两线制涡街流量计制造技术

本发明专利技术涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计。低功耗两线制涡街流量计由压电传感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和４～２０ｍＡ输出与电源管理电路组成，单片机检测涡街信号的峰值和频率，并据此控制程控放大器和带通滤波器对涡街流量信号进行放大和滤波。该技术克服了现有技术不能在有效测量小流量、扩展量程比、提高测量精度的同时实现低功耗的问题。在保征有效测量小流量、扩展量程比和提高测量精度的同时实现了低功耗，输出为４～２０ｍＡ直流电流、工作电流小于４ｍＡ，实现了两线制工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计，特别是一种以单片机(MCU)为核心、周期图谱分析与硬件带通滤波器组相结合的低功耗、两线制涡街流量计信号处理系统。
技术介绍
涡街流量计具有测量介质种类多的特点，在流体流量测量领域应用广 泛。但是，常规的信号处理方法，即放大、整形、滤波和计数不能有效地 测量小流量、量程比受限和不能保证现场测量精度。同时， 一些应用场合 需要输出4 20mA直流电流的低功耗、两线制仪表，即从电的角度看，仪 表与外部的连接只有两根线，电源线和信号线是复用的，由24V(或者12V) 直流电源供电，直流电源与取样(负载)电阻相串连。4mA表示仪表输出的 最小值，20mA表示仪表输出的最大值，所以，仪表本身的工作电流必须小 于4mA，才能保证低功耗。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以有效测量小流量以扩展量程 比、保证测量精度、输出为4 20mA直流电流、工作电流小于4mA的低功 耗两线制涡街流量计。本专利技术所采用的技术方案是低功耗两线制涡街流量计，包括压电传 感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和4 20mA输出与电源管理电路。压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过 电压放大器、程控放大器、低通滤波器后分为3路，第1路信号经电压跟 随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数 字量，单片机对信号进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析， 得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，进行滤波；第2路信号 送至峰值检测电路，峰值检测电路检测信号的峰值并送至单片机的ADC输 入端，单片机对信号的峰值进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍 数；第3路信号经过电压跟随器，送至带通滤波器组进行滤波，由单片机 的频谱分析结果来决定对某路滤波信号进行整形，整形后的信号送至单片 机的定时器输入端，进行计数，单片机根据计数结果，将流量信息显示在 LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4 20mA输出与电源管理电路经过 V/I转换成4 20mA电流信号输出。电荷放大器由放大器U4A、电容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、电 阻R2、 R3组成，电容Cl连接于反向输入端，电容C2连接于正向输入端， 电容C5、 C6、电阻R3并联于反向输入端与输出端之间，电容C3、 C4、电 阻R2并联后连接于正向输入端。电压放大器由放大器U5B、电容C29、电阻R4、 R5、 R6组成，电阻R4连接于反向输入端，电阻R5连接于正向输入端，电阻R6和电容C29并联于反向输入端与输出端之间。程控放大器由放大器U3A、数字电位器U8 、电容C42、电阻R7、 R8、R9组成，数字电位器U8的输出经电阻R8与放大器的反向输入端连接，电 阻R7也连接于反向输入端，电阻R9连接于正向输入端，数字电位器的片 选线、时钟线和数据线与单片机的通用10 口相连，由单片机控制数字电位 器的电阻值，从而调整放大器的放大倍数。低通滤波器由放大器U3B、电容C8、 C9、电阻RIO、 Rll、 R12、 R13组 成，程控放大器的输出经电阻R10、R11连接于放大器反向输入端，电阻RIO、 R11之间的节点通过电容C8接地，通过电阻R12与放大器输出端连接，放 大器的反向输入端与输出端之间还连接电容C9，电阻R13连接于正向输入 端，放大器U3B的输出端连接限流电阻R15、肖特基二极管D7。电压跟随器由放大器U3C和放大器U3D组成，两个放大器呈并联关系， 正向输入端接收所述低通滤波器经电阻R15送来的输出信号，反向输入端 与输出端短接。