CN114623975A - 一种电驱动高精度自动归零指针压力表 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电驱动高精度自动归零指针压力表，涉及仪器仪表领域。该一种电驱动高精度自动归零指针压力表，包括信号收集模块、信号放大模块、信号处理模块、驱动机构和显示机构，所述信号收集模块与信号放大模块电性连接，所述信号收集模块处理压力传感器收集来的标准电气信号。通过设计的新型同相比例放大电路、转换模块、分压模块、滤波模块、放大模块、CPU信号处理器和驱动电路使该指针压力表相较于传统的指针压力表精度大大提高，显示的压力数据更精准，通过采用电容储电的特性进行实现了仪表断电自动回零的功能，这一功能的实现避免了每次进行压力测量时的调零操作，简化了仪表工的操作，提升了仪表自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体为一种电驱动高精度自动归零指针压力表。
背景技术
指针压力表是化工领域常用的测压仪表，在工业过程控制与测量过程广泛使用。它几乎遍及所有的工业流程和科研领域，在热力管网、油气传输、供水供气系统等领域随处可见。传统的指针压力表工作原理是：当被测介质通过接口部件进入弹性敏感元件内腔时，表内的敏感元件产生弹性形变，再由表内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起指针转动来显示压力。但是传统的指针压力表存在着精度偏低、校准繁琐费时费力这一缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种电驱动高精度自动归零指针压力表，解决了传统指针压力表精度偏低、校准繁琐费时费力的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种电驱动高精度自动归零指针压力表，包括信号收集模块、信号放大模块、信号处理模块、驱动机构和显示机构，所述信号收集模块与信号放大模块电性连接，所述信号收集模块处理压力传感器收集来的标准电气信号，所述信号放大模块与信号处理模块电性连接，所述信号放大模块将标准电气信号转换成可供CPU处理的信号，所述信号处理模块中CPU对收集到的压力信号进行处理，所述信号处理模块与驱动机构电性连接，所述信号处理模块将压力的变化实时推送给驱动机构，所述驱动机构与显示机构连接，所述驱动机构采用高精度的步进电机，带动表针转动，所述显示机构用来实时跟踪压力的变化且在表盘上体现当前压力的大小。
优选的，所述信号放大模块包括信号转换模块、分压模块、滤波模块和放大模块。
优选的，所述信号转换模块通过电阻RA1把标准电流信号转换为电压信号，电压范围是0-3V；所述分压模块通过电阻RA21、RA2、RA3、电位器R9分压，电压值范围在0-1.5V；所述滤波模块通过电阻RA4和电容CA1组成的阻容滤波电路后，进入运放的1脚，电压的范围是0-1.5V；所述放大模块由运放和电阻RA7和RA5组成的同相比例放大电路将1脚输入的电压进行放大，最终进入CPU的电压范围在0-3V。
优选的，所述驱动机构通过UJ1将信号处理模块的驱动信号进行放大，所述放大后的驱动信号进入UJ2的10脚。
优选的，所述信号处理模块采用的MCU是stm32F103c8t6芯片。
优选的，所述驱动机构输出的驱动信号频率是2.5KHz，周期是400us,0-5V的方波信号。
本发明提供了一种电驱动高精度自动归零指针压力表。具备以下有益效果：
1、本发明通过设计的新型同相比例放大电路、转换模块、分压模块、滤波模块、放大模块、CPU信号处理器和驱动电路使该指针压力表相较于传统的指针压力表精度大大提高，显示的压力数据更精准。
2、本发明通过采用电容储电的特性进行实现了仪表断电自动回零的功能，这一功能的实现避免了每次进行压力测量时的调零操作，简化了仪表工的操作，提升了仪表自动化程度。
