CN204495414U - 一种基于gprs的低功耗罗茨流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，属于电子技术领域。它解决了现有的罗茨流量计存在读取数据不便和能耗高的问题。本基于GPRS的低功耗罗茨流量计，包括单片机、能检测流体流量值的零功耗磁敏传感器、能采集流经罗茨流量计的流体压力的压力采集模块以及用于与远程监控中心进行无线数据传输的无线通讯模块，所述的零功耗磁敏传感器、压力采集模块以及无线通讯模块均与上述单片机电连接且单片机能接收零功耗磁敏传感器和压力采集模块分别发送的流量信号和压力信号并在处理后输送给上述无线通讯模块。本基于GPRS的低功耗罗茨流量计具有读数方便和能耗低的优点。

Description

一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，涉及一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计。

背景技术

罗茨流量计，又称为腰轮流量计，属于容积式流量计的一种。罗茨流量计是目前流量仪表中精度最高的一类，专门用来检测天然气、煤气和其他无腐蚀性气体，是测量这些气体流体流量值的最佳仪表，在气体流体测量中占有重要的地位。罗茨流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差，流量计的转子在此压力差作用下产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口，测量的流量值与转子的转动次数相关，通过计算转动次数就可以得到通过流量计的流量。

国外用罗茨流量计对流量进行精确计量。美国德莱塞公司设计了一款罗茨流量计，这款罗茨流量计的表体各组件通过精密加工，壳体、罗茨转子和同步齿轮之间具有良好的啮合，测量精度很高，但是这款流量计对气体的物理特性敏感度却比较低。国内对罗茨流量计的研究也在逐渐加强，通过不断改进，不仅在精度上得到了提高，同时在结构上进行了改善。

但是罗茨流量计仍存在一些不足的地方：如对于那些不方便读取数据的特殊场合，流量计使用就受到了限制；而将流量计的数据通过附加的装置导出再进行读取的方式又存在因流量计附加装置而造成能耗较大的问题。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种方便读取数据且能耗低的基于GPRS的低功耗罗茨流量计。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：

一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的罗茨流量计包括单片机、能检测流体流量值的零功耗磁敏传感器、能采集流经罗茨流量计的流体压力的压力采集模块以及用于与远程监控中心进行无线数据传输的无线通讯模块，所述的零功耗磁敏传感器、压力采集模块以及无线通讯模块均与上述单片机电连接且单片机能接收零功耗磁敏传感器和压力采集模块分别发送的流量信号和压力信号并在处理后输送给上述无线通讯模块。

本基于GPRS的低功耗罗茨流量计通过无线通讯模块的设置来实现远程数据通讯，方便了各种场合的数据读取。同时，采用零功耗磁敏传感器来检测流体流量值，采用单片机进行数据采集和处理，因零功耗磁敏传感器根据韦根效应工作，工作时无需外加电源，当外加激励磁场的极性发生跳变时，传感器便输出一个脉冲信号，同时输出信号的幅值与磁场变化速度无关。本基于GPRS的低功耗罗茨流量计中的磁敏传感器功耗为零并结合单片机具有低功耗的优点，大大降低了流量计的功耗，在保证数据读取方便的同时，降低了流量计的功耗。

在上述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计中，所述的罗茨流量计还包括一能采集流体温度的温度采集模块，该温度采集模块与上述单片机电连接并能向单片机输送温度信号。

在上述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计中，所述的零功耗磁敏传感器与单片机之间还依次串联有信号滤波电路、信号放大电路和比较电路。

在上述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计中，所述的压力采集模块包括压力传感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及二路运算放大器，所述的压力传感器的输出端与二路运算放大器的正输入端相连接，所述的电阻R1的一端接地，另一端与二路运算放大器的负输入端相连接，电阻R2的一端与二路运算放大器的负输入端相连接，另一端与二路运算放大器的输出端相连接，电阻R3的一端与二路运算放大器的输出端相连接，另一端与单片机相连接。

在上述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计中，所述的无线通讯模块包括相互连接的A8500芯片及SIM卡，所述的A8500芯片与上述单片机相连接。

在上述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计中，所述的单片机为MSP430F425型单片机。

与现有技术相比，本基于GPRS的低功耗罗茨流量计具有以下优点：

1、本基于GPRS的低功耗罗茨流量计利用零功耗磁敏传感器对流体流量进行测量，由MSP430F425单片机对压力、温度和流量信号进行处理，提高了测量的精确度，降低了功耗，延长了电池的使用寿命。

