CN106787665A - 一种仪表阀门供电电源控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪表阀门供电电源控制***，包括:控制模块、供电电源，与所述供电电源的输出端连接的供电控制电路，与所述供电控制电路输出端连接的电源转换电路，与所述电源转换电路输出端连接的阀门驱动模块，所述控制模块与所述阀门驱动模块连接；所述控制模块与所述供电控制电路连接且控制所述供电控制电路断开或导通；所述电源转换电路用于将供电电源的输入电压转化至所述驱动阀门所需要的驱动电压，以使所述阀门驱动模块正常驱动阀门开启或关闭。采用本发明，延长了电源的使用寿命，避免了电源的频繁更换。

Description

一种仪表阀门供电电源控制***

技术领域

本发明涉及自动化仪表技术领域，特别是一种仪表阀门供电电源控制***。

背景技术

随着科技进步，城市燃气化工程迅速发展，天燃气已经进入千家万户，燃气的计量目前主要以燃气表来进行，阀门是燃气表的执行机构，阀门的有效控制，对于燃气表进出气的通断与流量控制至关重要。在阀门控制***中，需要对阀门提供供电电源。在常规流量燃气表阀门控制***中，通常采用使用2节能量型锂电池串联或采用4节碱电池串联、并联电解电容，对控制阀门供电。但能量型锂电池和碱电池使用寿命比较短，需要经常更换，当进行电池更换时，用户或工作人员很容易接触到电池盒的正负极弹片，导致人体的静电通过正负极弹片进入电子产品内部，影响产品的性能。

同时，由于目前的电池只能提供较低的电压（一般为3.6～3.9V电压），相对较低的电压限制了功率的输出，无法在大流量且具有的高压力工况下为固定内阻的控制阀提供足够大的驱动电流，进而无法为操作控制阀提供需要的能量；同时，现有技术中电池无法在温度低于-25℃条件下，释放较大电流实现正常的开关阀。因此，为了克服上述缺点，设计应用于高压力、大流量燃气表控制阀电源控制***用以有效解决上述实际问题。

发明内容

本发明的目的提供一种仪表阀门供电电源控制***，目的是，能够给驱动阀门提供足够大的能量，使得阀门克服气压实现正常开关阀。

本发明是针对上述情况，提供一种仪表阀门供电电源控制***，该***包括：控制模块、供电电源，与所述供电电源的输出端连接的供电控制电路，与所述供电控制电路输出端连接的电源转换电路，与所述电源转换电路输出端连接的阀门驱动模块，所述控制模块与所述阀门驱动模块连接；

所述控制模块与所述供电控制电路连接且控制所述供电控制电路断开或导通；

所述电源转换电路用于将供电电源的输入电压转化至所述阀门驱动模块所需要的的驱动电压，以使所述阀门驱动模块正常驱动阀门开启或关闭。

本技术方案采用控制模块与供电控制电路连接，供电控制电路与电源转换电路连接，电源转换电路与阀门驱动模块连接，阀门驱动模块与阀门连接。

因此通过控制模块可以控制供电控制电路对阀门驱动模块供电。当阀门驱动模块不需要工作时，控制模块可以关闭供电控制电路，从而降低了功耗，提高了能源的利用率，节省了电源的能源的供应，从而延长了电源的使用寿命。

另外，本技术方案采用电源转换电路将供电电源的输入电压转化为阀门的驱动模块所需要的驱动电压，电源转换电路的设置解决了采用3.6~3.9V的供电电源时，输出功率受限，不能使阀门驱动模块为阀门提供足够大的驱动电压的情况。避免了现有技术中对供电电源的严格要求，扩大了供电电源的选择范围，从而为较大输出电流、较高的输出电压的供电电源的应用提供很好的解决方案。

另外，所述供电控制电路包括：第一开关元件、第二开关元件；所述第一开关元件的源极与供电电源输出端连接，所述第一开关元件的漏极为所述供电控制电路的输出端，所述第一开关元件的栅极与第二开关元件的集电极连接，所述第二开关元件的基极与所述第二电阻连接，所述第二电阻与所述控制模块连接。

本技术方案中的供电控制电路采用第一开关元件和第二开关元件协同工作，能够快速有效的接通或断开供电电源，降低了功耗，延长了供电电源的使用寿命。

另外，所述第一开关元件为P-MOS管，所述第二开元元件为NPN三极管，所述供电电源输出端与所述三极管集电极之间连接有第一电阻，所述三极管基极与所述控制模块之间连接有第二电阻，所述三极管发射级接地。本实施例以第一电阻作为上拉电阻，将第一开关元件的栅极拉到高电平，当第二开关元件停止工作即集电极处于开路状态时，从而使第一开关元件栅极的电平达到确定状态，。使得第一开关元件的漏极截止，无电压输出。