峰值检测电路由放大器U6A、 U6B、 二极管D1、场效应管Ql、电容CIO、 C43、电阻R14组成，放大器U6A的正向输入端接收所述低通滤波器经电阻 R15送来的输出信号，其输出端经过电阻R14、 二极管D1与放大器U6B正 向输入端连接，放大器U6B正向输入端还通过场效应管Ql、电容C10接地， 放大器U6B的输出端与反向输入端短接，同时也与放大器U6A的反向输入 端短接，峰值检测电路中的场效应管的栅极与单片机的通用10 口相连，峰 值检测电路的输出接至单片机的ADC输入端；单片机控制场效应管的通断， 从而控制电容的充放电，使峰值检测电路输出当前一段时间内的峰值；单 片机对峰值检测电路输出的峰值信号进行采样和转换，再根据峰值去调整 数字电位器的电阻值。 带通滤波器组由8个带通滤波器组成，分别是放大器U1A、电容Cll、 C12、电阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦电容C45;放大器U1B、电容C13、 C14、电阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、电容C15、 C16、电阻R29、 R30、 R31、 R32;放大器U1D、电容C17、 C18、电阻R33、 R34、 R35、 R36; 放大器U2A、电容C19、 C20、电阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦电容C46; 放大器U2B、电容C21、 C22、电阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、电 容C23、 C24、电阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、电容C25、 C26、电 阻R49、 R50、 R51、 R52，这8个带通滤波器的电路结构相同、参数不同， 从而通带互不相同，但是相互连接，覆盖涡街流量计的频带范围，并且相 邻通带间有一定的重叠；其中，输入经电阻R21、电容Cll连接于放大器UlA的反向输入端，电 阻R21、电容C11之间的节点通过电容C12与输出端连接，通过电阻R22接 地，电阻R23连接于反向输入端与输出端之间，电阻R24连接与正向输入 端，其余七个带通滤波器的连接与上述结构一致。多路开关选通电路由U13组成，其8个输入端分别与带通滤波器组的8 个通道相连，公共端与施密特触发器U14A的输入端相连，3根控制线A、 B、 C分别与单片机相连。整形电路由施密特触发器U14A组成，其输入端与多路开关选通电路的 公共端连接，输出端与单片机连接。单片机型号为MSP430F1611。4 20mA输出与电源管理电路中，4 20mA输出电路由4 20mA电流环 变送器XTR115、 二极管D2、 D3、 D4、 D5、稳压管D6、三极管Q2、参考源U7、放大器U5A、电阻R61、 R62、 R63、 R64、电容C31、 C33、 C34、 C44、 磁珠L1组成，单片机DAC输出的电压信号经过电阻R61、 R62和R63送至 XTR115的第2脚，XTR115产生相应的4 20mA电流信号从第4脚输出，D2、 D3、 D4、 D5组成电桥，C34是滤波电容，稳压管D6起稳压作用，三极管Q2 补偿XTR115输出电流与系统消耗电流的差值部分，XTR115的第8脚输出 5V直流电压与电源管理电路中U9的第2脚相连，抬高U9的输出电平，提 供5V电源，为数字电位器U8提供电源，R64、 U7、 C31和U5A组成参考电 源，提供1.235V参考电压Vref， C本文档来自技高网...

【技术保护点】
低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和４～２０ｍＡ输出与电源管理电路，其特征在于：压电传感器 输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、程控放大器、低通滤波器后分为３路，第１路信号经电压跟随器送至单片机的ＡＤＣ输入端，被单片机自带的ＡＤＣ采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行少点数快速傅立叶变换（ＦＦＴ），做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，进行滤波；第２路信号送至峰值检测电路，峰值检测电路检测信号的峰值并送至单片机的ＡＤＣ输入端，单片机对信号的峰值进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍数；第３路信号经过电压跟随器，送至带通滤波器组进行滤波，由单片机的频谱分析结果来决定对某路滤波信号进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，进行计数，单片机根据计数结果，将流量信息显示在ＬＣＤ上，并通过自身的ＤＡＣ转换，送至４～２０ｍＡ输出与电源管理电路，经过Ｖ／Ｉ转换成４～２０ｍＡ电流信号输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，曾宪俊，朱志海，刘三山，周杨，黄云志，刘家祥，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]