附图说明
图1为本发明的指针压力表控制框图；
图2为本发明设计的新型同相比例放大电路图；
图3为本发明设计的驱动电路图；
图4为本发明的驱动信号波形图；
图5为本发明的指针自动归零实现电路图；
图6为本发明的信号处理电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1-6所示，本发明实施例提供一种电驱动高精度自动归零指针压力表，包括信号收集模块、信号放大模块、信号处理模块、驱动机构和显示机构，所述信号收集模块与信号放大模块电性连接，所述信号收集模块处理压力传感器收集来的标准电气信号，所述信号放大模块与信号处理模块电性连接，所述信号放大模块将标准电气信号转换成可供CPU处理的信号，所述信号处理模块中CPU对收集到的压力信号进行处理，所述信号处理模块与驱动机构电性连接，所述信号处理模块将压力的变化实时推送给驱动机构，所述驱动机构与显示机构连接，所述驱动机构采用高精度的步进电机，带动表针转动，所述显示机构用来实时跟踪压力的变化且在表盘上体现当前压力的大小。
所述信号放大模块包括信号转换模块、分压模块、滤波模块和放大模块，其中信号转换模块对应的是图2中标号1部分，分压模块对应的是图2中标号2部分，滤波模块对应的是图2中标号3部分，放大模块对应的是图2中标号4部分。
所述信号转换模块通过电阻RA1把标准电流信号转换为电压信号，电压范围是0-3V，图2中A点电压；所述分压模块通过电阻RA21、RA2、RA3、电位器R9分压，电压值范围在0-1.5V，图2中B点电压；所述滤波模块通过电阻RA4和电容CA1组成的阻容滤波电路后，进入运放的1脚，电压的范围是0-1.5V，图2中C点电压；所述放大模块由运放和电阻RA7和RA5组成的同相比例放大电路将1脚输入的电压进行放大，最终进入CPU的电压范围在0-3V，图2中D点电压。
所述驱动机构通过UJ1将信号处理模块的驱动信号进行放大，所述放大后的驱动信号进入UJ2的10脚，如图3所示，图3是本发明设计的驱动电路图，该驱动电路采用精密的步进电机的驱动方案，有效预防指针抖动以及偏差大的缺陷。具体实现方式是：图3中标号1部分：CPU处理后的驱动信号(0-3.3V方波信号，频率是2.5KHz)经过UJ1将电压信号进行放大；图3中标号3部分：放大后的驱动信号(0-5V方波信号)进入UJ2的10脚；图3中的标号2部分：在该方波信号的驱动下，步进电机BJ1带动指针旋转至指定位置。
所述信号处理模块采用的MCU是stm32F103c8t6芯片，该芯片是32位基于Cortex-M3内核的带64K字节闪存的微控制器，工作频率为72MHz，外设包括2个12位的ADC，4个通用16位定时器等。本发明用到的是图6标号位置1处的AD0通道，如图6所示。
所述驱动机构输出的驱动信号频率是2.5KHz，周期是400us,0-5V的方波信号，如图4所示，从该波形图可以看出，驱动信号稳定，且电压波动小，因此可以保证实时跟踪压力的变化，且准确度高，图4中标号3的部分是：实时监测指针的位置，进行反馈调节。
实施例一：
该一种电驱动高精度自动归零指针压力表，高精度具体体现以下几个方面：
一、新型同相比例放大电路(见图2)，该电路将压力传感器采集来的信号经过转换、分压、滤波、放大四部分组成，该电路滤除了噪声信号、高频信号等，提高了信号的稳定性和电磁兼容性，将信号的范围也扩大到0-3V(CPU的电压采集范围0-3.3V)，因此大大提高了采样的精度；
二、转换模块：转换模块(图2标号1)用到的是欧姆定律，见如下公式，转换部分的电路组成LA1、LA2、DA1、RA1、LA1、LA2和DA1实现了滤除高频信号，稳定电流信号；RA1的作用是将电流信号转换成电压信号。
UA＝I×RA1
三、分压模块：分压模块(图2标号2)由电阻RA21、RA2、RA3、电位器R9组成，具体分压公式见如下公式：