另外，所述电源转换电路为升压电路，所述升压电路包括升压控制芯片和电感线圈，所述升压控制芯片的电源输入引脚与电感线圈的一端连接，所述电感线圈的另一端与所述升压控制芯片的开关控制引脚连接。本技术方案中采用升压电路，从而实现了升压控制与电压稳定输出。为控制阀操作提供了较高的能量，进而实现了对阀门的有效控制。

另外，所述电源转换电路还包括反馈模块，所述反馈模块一端与电感线圈连接，另一端与所述升压控制芯片反馈引脚连接。本技术方案中升压控制芯片中采用了反馈电路，保证了输出电压的稳定。

另外，所述电源转换电路还包括反馈模块，所述反馈模块包括第三电阻及与第三电阻串联的第四电阻，所述第三电阻一端与所述电感线圈连接，所述第三电阻的另一端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端接地；所述第三电阻和第四电阻的公共端与所述升压控制芯片反馈引脚连接。本技术方案通过过第三电阻和第四电阻形成电压反馈电路，保证了输出电压的稳定性。

另外，所述升压控制芯片为LMR62421控制芯片。

另外，还包括用以降低电压纹波的滤波电路。

另外，所述滤波电路包括：连接于所述电源转化电路输入端的前级滤波电路，以及连接于所述电源转化电路输出端的后级滤波电路。本技术方案采用前后两级滤波电路，提高了输出电压的稳定性。前级滤波电路有效降低输入升压芯片的电压纹波，同时当负载变化时，后级滤波电路能够使输入和输出电压保持稳定。

另外，还包括连接在所述电源转化电路与所述阀门驱动模块之间的过流保护模块。本技术方案采用过流保护模块在后级电路或阀门发生短路故障时，对升压电路起保护作用，避免了对升压电路的影响。

另外，所述过流保护模块包括自恢复保险丝。本技术方案的自恢复保险丝在电流未达到保护值前，相当于一根导线，当后极电路或阀门发生短路故障时，阻值可快变增大，以达到保护升压电路的目的

另外，所述供电电源包括复合型锂电池，所述复合型锂电池的供电电压为3.6～3.9V。

另外，所述复合型锂电池包括能量型锂电池单体及与能量型锂电池单体并联连接的化学电容。本技术方案在进行阀门操作时，由于化学电容的内阻较低，因此，主要由化学电容进行大功率电流输出。操作完成后，能量型锂电池会以小电流形式为化学电容充电，不会产生锂电池过放电而导致寿命下降。同时，由于化学电容放电响应快，可以消除能量型锂电池单体钝化带来的电压滞后效应。

本发明的阀门供电电源控制***中的控制模块与供电控制电路连接，该供电控制电路通过控制模块的控制导通或断开，因此，可以在不需要供电电源进行供电时断开电路连接，降低了电路的功耗，延长了电源的使用寿命，避免了电源的频繁更换；另外，电源转换电路能够将电源的输入电压转化至驱动阀门所需要的驱动电压，满足了阀门的工作电压的要求。

附图说明

图1是本发明一种仪表阀门供电电源控制***的第一种实施例的示意图；

图2本发明一种仪表阀门控制电源供电控制***的第二种实施例的示意图；

图3是本发明一种仪表阀门供电电源控制***的第三种实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明方案应用于仪表阀门控制，例如：民用燃气表、工业流量计及水表等计量仪表的阀门控制。

参考图1，该图本发明一种仪表阀门供电电源控制***的第一种实施例的示意图，该***包括：控制模块1、供电控制电路2、电源转换电路3、阀门驱动模块4；其中，供电电源的输出端与供电控制电路2连接，与供电控制电路2输出端连接的电源转换电路3，与电源转换电路3输出端连接的阀门驱动模块4，与阀门驱动模块4输入端连接的控制模块1；

控制模块1与供电控制电路2连接，控制模块1控制供电控制电路2的断开或导通；

电源转换电路3用于将供电电源的输入电压转化至驱动阀门所需要的驱动电压，通过阀门驱动模块4连接至阀门，阀门驱动模块4通过控制电机的正转和反转实现驱动阀门开启或关闭。

本技术方案采用控制模块与供电控制电路连接，供电控制电路与阀门驱动模块连接，因此通过控制模块可以控制供电控制电路对阀门驱动模块的供电。当阀门驱动模块不需要工作时，控制模块可以关闭供电控制电路，从而减少了能耗，提高了能源的利用率，节省了电源的能源的供应，从而延长了电源的使用寿命。