2、本基于GPRS的低功耗罗茨流量计采用A8500芯片并能通过GPRS网络传输数据，实现了数据的远距离传输，弥补了部分罗茨流量计工作环境受限的不足，具有实时监测的优点。

附图说明

图1是本基于GPRS的低功耗罗茨流量计原理结构框图。

图2是温度采集模块的电路图。

图3是压力采集模块的电路图。

图4是零功耗磁敏传感器与单片机之间的电路图。

图5是无线通讯模块的电路图。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1所示，本基于GPRS的低功耗罗茨流量计包括单片机、能检测流经罗茨流量计的流体流量值的流量信号采集模块、能采集流经罗茨流量计的流体压力的压力采集模块、能采集流经罗茨流量计的流体温度的温度采集模块以及用于与远程监控中心进行无线数据传输的无线通讯模块。流量信号采集模块、压力采集模块、温度采集模块以及无线通讯模块均与单片机电连接，且单片机能接收流量信号采集模块、压力采集模块和温度采集模块分别发送的流量信号、压力信号以及温度信号并在对各个信号进行处理后输送给无线通讯模块进行数据通讯。

在本实施例中，单片机采用MSP430F425型单片机。MSP430F425型单片机共有64个引脚，具有1个16位的CPU，1个16位的寄存器，3个16位A/D转换器，1个16位定时器，还有128段集成LCD驱动器,硬件乘法器和14个I/O引脚。单片机具有5种低功耗模式，这使得电池在流量监测中可以具有很长的使用寿命，单片机还自带看门狗定时器，可以保证系统不跑飞，稳定持续的运行。

流量信号采集模块包括依次串联的磁敏传感器、信号滤波电路、信号放大电路和比较电路，比较电路的输出端与单片机电连接。温度采集模块包括温度传感器和电桥电路，温度传感器与电桥电路对应连接，电桥电路的输出端与单片机电连接。压力采集模块包括依次串联的压力传感器、电压放大电路和电压滤波电路，滤波电路的输出端与单片机电连接。无线通讯模块包括A8500芯片、SIM卡以及供电电源，A8500芯片与单片机电连接。

上述各个模块的具体电路结构如下：

如图2所示，温度采集模块包括作为温度传感器的铂热电阻Rt和电桥电路，外部提供3V直流电源，电桥电路的输出连接到430单片机的A1+和A1-引脚。其中。铂热电阻采用Pt1000，由于铂热电阻具有非线性，所以把铂热电阻连接到一个电桥电路进行修正，使之线性输出。因为铂热电阻具有很好的测试精度和稳定性，并且测温范围宽，所以广泛运用到温度测量中。

已知理想气体状态方程表达式为：PV＝nRT。

该表达式中：n—气体物质的量；

R—摩尔气体常数，其值为8.31J/Kmol；

P、V、T—分别为气体的压力，体积，温度。

标况下的温度值T＝273.15℃,压力值P＝101.325kPa。根据该公式可以找到温度与体积，压力之间的关系，但是在实际情况中，理想气体并不存在，当压力较小，气体分子间作用力可忽略时，认可用上述表达式进行计算。进而可以得到通过电桥电路修正后的输出电压： $V_{\mathrm{out}}=\frac{R_t}{R_t+R}{V}_c+C.$

式中，V_out为输出电压，V_c为外加电压，本电路中为3V，C为一常数。得到的V_out输入到430单片机中就可以得到流体的温度值。

如图3所示，压力采集模块的具体电路结构包括能把测量的压力值转化为电压信号的M-154N型压力传感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及二路运算放大器。压力传感器的输出端与二路运算放大器的正输入端相连接，电阻R1的一端接地，另一端与二路运算放大器的负输入端相连接，电阻R2的一端与二路运算放大器的负输入端相连接，另一端与二路运算放大器的输出端相连接，电阻R3的一端与二路运算放大器的输出端相连接，另一端与单片机相连接，电容C1一端与电阻R3的另一端相连接，另一端接地。

