CN107152984A - 一种基于工业微压u型压力计传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于工业微压U型压力计传感器，包括两组相同的电压缓冲器、恒流源和传感器，其中：第一传感器与第一恒流源、第一电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第一电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；第二传感器与第二恒流源、第二电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第二电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；电压参考源分别连接两个恒流源，向恒流源提供基准电压；供电电路连接接口电路、电压参考源以及两个电压缓冲器，为其供电。本发明使用干簧管作为传感器载体，大大减少开发成本，解决了基于U型压力计微压传感器的空白。
Description
技术领域
本发明涉及工业测量领域，具体地说是一种基于工业微压U型压力计传感器。
背景技术
随着我国工业测量测控事业的蓬勃发展，使用的传感器种类及数量也大大增加。尤其是工业测控系统的完善，逐步增加了各种类型的传感器设备。
然而在大量的压力传感器设备中小型的微压传感器几乎没有，现场原有微压传感设备仍采用较为传统的U型管压力计进行微压的测量。此U型压力计只能人工巡检查看压力数据，并且无上下线告警功能，当监控设备压力出现异常时不能及时上传数据或发出报警极易发生危险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于工业微压的U型压力计传感器。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于工业微压U型压力计传感器，包括两组相同的电压缓冲器、恒流源和传感器，其中：
第一传感器与第一恒流源、第一电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第一电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；
第二传感器与第二恒流源、第二电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第二电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；
电压参考源分别连接两个恒流源，向恒流源提供基准电压；
供电电路连接接口电路、电压参考源以及两个电压缓冲器，为其供电。
所述恒流源包括：
运算放大器U1的同相输入端连接外部参考分压电阻R165和R166，其中电阻R165、R166组成分压电路，分压电路R165一端与所述电压参考源电路相连；C2和C3并联在电阻R166两端，组成分压电路的滤波电容，用于提供稳定的直流电压；
运算放大器U1的反相输入端连接至电阻R164、R163的一端，电阻R163、R164的另一端接地；
运算放大器U1的输出端连接传感器，对传感器进行驱动。
所述传感器包括若干个相互串联的电阻，每两个电阻之间设置一个干簧管。
所述电压参考源包括电压基准芯片U2的Vin脚连接退耦电容C7和供电电路；
电压基准芯片U2的Vref脚连接至恒流源；
电压基准芯片U2的EN脚通过电阻R167连接至供电电路。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明方法为小型化设计，体积小能够方便安装，量程可随意设计。
2.本发明解决了基于U型压力计微压传感器的空白。
3.本发明使用干簧管作为传感器载体，大大减少开发成本。
4.本发明可对工业U型压力计进行升级加入采集功能后即可成为有线或无线仪表设备。
5.本发明内部使用恒流源进行供电，且横流电流仅为20uA。
6.本发明预留了供电接口，电压采集输出接口，方便产品开发。
7.本发明需使用磁性浮子及U型管进行配套使用。
8.本发明可继承原有U型压力计的使用方法，保留原有U型压力计的读数功能。
