构图；

图3是本发明具体电路原理图。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和附图对本发明的方案做进一步描述，从而对本发明的有益效果将进一步明确。

图1为本发明一种具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路的结构示意图，它包括涡轮气体流量测量单元1、流量自校准单元2、压力测量及自诊断单元3、温度测量及自诊断单元4、单片机单元5。

气体流量测量单元1，由涡轮流量传感器、信号放大滤波电路、信号整形电路组成；涡轮流量传感器采集脉冲信号，经放大、滤波、整形之后，将信号接入单片机单元5进行处理。

流量自校准单元2，由红外发射电路、接收电路组合；单片机单元5发出控制信号给红外发送电路，发射红外信号经涡轮叶片反射，使红外接收电路接收到红外信号，再将接收的信号接入单片机单元5处理。

压力测量及自诊断单元3，由恒流源、压力传感器、压力参考电阻Rref4、第二AD芯片组成；恒流源提供恒定电流驱动电路，第二AD芯片采集压力传感器和压力参考电阻Rref4的信号进行AD转换。

温度测量及自诊断单元4，由恒流源，Rmin、Rmax、PT1000、Rref1、 Rref2、Rref3组成的桥路，第一AD芯片组成。

图2为涡轮流量测量安装结构示意图，它包括压力传感器6、涡轮流量传感器7、流量校准传感器8、温度传感器9、涡轮叶片10和涡轮轴承11。

涡轮轴承11安装在管道的中心轴上，其轴上安装有涡轮叶片10，压力传感器6安装在管道的前端，涡轮流量传感器7安装在涡轮轴承11的上方，流量校准传感器8安装在涡轮叶片10的正上方，管道后端安装有温度传感器9。

图3为本发明具体电路原理图。它包括流量测量电路12、红外发射电路 13、红外接收电路14、温度测量及诊断电路15和压力测量及诊断电路16。

流量测量电路12，由涡轮流量传感器7的磁阻检测元件输出电势信号 Vin，经电容CD1和电阻R20进行高通滤波，除去信号中的直流成分。电容 CD1的负端与电阻R20的一端共接入U3运放TLV349的3管脚，电阻R21 一端与电阻R22一端共接入U3的4管脚，R20、R21的另一端共接GND。 U3的第5管脚接入VDD，第2管脚接入GND，第一管脚与电阻R25的一端和R22的另一端相接。R25的另一端与U4的第3管脚相接，U4的第4 管脚与R26的一端相接，R26的另一端与R23、R24的一端相接，R24的另一端与U4的第5管脚相接并共接入VDD。R23的另一端接GND，U4的第 2管脚与GND相接，U4的第1管脚输出Pulse，输入到msp430的I/O3引脚上。

红外发射电路13由单片机单元5的msp430第I/O4引脚输出控制信号驱动发射电路；C1一端接地，另一端与R1的一端共同接VDD，R1的另一端接红外发射器IR的正段，IR的负端接三极管Q1的集电极；Q1的基级接入电阻R2的一端，同时接入来自低功耗数字处理器的一个Control Signal 端，Q1的发射极接电阻R3一端；电阻R3的另一端接GND。

红外接收电路14由比较器U2第1引脚输出结果接入单片机单元的I/O5 引脚处理；红外接收管IR_R的正端接VDD，另一端接电阻R4和电容C3 的一端；电阻R4的另一端接GND；C3的另一端接入运放U1的第3管脚；第2管脚接电阻R7和电阻R8；电阻R7的另一端接电容C4，C4的另一端接GND；电阻R8的另一端与U1的输出端第1管脚相接构成放大；第1管脚同时接入电容C5的一端，C5的另一端接入U2的第3管脚，第4管脚接电阻R10和R9；R10另一端接GND，R9的另一端接VDD；U2的第1管脚输出Signal，接入低功耗微处理器；第5和第2管脚分别接VDD和GND； U1的第4和第8管脚分别接GND和VDD；电阻R5和R6相接，R5的另一端接VDD，R6的另一端接GND。

温度测量及诊断电路15，由第一AD芯片通过单片机单元5的I/O6和 I/O7引脚获取转换结果，并通过单片机单元5进行数字量处理，计算温度测量值及诊断结果。电阻R30与反向二极管D2的负端相接，同时接入U5的第3管脚，R30的另一端接VDD，D2的正端接GND；U5的第2管脚接入惠更斯桥路的第3节点，同时与电阻R31的一端相接，R30的另一端接GND； U5的第1管脚接入三极管Q2的第2管脚，Q2的第3管脚接VDD，第2管脚接惠更斯桥路的第1节点；惠更斯桥路的第2和第4节点接入AD7799的 A1+和A1-；惠更斯桥路由模拟开关S1、S2、Rmin、Rmax、PT1000组成的自诊断部分与电阻R32、R33、R34首尾相接；第一AD芯片AD7799接入msp430的I/O5和I/O5引脚。

