本發明屬于氣體流量檢測技術領域,涉及一種低功耗自診斷的大量程氣體流量測量電路。
背景技術:
目前工業應用領域,大量程的流量計主要有熱式流量計,它主要在管路中插入兩個探頭,一個用來測量氣體的溫度,一個用來測量氣體的速度,通過測量氣體流過速度探頭時與其發生熱交換,速度探頭失去的熱量與電路提供的電功率相等的原理,可以計算出氣體流量。雖然熱式流量計具有較寬的測量范圍,但是熱式流量傳感器易受氣體組份介質的影響,變化較大,導致測量精度降低,存在一定的局限性。羅茨流量計又稱為腰輪流量計,屬于容積式流量計,在氣體流量測量中占有著重要地位,測量原理主要通過計量室把流體連續分割成單個已知的體積大小,反復累積計量室內流體進行流量計量。與其它類型的流量計比較,羅茨流量計雖然計量精度高,重復性好,但是測量量程小,功耗大,特別容易受到雜質的影響,導致測量精度降低甚至不能工作。
技術實現要素:
本發明針對現有技術的不足,提供了一種低功耗自診斷的大量程氣體流量測量電路。
本發明設計了一種低功耗自診斷的大量程氣體流量測量電路,大流量采用韋根傳感器來檢測腰輪的轉動產生脈沖來計算累積流量。小流量的測量采用四個鉑電阻組成的橋式電路,通過計算橋路中電壓的變化來換算成氣體的流量。通過溫度、壓力傳感器獲得管道的溫度和壓力對測量數據進行補償,得出標況流量。由于采用鉑電阻測量氣體小流量時受氣體組份影響較大,可根據韋根傳感器的測量結果在兩種測量電路的重疊測量范圍對鉑電阻流量測量的結果進行在線修正,提高氣體小流量測量的精度,從而擴大了電路的流量測量量程。通過低功耗元件設計測量電路,并控制不同模塊的供電電源,選擇性的打開與關閉模塊電源,降低了整體電路的功耗。
本發明解決技術問題所采取的技術方案為:
本發明的電路主要由韋根傳感器及放大濾波電路模塊,鉑電阻電橋測量電路模塊、放大電路模塊、信號濾波電路模塊、AD模數轉換電路模塊、單片機;氣體溫度采用鉑電阻PT1000及溫度測量電路模塊,氣體壓力采用壓力傳感器測量電路模塊,電源開關控制電路模塊及LCD模塊組成。鉑電阻電橋測量電路模塊的輸出信號經放大電路模塊、信號濾波電路模塊和AD模數轉換電路模塊輸送給單片機。
韋根傳感器放置在管路的外壁,用于檢測兩個腰輪的轉動,鉑電阻電橋安裝在測量管道的幾何中心,用于測量小流量氣體的流量。在氣體流動方向上,鉑電阻電橋安裝在韋根傳感器前的一段距離,壓力傳感器安裝在鉑電阻電橋與韋根傳感器中間一段距離的管道上,溫度傳感器安裝在韋根傳感器的后一段距離的管道上。
本發明的有益效果在于:本發明設計的氣體流量測量電路,采用韋根傳感器測量兩個腰輪轉動實現氣體大流量的測量,該方法的測量精度受氣體組份的影響小。由于采用鉑電阻測量氣體小流量時受氣體組份影響較大,可根據韋根傳感器的測量結果對鉑電阻流量測量的結果進行在線修正,提高氣體小流量測量的精度,并且擴大了整個電路的測量量程。同時,可根據鉑電阻的測量結果判斷腰輪是否轉動,實現測量儀表的自診斷功能。通過電路控制不同模塊電路的電源,減少了電源的供電,達到降低功耗的目的。
附圖說明
圖1是流量測量電路的傳感器安裝示意圖;
圖2是系統測量電路原理框圖;
圖3是韋根傳感器的信號處理電路圖;
圖4是鉑電阻橋式電路及放大電路圖;
圖5是鉑電阻測量信號的兩級濾波電路圖;
圖6是溫度壓力檢測電路連接圖;
圖7是AD模塊電路連接圖;
圖8是低功耗單片機最小系統及各模塊連接電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本發明。
參照圖1的流量測量電路的傳感器安裝示意圖,韋根傳感器放置在管路的外壁,用于檢測兩個腰輪的轉動,其中的一個腰輪上安裝有磁鋼,鉑電阻電橋安裝在測量管道的幾何中心,用于測量小流量氣體的流量。在氣體流動方向上,鉑電阻電橋安裝在韋根傳感器前的一段距離,壓力傳感器安裝在鉑電阻與韋根傳感器中間的一段管道上,溫度傳感器安裝在韋根傳感器的后一段距離的管道上。