9.本发明传感器整体功耗控制在100uA以内，可用于低功耗的电池供电仪表设备使用。
附图说明
图1为本发明的硬件原理框图；
图2为本发明的接口电路原理图；
图3为本发明的供电电路原理图；
图4为本发明的第一电压缓冲器L电路原理图；
图5为本发明的第一恒流源L电路原理图；
图6为本发明的电压参考源电路原理图；
图7为本发明的第一传感器电路L原理图；
图8为本发明的第二电压缓冲器电路R原理图；
图9为本发明的第二恒流源电路R原理图；
图10为本发明的第二传感器R电路原理图；
图11为本发明的整体缩略图；
图12为本发明的局部缩略图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的硬件原理框图，主要将U型压力计传感器分为9部分。其中包括：接口电路、供电电路、电压缓冲器L、恒流源L、电压参考源、传感器L、电压缓冲器R、恒流源R、传感器R等。其中传感器L与传感器R恒流源L、恒流源R共同组成U型压力计的传感器并完成流压转换功能。
如图2所示为本发明的接口电路原理图，其中P1为U型压力计传感器电路的对外接口，便于外部二次开发。进入接口电源处放置C5 10uF、C4 100nF的电容做电源滤波防止电源线上的传导干扰。
如图3所示为本发明的供电电路原理图，本电路使用外部接口进行整体供电。图3中U6使用TI的LDO稳压芯片，此LDO稳压芯片电源纹波极低可稳定的提供传感器整体工作电压。U6芯片1脚为电源输入端此引脚直接连接至接口电路P5 1脚。5脚为电压输出端，此引脚通过C12、C13两颗电容滤波后给予传感器整体提供稳定的工作电压。
如图4所示为本发明的电压缓冲器L电路原理图，图中U1A为TLV2402双运放，此运算放大器功耗极低每通道静态功耗仅为880nA，为整体传感板降低了功耗。U1A放大器2脚与1脚相连组成电压缓冲电路，其中U1B 7脚与U1A3连接，U1A缓冲U1B 7脚输出的电压信号。驱动的功能为降低干扰，增加后级的驱动能力，U1A 1脚连接至接口电路P14脚将电压信号输出。
如图5所示为本发明的恒流源L电路原理图，也是此发明的重点之一。图中U1B与图4中的U1A为同一颗运算放大器，有着相同的低功耗特点。图中U1B 5脚与外部参考分压电阻R165、R166、C2、C3相连，其中电阻R165、R166组成分压电路，C2、C3为分压电路的滤波电容用于提供稳定的直流电压。分压电路R165一端与图6电压参考源电路的U2 5脚相连，外部参考分压电路完成对电压参考源的分压，并提供给UB1 5脚做为电压基准源。U1B 6脚连接至R164、R163电阻的一端通过R164、R163电阻连接至GND，U1B 6脚与7脚连接至图7的传感器电路。U1B与R163、R164和分压电路R165、R166、C2、C3及图7的传感器电路共同组成了横流源L电路。其中对GND电阻R164、R163决定了恒定的电流值，通过调节R164、R163的电阻值就可调节整个传感器的工作电流。图中C1为U1B TLV2402芯片的退耦电容，用于滤除供电电路的干扰及自身的耗电干扰。
如图6为本发明的电压参考源电路原理图，图中U2为TI的LM4132电压基准芯片，此芯片输出精度为0.05％，低温度系数为10ppm/℃，工作电流仅为60uA。此芯片为整个传感器提供了高可靠、高精度的电压基准，本发明的参考电压为2.5V。图中U24脚连接至图3供电电路的U65脚为其提供自身所需的供电电压U44脚另一端连接至C7，C7为U2的退耦电容，保证U2的供电稳定不受纹波影响。U2 5脚一端连接至C6一端连接至图5恒流源L的R165的一端提供2.5V基准电压，C6的作用为滤除U2输出的纹波进一步降低干扰的存在。U2 3脚为使能引脚此引脚为低电平时芯片进入低功耗关断模式此时电流仅为3uA。本发明为传感器处于实时监测状态，工作时不能关断参考。所以U2 2脚连接至R167的一端R167另一端与电源VCC相连，给U23脚提供高电平使U2处于正常工作状态。