四、滤波模块：滤波模块(图2标号3)由电阻RA4和电容CA1组成一阶滤波电路，滤除信号中的高频部分，稳定电压信号，一阶滤波电路的时间常数见如下公式：
τ＝RA4×CA1
五、放大模块：放大模块(图2标号4)由运放和电阻RA7和RA5组成的同相比例放大电路，放大倍数见如下公式：
该一种电驱动高精度自动归零指针压力表，高精度还体现在CPU信号处理器上(见图6)，该CPU采用12位的AD处理器(图6标号位置1处)，将模拟量的变化(0-3V)转换成数字量(0-3722)供CPU处理，CPU处理过程加入了中值滤波算法(采样的数据采集10次，去掉最大值和最小值，然后剩下的值求平均)，提高了数据处理的准确性，避免了数据的波动；设计了高精度的驱动电路，驱动电路在驱动波形的控制下带动指针进行旋转，指针旋转的角度范围是0-275°，一个驱动方波可以带动指针旋转1°。
该一种电驱动高精度自动归零指针压力表，精度高最终体现在驱动电路(见图3)上，驱动电路采用步进电机，该步进电机的特点如下：该电机是一种精密的微型步进电机，内置减速比180:1的齿轮系，输出轴的步距脚最小可以达到1/12°，最大角速度是600°/S。在驱动方波信号(见图4)的驱动下，步进电机BJ1带动指针旋转至指定位置。
本仪表断电自动回零，它的实现原理是采用电容储电的特性实现的(见图5)。具体方式，实时监测电源电压(图5标号2)，当电源电压低于门限电压的阈值时，电容放电保证归零操作(图5标号1)，其中图5中标号2部分的电路的作用是实时监测电源电压；图5中标号1部分电路的作用是外部断电后，储能电容CS0_1和CS0_2向电路供电，保证指针自动归零。这一功能的实现避免了每次进行压力测量时的调零操作，简化了仪表工的操作，提升了仪表自动化程度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种电驱动高精度自动归零指针压力表，包括信号收集模块、信号放大模块、信号处理模块、驱动机构和显示机构，其特征在于：所述信号收集模块与信号放大模块电性连接，所述信号收集模块处理压力传感器收集来的标准电气信号，所述信号放大模块与信号处理模块电性连接，所述信号放大模块将标准电气信号转换成可供CPU处理的信号，所述信号处理模块中CPU对收集到的压力信号进行处理，所述信号处理模块与驱动机构电性连接，所述信号处理模块将压力的变化实时推送给驱动机构，所述驱动机构与显示机构连接，所述驱动机构采用高精度的步进电机，带动表针转动，所述显示机构用来实时跟踪压力的变化且在表盘上体现当前压力的大小。
2.根据权利要求1所述的一种电驱动高精度自动归零指针压力表，其特征在于：所述信号放大模块包括信号转换模块、分压模块、滤波模块和放大模块。
3.根据权利要求2所述的一种电驱动高精度自动归零指针压力表，其特征在于：所述信号转换模块通过电阻RA1把标准电流信号转换为电压信号，电压范围是0-3V；所述分压模块通过电阻RA21、RA2、RA3、电位器R9分压，电压值范围在0-1.5V；所述滤波模块通过电阻RA4和电容CA1组成的阻容滤波电路后，进入运放的1脚，电压的范围是0-1.5V；所述放大模块由运放和电阻RA7和RA5组成的同相比例放大电路将1脚输入的电压进行放大，最终进入CPU的电压范围在0-3V。
4.根据权利要求1所述的一种电驱动高精度自动归零指针压力表，其特征在于：所述驱动机构通过UJ1将信号处理模块的驱动信号进行放大，所述放大后的驱动信号进入UJ2的10脚。
5.根据权利要求1所述的一种电驱动高精度自动归零指针压力表，其特征在于：所述信号处理模块采用的MCU是stm32F103c8t6芯片。
6.根据权利要求1所述的一种电驱动高精度自动归零指针压力表，其特征在于：所述驱动机构输出的驱动信号频率是2.5KHz，周期是400us,0-5V的方波信号。
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