另外，本技术方案采用电源转换电路将供电电源的输入电压转化为驱动阀门所需要的驱动电压，电源转换电路的设置解决了采用3.6~3.9V的供电电源时，在电流量，高管道压力的条件下，输出功率受限，不能驱动阀门正常工作的情况。避免了现有技术中对供电电源的严格要求，扩大了供电电源的选择范围，从而为较大输出电流、较低输入电压的供电电源的应用提供很好的解决方案。

需要说明的，供电电源经过电源转换电路的转换后，其输出的功率能够与控制阀门的驱动功率相匹配，为控制阀门提供较大的启动电流和能够提供克服大流量，高管道压力的驱动电流。

本发明实施例中所说的电源转换电路可以是升压电路，控制模块可以采用单片机，下面以电源转换电路为升压电路为例对本发明进行详细说明。参考图2所示，该图是本发明一种仪表阀门控制电源供电控制***的第二种实施例的示意图，与第一实施例不同的是本实施例中的除了包括供电控制电路、升压电路（电源转换电路）、单片机（控制模块）、阀门驱动模块，之外，还包括：前级滤波电路5、后级滤波电路6和过流保护电路7。

其中，前级滤波电路5的输入端与供电控制电路相连，输出端与升压电路连接，当负载变化时，能够使输入和输出电压保持稳定。并且，降低了输入输出电压纹波：

后级滤波电路6的输入端与升压电路的输出端连接，后级滤波电路的输出端与过流保护电7的输入端连接；该后级滤波电路，能够在负载发生变化时，使输入和输出电压保持稳定，并且，可降低输入输出电压纹波。

过流保护电路7，用于防止负载短路或电流过载烧坏元器件，保护电流最高可达500mA；具体应用时，可采用自恢复保险丝。

需要说明的，本实施例中的前级滤波电路、升压电路以及后级滤波电路是分别独立的电路，具体实现时，三个电路也可以合并称为电源转换电路，在此不作为对本发明的一个限制。

参考图3，该图是本发明一种仪表阀门供电电源控制***的第三种实施例的示意图，本实施例中，供电控制电路2具体包括：第一电阻R1、第二电阻R2，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2；其中，第一开关元件Q1的源极与供电电源输出端连接，第一开关元件Q1的漏极为供电控制电路的输出端，第一开关元件Q1的栅极与第二开关元件Q2的集电极连接，第二开关元件Q2经第一电阻与供电电源输入端Vin连接，第二开关元件Q2的基极经第二电阻R2与控制模块的控制端口连接，第二开关元件Q2的射极接地。其中，R2所在的支路为供电控制电路的一个控制输入支路Ctr；第一开关元件Q1可为P沟道MOS管；第二开关元件Q1可为NPN三极管。

具体实现时，当阀门驱动电路不需要工作时，Ctr引脚被置低电平。这时，三极管Q2处于截止状态。此时，P沟道的MOS管Q1的栅极，没有确定状态。R1作为上拉电阻，将Q1的栅极拉到高电平，使电平变为确定状态。Q1的源极到漏极截止。此时，MOS管的漏极不为后级电路供电，实现低功耗。当阀门驱动电路需要工作时，Ctr引脚被置高电平。这时，三极管Q2处于饱和导通状态，Q2的集电极与发射极导通到地。同时，Q1的栅极被Q2的集电极导通到地，Q2的源极到漏极导通。此时，MOS管的漏极为后级电路供电，后级电路开始工作。

前级滤波电路5包括第一电容C1、第二电容C2；其中，C1和C2并联，并联后C1的阳极和C2的阳极均与Q1的漏极连接，C1的阴极和C2的阴极均接地；第一电容C1可选择无极性陶瓷电容，实现低频滤波， 第一电容C1确保在开关瞬变期间，输入Vin电压不会下降过多。第二电容C2可选择无极性陶瓷电容，作为旁路电容，高频滤波。

升压电路（电源转换电路）3，本电路可为开关并联型升压电路。该升压电路可包括：第三电阻R3、电感线圈L1、二极管D1、第四电阻R4、第五电阻R5、第三电容C3和升压控制芯片U1。其中，升压芯片U1，EN端为芯片工作使能引脚，IN为电源输入引脚，SW为开关控制引脚，FB为输出电压反馈引脚。

第三电阻R3，作为上拉电阻，其一端与前滤波电路的输出端连接，其另一端与升压芯片的使能端EN引脚连接；具体实现时，当将EN引脚上拉至高电平时，升压电路开始工作，低电平时，升压电路停止工作。从而使升压芯片SW引脚不产生PWM波形，停止升压输出。