根据运放公式可得输出电压V_out为：

式中的V_in为压力传感器输出的电压值。放大后的电压通过一个滤波电路，去除高频干扰和交流信号后，连接到430单片机的A2+和A2-引脚。

流量信号采集模块中的磁敏传感器采用Wiegand磁敏传感器，又称零功耗磁敏传感器，该磁敏传感器无需外加电源，就可输出3V左右的幅值电压，具有零功耗的特点。由于磁敏传感器上有4个磁块，所以当罗茨流量计的腰轮转动一周后，磁敏传感器的磁极会发生四次变化，相应的会产生四个脉冲信号，这些脉冲信号输入到单片机中用于流量值的计算。由于外界电磁的干扰，从磁敏传感器中得到的脉冲信号中混有一些杂波，需要对信号进行滤波处理。同时为满足后续比较电路的需要，滤波处理后的脉冲需要进行电压放大，把电压值扩大到5V，然后通过一个比较电路比较输出。放大比较后的脉冲连接到430单片机的TA0引脚，单片机对其高电平进行计数，根据计数值算出流体的瞬时流量和累计流量。

由于罗茨流量计是体积式流量计，腰轮每转动一周对应固定的流体体积，所以只要计算单位时间内腰轮的转动次数，便可计算出流体的流量。因腰轮转动一周，磁敏传感器的磁极便变换4次，从而产生4个脉冲。定义K＝1/(V/4)＝4/V为罗茨流量计的仪表系数，表示流过流量计1立方米体积时磁敏传感器产生的脉冲数，则一段时间t后，得到的脉冲数为F时，可根据以下求得流体流量Q： $Q=\frac{F}{\mathrm{Kt}}.$

磁敏传感器与单片机之间的具体电路结构如图4所示，磁敏传感器得到的脉冲首先需要经过滤波处理，然后输入到OPA2333运算放大器中。滤波处理后的脉冲连接到运算放大器第一路的正输入端，通过电阻R7和R8放大后从输出端输出。用OPA2333运算放大器的第二路做电路的比较器，由于负端接地，所以当正端电压大于零时，输出高电平；正端电压低于零时则输出低电平，最后将比较电路的输出连接到430单片机的TA0引脚，进行分析和处理，算出流体的流量值。

如图5所示，无线通讯模块包括能对单片机的数据进行读写的A8500芯片、SIM卡以及供电电源，其中，A8500芯片是一个支持GPRS/GSM多种网络制式无线终端，用于数据的打包，解包，校对，验证等处理，与430单片机的TXD和RXD管脚连接。SIM卡通过7个管脚直接插在A8500芯片上，连接到GPRS网络，把测试数据发送到接收设备上。无线通讯模块的工作电源由430单片机的P1.0引脚提供，通过2个MJE182三极管放大电流后输入到A8500芯片中。本无线通讯模块选择GPRS网络进行数据传输，传输速率高达85.6kbps，稳定性高，速度快，网络覆盖范围广。

与现有技术相比，本基于GPRS的低功耗罗茨流量计采用A8500芯片并能通过GPRS网络传输数据，实现了数据的远距离传输，弥补了部分罗茨流量计工作环境受限的不足，具有能对流体流量、流体压力和流体温度等参数进行实时监测的优点。同时，利用零功耗磁敏传感器对流体流量进行测量，由MSP430F425单片机对压力、温度和流量信号进行处理，提高了测量的精确度，降低了功耗，延长了电池的使用寿命。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的罗茨流量计包括单片机、能检测流体流量值的零功耗磁敏传感器、能采集流经罗茨流量计的流体压力的压力采集模块以及用于与远程监控中心进行无线数据传输的无线通讯模块，所述的零功耗磁敏传感器、压力采集模块以及无线通讯模块均与上述单片机电连接且单片机能接收零功耗磁敏传感器和压力采集模块分别发送的流量信号和压力信号并在处理后输送给上述无线通讯模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的罗茨流量计还包括一能采集流体温度的温度采集模块，该温度采集模块与上述单片机电连接并能向单片机输送温度信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的零功耗磁敏传感器与单片机之间还依次串联有信号滤波电路、信号放大电路和比较电路。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的压力采集模块包括压力传感器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1以及二路运算放大器，所述的压力传感器的输出端与二路运算放大器的正输入端相连接，所述的电阻R1的一端接地，另一端与二路运算放大器的负输入端相连接，电阻R2的一端与二路运算放大器的负输入端相连接，另一端与二路运算放大器的输出端相连接，电阻R3的一端与二路运算放大器的输出端相连接，另一端与单片机相连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的无线通讯模块包括相互连接的A8500芯片及SIM卡，所述的A8500芯片与上述单片机相连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于GPRS的低功耗罗茨流量计，其特征在于，所述的单片机为MSP430F425型单片机。