改进的低功耗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，为一种改进后的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、４～２０ｍＡ输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、１６位模数转换器。采用少点数ＦＦＴ频谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式处理涡街传感器信号，采用多周期等精度的频率测量方法，具备温度和压力补偿电路和功能，输出４～２０ｍＡ直流电流、两线制工作。改进后的低功耗两线制涡街流量计量程比、测量精度和抗干扰能力均大幅度提高。

【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
中国专利技术专利公布了一种低功耗两线制涡街流量计(徐科军，曾宪俊， 朱志海，刘三山等.低功耗两线制涡街流量计，申请专利技术专利， 200710162074.5，申请日2007.11.14.)。这种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。但是，这种低功耗两线制涡街流量计存在以下 不足(1)对脉冲频率计算采用的是在2秒钟内数脉冲个数的方式，可能多 计或者少计一个脉冲，造成0.5Hz的频率计算误差；(2)用施密特触发器作 为整形电路，其门槛电平和触发幅度不可调节，不利于在有噪声和小信号 幅值的情况下，对信号进行整形；(3)设计的带通滤波器只能适用于一种口 径的液体或者一种口径的气体流量计，适用面窄；(4)电路的模拟地直接接 仪表外壳以实现屏蔽，但是，这样的连接无法通过安全性能试验。
技术实现思路
本专利技术要解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，提供一种适用范围更宽、精度更高、抗干扰能力更强、功耗更低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采用差分电荷放大器，代替原来的电荷 放大器，以提高提取涡街信号的能力，同时，增强抗干扰能力；将原来由 单运算放大器组成的带通滤波器改成由高通滤波器与低通滤波器级联组成 带通滤波器，以获得更好的通带特性；将峰值检测电路放在带通滤波器之 后，以提高峰值检测的精度；将比较器配置成触发器对涡街信号进行整形， 利用定时器捕获方式，采用多周期等精度的频率测量方法，提高测量精度； 电路的模拟地不接仪表外壳，而是通过在电荷放大器外设置一个屏蔽盒， 同时，将电路的模拟地通过串联电容和电感的方式，接至仪表外壳，以实 现屏蔽和通过安全性能试验；分别针对液体和气体两种被测介质设计信号 处理系统，增强了仪表的通用性；增加温度和压力补偿电路和功能，以便 用于气体流量的测量；设计更加有效的电源模块，外部提供的24V直流电 压通过DC/DC (直流/直流变换器)变换成3.3V电压，经过LDO (低压差 线性稳压器)变成3V电压，作为数字部分的电源；3.3V再通过另一路LDO 变换成3V电压，作为模拟电路部分的电源，模拟地和数字地之间通过磁珠 连接；24V电压通过另一片LDO变换成7V电压，作为温度和压力补偿电 路部分的电源。改进后的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大 器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、 带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4 20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大 器、16位模数转换器(ADC)。压电传感器输出的电荷信号经过差分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2路，第l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路信号送至带通滤波器组滤波；经过带通滤波器后，信号又分为2路，第l路送至峰值检测电路，峰值检测电路检测出峰值，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2 路信号送至整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端， 进行计数，单片机根据频率计算结果，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。差分电荷放大器由放大器U1A、 U1B、电容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、电阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16组成，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反馈 电容，决定了电荷放大器的放大倍数。电压放大器由放大器U2B、电容C3、电阻R3、 R5、 R12、 R13组成。 程控放大器由放大器U3A、数字电位器U4、电容C4、 C6、 CIO、电阻 Rl、 R6、 R14组成，数字电位器U4的输出端L、 H与电阻R1串联，作为U3A 的反馈电阻。其中，数字电位器U4的片选线、时钟线和数据线与单片机的 通用I/0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C5、 C8、电阻R4、 R7、 R8、 R15组成。 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， 同相输入端接收所述低通滤波器送来的输出信号。带通滤波器组由1个低通滤波器与7个带通滤波器组成。其中，低通 滤波器由放大器U6A、电容C17、 C22、电阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦电 容C24组成；第1个带通滤波器由放大器U6D、电容C32、 C33、 C30、电阻 R31、 R37、 R41，放大器U6B、电容C28、 C36、电阻R29、 R33、 R34、 R38 组成；第2个带通滤波器由放大器U7A、电容C42、 C43、 C40、电阻R45、 R51、 R55、退耦电容C26，放大器U7B、电容C38、 C46、电阻R43、 R47、 R48、 R52组成；第3个带通滤波器由放大器U7D、电容C50、 C52、 C53、电 阻R59、 R65、 R69，放大器U7C、电容C48、 C56、电阻R57、 R61、 R62、 R66 组成；第4个带通滤波器由放大器U9A、电容C51、 C54、 C55、电阻R60、R68、 R70、退耦电容C27，放大器U9B、电容C49、 C57、电阻R58、 R63、 R64、 R67组成；第5个带通滤波器由放大器U9D、电容C41、 C45、 C44、电 阻R46、 R54、 R56，放大器U9C、电容C39、 C47、电阻R44、 R49、 R50、 R53 组成；第6个带通滤波器由放大器U8C、电容C31、 C34、 C35、电阻R32、 R40、 R42，放大器U8D、电容C29、 C37、电阻R30、 R35、 R36、 R39组成; 第7个带通滤波器由放大器U8B、电容C19、 C20、 C21、电阻R20、 R27、 R28， 放大器U8A、电容C18、 C23、电阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦电容C25组 成；这7个带通滤波器的电路结构相同，均是用1个高通滤波器和1个低 通滤波器级联组成，但是，参数不同，从而通带本文档来自技高网...

【技术保护点】
改进的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、４～２０ｍＡ输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、１６位模数转换器；其特征在于：　压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，再经过一级固定的电压放大器和一级程控放大器；放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后 分为２路；第１路信号由电压跟随器（缓冲器）输出，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的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；第２路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号；经过带通滤波器组的输出信号分为２路；第１路送至峰值检测电路；峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ＡＤＣ的输入端；单片机对信号的峰值进行采样和转换，并根据峰值来调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到最佳范围；第２路送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法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，刘三山，刘家祥，罗清林，朱志海，
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]