压力测量及诊断电路16，由第二AD芯片、电阻参考电阻R50、压力传感器PXM309组成；压力传感器的第1管脚接VDD，第2、3管脚接入AD7799 的A1+和A1-管脚中；第4管脚接R50的一端，R50的另一端接R51的一端， R51的另一端接GND；参考电阻R50的两端分别接入AD7799的A2+和A2- 端；第二AD芯片AD7799接入msp430单片机单元5的I/O1和I/O2引脚。

以单片机msp430为控制单元工作原理如下：

当气体流入管道时，涡轮转动，涡轮流量传感器采集到信号，经过处理后的脉冲信号送入单片机中。此时，流量自校准单元开始供电工作，单片机单元通过红外发射电路不间断发出红外信号，通过同轴上的涡轮叶片反射，红外接收电路接收到红外信号；在一段时间内涡轮流量传感器检测到脉冲增加N时，仪表系数为K，红外检测的脉冲信号为N1，仪表系数为K1，涡轮叶片数为M；假设出厂时，两者关系如式1，若运行一段时间后关系不满足式2或者成倍数关系时，则表示涡轮流量计的叶轮有损坏，仪表将给出叶轮损坏信息，并根据经验值对流量进行修正，即q＝Km*q(Km为经验修正系数)。

K*N＝K1*N1*M (1)

K*(N-1)<＝K1*N1*M<＝K*(N+1) (2)

温度自诊断方法，通过单片机控制模拟开关S1和S2，进行参考电阻 Rmin、Rmax和PT1000阻值的测量，得到各自的温度值，通过关系式2判断PT1000是否在正常的工作。

压力自诊断方法，通过采集压力传感器和自诊断参考电阻Rref4两端的电压值，AD转换得到对应的电压数字量，通过公式3计算自诊断参考电阻 Rref4的电流值，从而判断压力传感器是否正常供电工作。

综上，本发明采用红外技术电路获取同轴涡轮叶片的转动次数，并与低速的涡轮流量传感器采集的脉冲信号进行比对，实现对涡轮流量传感器流量测量的在线故障诊断功能，并推测叶片损坏的信息，在线修正流量，从而保证运行中涡轮流量传感器流量测量的精度；温度测量及自诊断：采用参考电阻的方式获取当前测量温度传感器是否正常工作；压力测量及自诊断。自诊断电路通过单片机单元实现连接及控制，同时，仪表采用低功耗的设计，扩大了仪表的应用范围。

Claims (3)

1.具有自诊断功能的低功耗气体流量测量电路，包括气体流量测量单元(1)、流量自校准单元(2)、压力测量及自诊断单元(3)、温度测量及自诊断单元(4)和单片机单元(5)，其特征在于：

所述的流量自校准单元(2)采用红外技术检测涡轮叶片的转速，由单片机单元(5)输出红外控制信号经红外发射电路发射红外信号，信号通过涡轮叶片反射，使红外接收头接收到红外信号，信号经过接收处理电路回传至单片机单元(5)，此时，涡轮叶片每经过红外检测处，单片机单元(5)将接收一个脉冲信号；

所述的压力测量及自诊断单元(3)包括恒流源电路、压力传感器、自诊断参考电阻Rref4、电阻Rgnd、第二AD采集芯片；第二AD采集芯片分别对压力传感器的输出信号、自诊断参考电阻Rref4的电压信号进行转换，然后通过单片机单元(5)计算，并判断压力传感器是否正常工作；

所述的温度测量自诊断单元(4)包括恒流源电路，由第一模拟切换开关、PT1000、参考电阻Rmin和Rmax、第二模拟切换开关、电阻Rref1、Rref2、Rref3组成的桥路温度测量诊断电路、第一AD采集芯片；通过第一模拟切换开关和第二模拟切换开关分别切换测量温度下限参考电阻Rmin、温度上限参考电阻Rmax、PT1000所对应的温度值，通过单片机单元(5)判断当前PT1000测量是否正常；

所述的流量自校准单元通过气体流量测量单元输出的脉冲信号N，仪表系数为K，由流量自校准单元的红外技术检测的脉冲信号N1和仪表系数K1，根据关系式1判断涡轮叶片是否损坏，同时通过红外测量得到的流量与经验公式进行流量的校准；

K*(N-1) <= K1*N1 <= K*(N+1) 式1。

2.根据权利要求1所述的低功耗气体流量测量电路，其特征在于：所述的温度测量及自诊断单元由第一AD采集芯片测量得到的参考电阻Rmin、Rmax、PT1000的信号，经单片机单元处理转换得到TRmin、TRmax、TPT1000；通过关系式2判断PT1000是否工作正常；

TRmin < TPT1000 < TRmax 式2。

3.根据权利要求1所述的低功耗气体流量测量电路，其特征在于：所述的压力测量及自诊断单元采取的诊断方法为：恒流源电路提供恒定电流，第二AD采集芯片获取自诊断参加电阻Rref4的电压信号，通过公式3计算自诊断参考电阻Rref4的电流值，从而判断压力传感器是否正常供电工作；

I = U/R 式3。