正常工作情況下,當測量大流量時,氣體沖擊腰輪轉動,腰輪的轉動帶動磁鋼的轉動。當磁鋼經過裝有韋根傳感器的管壁時,韋根傳感器檢測磁鋼轉動并輸出脈沖,通過脈沖數計算累積流量。小流量時,腰輪的檢測能力下降,通過鉑電阻電橋可以及時的計算出小流量的氣體體積,擴大了整個電路的測量范圍。同時,采集管道的壓力、溫度傳感器信息,把工況下的氣體流量體積換算成標況下的氣體體積流量。由于鉑電阻測量氣體小流量時受氣體組份影響較大,可根據韋根傳感器的測量結果在兩種測量電路的重疊測量范圍對鉑電阻電橋測量的流量結果進行在線修正,修正數據可通過兩種測量電路獲得的瞬時流量比值計算獲得。
參照圖2,本發明的測量電路系統原理框圖如圖2所示。整個控制系統主要包括單片機模塊、鉑電阻電橋、韋根傳感器、放大電路、整形電路、濾波電路、AD模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、LCD顯示模塊。韋根傳感器輸出的脈沖信號經過放大、整形電路,直接輸送給單片機。鉑電阻電橋輸出的電壓信號經過放大、濾波電路,然后通過AD模塊轉換成數字量,輸入到單片機。溫度傳感器采用鉑電阻PT1000,通過電路采集PT1000兩端的電壓,把采集的電壓信號通過AD模塊轉換成數字量輸入到單片機上;壓力傳感器采用硅壓阻式傳感器,將采集的壓力信號直接輸給單片機模塊;單片機把采集到的信號經過處理,通過LCD液晶顯示溫度、壓力及相關流量信息。
圖3為韋根傳感器的信號處理電路圖模塊1。韋根傳感器采用WG102,芯片U10選擇74LVC2G17,三極管選擇9013。韋根傳感器的接口1與電阻R10的一端,電容C10的一端連接;韋根傳感器的接口2與電阻R10的另一端,電阻R11的一端,三極管T10的發射極,電容C11的一端連接,并與數字地DGND連接;電容C10的另一端與電阻R11的另一端,三極管T10的基極連接;三極管T10的集電極與電阻R12的一端,電容C11的另一端,芯片U10的A1端連接;電阻R12的另一端與電源3V端連接;芯片U10的輸出段Y1與芯片U10的輸入端A2連接,芯片U10的輸出段Y2與單片機的脈沖信號檢測Pluse端連接,芯片U10的GND端與數字地DGND連接。
圖4為鉑電阻橋式電電路模塊2及放大電路模塊3,鉑電阻電橋采用四個PT100的鉑電阻,接入惠更斯電橋電路,運算放大芯片選擇AD8651。其中鉑電阻PT1的一端與鉑電阻PT2的一端,電源的3V端連接,鉑電阻PT1的另一端與鉑電阻PT3的一端、電阻R24的一端連接;鉑電阻PT2的另一端與鉑電阻PT4的一端、電阻R25的一端連接;鉑電阻PT3的另一端與鉑電阻PT4的一端連接、數字地DGND端連接;電阻R24的另一端與運放芯片的“-”端,電阻R26的一端連接;電阻R25的另一端與運放芯片的“+”端,電阻R27的一端連接;電阻R27的另一端與數字地DGND連接;運放芯片U20的輸出端與R26的另一端連接,輸出的電壓接入圖5的兩級濾波電路4。
圖5為鉑電阻測量信號的兩級濾波電路圖,運放U30,U31采用單精度運算放大器LM741。由圖4采集到電壓信號U之后,采用巴特沃斯低通濾波器和LM741運算放大器電路,得到穩定的電壓信號。巴特沃斯濾波器能夠使其對應通平帶范圍內的頻率響應的曲線盡量逼近平坦,并且曲線基本上沒有起伏,一旦進入阻頻帶內,曲線會逐漸下降為零。放大電路采用了有源負載,設計兩級的放大電路可以達到較高的電壓增益和較寬的共模及差模輸入電壓范圍。并且該電路還能濾掉頻率范圍外的噪聲信號。具體的電路連接如下:
電阻R30的一端與圖4的運放U20的輸出端連接;電阻R30的另一端與電阻R31的一端、電容C31的一端連接;電阻R31的另一端與電容C30的一端,運放U30的“+”端連接;電容C30的另一端與數字地DGND連接;運放U30的“-”端與電阻R32的一端、電阻R33的一端連接;電阻R32的另一端與數字地DGND連接;運放U30的輸出端與電容C31的另一端、電阻R33的另一端、電阻R34的一端連接。
電阻R34的另一端與電阻R35的一端、電容C33的一端連接;電阻R35的另一端與電容C32的一端、運放U31的“+”端連接;電容C32的另一端與數字地DGND連接;運放U31的“-”端與電阻R36的一端連接,與電阻R37的一端連接;電阻R36的另一端與數字地DGND連接;運放U31的輸出端與電容C33的另一端、電阻R37的另一端連接,并且輸出的電壓信號Vin與圖6的AD轉換芯片的AIN1端連接。