如图7所示为本发明的传感器L电路原理图，也是本发明的重点。如图所示S1至S80为干簧管，R1至R81为1K电阻。干簧管使用OKI干簧管其AT值为7-10，大大增加磁铁至干簧管的作用距离，电阻使用高精度低温票的金属膜电阻。R1至R81为电阻的串联电路，S1至S80为干簧管的并联电路。如图中R81与R80串联S80则在R81、R81中间对另一端并联，依次类推将其全部链接。这样就组成了干簧管阵列，当某一干簧管吸合导通时R81的L_CC+端与S80的L_CC-端的对地电阻将不同。同时L_CC+与图5恒流源L电路的U1B 7脚相连，L_CC-与图5恒流源L电路的U1B 6脚相连，这样就组成了一个恒流源电路。电流恒定不变当不同位置的干簧管吸合时电阻发生变化电流不变将导致U1B 7脚对地电压的变化，本发明设计的恒流源电流为20uA电阻值为1K则每一个干簧管的电压为20mV，由于输出电压采集点为U1B 7脚对地电压所以输出电压为U1B 6、7脚电压加上R164两端电压值，由于本发明恒流源基准电压设计在1V所以U1B 7脚对地电压为1V加干簧管对应位置电压。通过对电压的读取可计算出干簧管吸合的位置，干簧管吸合的位置为浮子磁铁的位置。可计算出对应的压力数据。
如图8为本发明的电压缓冲器R电路原理图，与图4的电压缓冲器L电路原理一致此处不再描述讲解。
如图9为本发明的恒流源R电路原理图，与图5的恒流源L电路原理一致此处不再描述讲解。
如图10为本发明的传感器R电路原理图，与图7的传感器L电路原理一致此处不再描述讲解。
如图11所示为本发明的整体缩略图，本发明的U型压力传感板使用的干簧管数量为160个，左侧80个右侧80个，干簧管间距为5mm，具体建构见图12局部缩略图所示。干簧管具体数量可根据不同的测量范围及量程误差进行相应的调整。在组装时应将U型压力计的0刻度对准传感板中心的某一个干簧管，并标记为0刻度如图12所示。将0刻度的两个干簧管使用磁铁进行吸合使干簧管导通，此时将传感板上电读取L、R端的对地电压进行标记为0刻度电压值便于计量时计算。将传感板上电后，L、R两路传感器同时工作，L、R左右恒流源均稳定在20uA。此时U型管L侧与R侧内部分别装入带有磁铁的浮子，并注入测量液体水，使水的液面高度与U型压力计原有的刻度尺0刻度位置水平。U型压力计一端接入被测气源端，一端悬空至于大气压下，在被测气源的压力作用下U型管内的左右的2个浮子在水的推动下将上下摆动。浮子的摆动将导致对应位置的干簧管相应导通，干簧管的导通将导致输出电压的改变，此时用户可通过使用采集设备进行L、R端数据的采集并进行相应的计算最终完成压力的测量。
Claims (4)
1.一种基于工业微压U型压力计传感器，其特征在于：包括两组相同的电压缓冲器、恒流源和传感器，其中：
第一传感器与第一恒流源、第一电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第一电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；
第二传感器与第二恒流源、第二电压缓冲器、接口电路顺次连接，采集到电压值通过第二电压缓冲器后发送到接口电路进行输出；
电压参考源分别连接两个恒流源，向恒流源提供基准电压；
供电电路连接接口电路、电压参考源以及两个电压缓冲器，为其供电。
2.根据权利要求1所述的基于工业微压U型压力计传感器，其特征在于：所述恒流源包括：
运算放大器U1的同相输入端连接外部参考分压电阻R165和R166，其中电阻R165、R166组成分压电路，分压电路R165一端与所述电压参考源电路相连；C2和C3并联在电阻R166两端，组成分压电路的滤波电容，用于提供稳定的直流电压；
运算放大器U1的反相输入端连接至电阻R164、R163的一端，电阻R163、R164的另一端接地；
运算放大器U1的输出端连接传感器，对传感器进行驱动。
3.根据权利要求1或2所述的基于工业微压U型压力计传感器，其特征在于：所述传感器包括若干个相互串联的电阻，每两个电阻之间设置一个干簧管。
4.根据权利要求1所述的基于工业微压U型压力计传感器，其特征在于：所述电压参考源包括电压基准芯片U2的Vin脚连接退耦电容C7和供电电路；
电压基准芯片U2的Vref脚连接至恒流源；
电压基准芯片U2的EN脚通过电阻R167连接至供电电路。
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