圖6為AD系統模塊電路5連接圖。AD芯片U41采用高精度24位的AD7714芯片,參考電壓采用電壓芯片AD780提供的高準確度的參考電壓,AD芯片驅動晶振X40為1MHz。AD7714的外圍電路如下:
U41的UDDA端與電源的3V端、電容C42的一端、電容C43的一端、U41的UDD端、電容C44的一端連接;U41的UDD端與電源的3V端、電容C42的一端、電容C43的一端、U41的UDDA端、電容C44的一端連接;電容C42的另一端與模擬地AGND連接;電容C43的另一端與模擬地AGND連接;電容C44的另一端與數字地DGND連接。
U41的AIN1端與圖5的U31的輸出電壓端連接;U41的AIN2端與模擬地AGND連接;U41的AGND端與模擬地AGND連接;U41的DGND端與數字地DGND連接。
U41的UREFIN+端與芯片AD780的Uout端、電容C40的一端、電容C41的一端連接;U41的UREFIN-端與模擬地AGND連接。U40為AD780芯片,U40的Uin端與電源3V連接;U40的GND端與模擬地AGND連接。電容C40的另一端與模擬地AGND連接;電容C41的另一端與模擬地AGND連接。
U41的BUF端與數字地DGND連接;U41的MCLKOUT端與晶振X40的一端連接;U41的MCLKIN端與晶振X40的另一端連接;U41的POL端與數字地DGND端連接;
U41的STANDBY端與U41的SYNC端、U41的RESET端連接,并與電源3V端連接;U41的SYNC端與U41的STANDBY端、U41的RESET端連接,并與電源3V端連接;U41的RESET端與U41的SYNC端、U41的STANDBY端連接,并與電源3V端連接;
U41的SCLK端與單片機的MCLK端連接;U41的DIN端與單片機的P1.2端連接;U41的DOUT端與單片機的P1.3端連接;U41的CS端與單片機的P1.4端連接;U41的DRDY端與單片機的P1.5端連接。
圖7為溫度壓力檢測電路連接圖。溫度模塊6中溫度傳感器選用PT1000,接入惠更斯電橋,并提供電流源供電。PT1000的一端與電阻R50的一端、電流源的一端連接;PT1000的另一端與電阻R51的一端、AD7714的AIN4端連接;電阻R51的另一端與電阻R52的一端、電流源的另一端連接;電阻R50的另一端與電阻R52的另一端、AD7714的AIN3端連接。
壓力模塊7中壓力傳感器采用硅壓阻式的傳感器,壓力傳感器的正端接入電源3V端,壓力傳感器的負端接入數字地DGND,壓力傳感器的SDA端與SCL端直接與單片機I/O口連接。
圖8是低功耗單片機最小系統及各模塊連接電路圖。低功耗單片機選用MSP430F449芯片,電源控制芯片選用TPS76930。單片機的AVcc端與DVcc端、鉭電容CD80的一端、電容C81的一端、電阻R80的一端連接,并與電源3V連接。電阻R80的另一端與電容C80的一端、單片機的RST端連接;電容C80的另一端與數字地DGND連接。單片機的XIN端與晶振X80的一端、電容C82的一端連接;單片機的XOUT端與晶振X80的另一端、電容C83的一端連接;電容C82的另一端與數字地DGND連接;電容C83的另一端與數字地DGND連接。
壓力傳感器選用MS5637-30,其SDA端輸出的信號與單片機的P2.2連接,壓力傳感器的SCL端輸出的信號與單片機的P2.3連接;LCD顯示模塊9與單片機液晶對應的引腳端連接;韋根傳感器輸出的脈沖信號Pluse連接到單片機的P2.1端;電源控制芯片TPS76930的使能端EN與單片機的P2.0引腳連接,電源控制芯片8的電源輸入端IN與電源3V端連接,芯片TPS76930的輸出端Vout與鉑電阻橋式電路模塊2的3V端、放大電路模塊3的3V端、兩級濾波電路模塊4的3V端、溫度模塊6的3V端、AD模塊5的3V端、壓力模塊7的3V端連接。
電路通過單片機P2.0端控制電源控制芯片TPS76930的使能端,控制不同電路模塊的3V電源開關,減少了電源的供電,達到降低功耗的目的。