另外，升压芯片的EN使能引脚，直接通过R3上拉电阻，接到Q1的漏极，使得Q1导通后，升压电路即开始工作，节省了一个控制引脚。

电感L1，其一端与升压芯片U1的电源输入引脚IN连接，另一端与升压芯片U1的开关控制引脚SW连接。该电感线圈L1用于将电能和磁能相互转换。当第一开关元件MOS管闭合，升压芯片U1开始工作，芯片内部通过SW引脚产生PWM波，当SW引脚置低时，电感L1将电能转换为磁能储存起来，当SW引脚置高时，，电感L1将储存的磁能转换为电能，并且这个能量与输入电源电压叠加，通过二极管D1和电容C3的滤波后得到平滑的直流电压，提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁能转换为电能叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，实现了升压的过程。

二极管D1,其阳极与电感线圈L1的输出端连接，其阴极作为升压电路的输出端与后滤波电路连接；该二极管D1可为肖特基二极管，其特点为管压降低，并主要起到隔离的作用；升压芯片U1的SW引脚置低时，肖特基二极管D1的正极电压比负极电压低，此时二极管D1反向截止，使此电感L1的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电，在升压芯片U1的SW引脚置高时，两种叠加后的能量通过二极管D1向负载供电，此时二极管D1正向导通，要求其正向压降越小越好尽量使更多的能量供给到负载。

电阻R4、电阻R5，其中电阻R4的一端与二级管D1的阴极连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地；其中，电阻R4和电阻R5作为升压电路的反馈电阻，在输入电压Vout与升压芯片U1的FB引脚间，构成了电压负反馈电路，升压芯片U1内部，通过电阻R4和R5分压后所获得的反馈电压，自动调节SW引脚输出PWM波形的占空比，使输出电压稳定。

第三电容C3，并联于第四电阻的两端。该第三电容C3作为外部补偿电容，作用是增加相位余量，使电路具有优良的瞬态响应。

后级滤波电路6，包括第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6,;其中，第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6相互并联，三个电容并联后的阳极与升压电路的输出端连接，三个电容并联后的阴极接地。具体实现时，第四电容C4可选择无极性陶瓷电容，实现低频滤波；第五电容C5，可选择无极性陶瓷电容，作为旁路电容，高频滤波。第六电容C6可选择电解电容，作用是当负载电流瞬间变化时，提高输出电压的稳定性。

过流保护电路7，可以为自恢复保险丝F1，其一端与后滤波电路的输出端连接，该自恢复保险丝的另一端作为电源的输入端与阀门驱动模块连接，为下级电路提供电源；当F1输出端发生短路或驱动负载产生电流超过自恢复保险丝F1所承受的最大电流值时，自恢复保险丝F1的阻值会瞬间增大，起到保护升压电路的作用。当执行操作达到控制阀最大操作时间后，将Ctr引脚拉低电平，断开电源和升压电路的输入电源，保险丝会自行恢复到初始状态。该自恢复保险丝在电流未达到保护值前，相当于一根导线，当后极电路或阀门发生短路故障时，阻值可快变增大，以达到保护升压电路的目的。

需要说明的，本发明实施例中所述的供电电源可以采用复合型锂电池，该复合型锂电池是由一个能量型锂电池和一个化学电容并联组成。在进行阀门操作时，由于化学电容的内阻较低，因此，主要由化学电容进行大功率电流输出。操作完成后，能量型锂电池会以小电流形式为化学电容充电，不会产生锂电池过放电而导致寿命下降。同时，由于化学电容放电响应快，可以消除能量型锂电池单体钝化带来的电压滞后效应。

本发明实施例采用单片机（控制模块）对供电控制电路的供电进行控制，采用电源转换电路对供电电源的输入电压进行转化，因而实现了在采用单节能量型锂电池供电时，即可以在管道压力为30 ~ 60 kPa时，例如50kPa，瞬时流量为（30~50）m³/h时，例如40 m³/h条件下，实现对阀门的开关控制；

另外，本发明实施例中的电源转换电路采用升压电路，从而实现了升压的控制与电压稳定输出。并为控制阀操作提供了较大的能量，进而实现了对阀门的有效控制。

此外，本发明实施例的升压电路（电源转换电路）前端设置有供电控制电路，并且通过单片机I/O口控制,使得在不需要进行开关阀操作时，整个电路供电断开，达到了降低功耗的目的。该供电控制电路包括两个开关元件，其中一个开关元件为MOS管,第二开关元件为三极管，当不操作阀门时，将供电电源与升压电路的电源断开，解决功耗问题。

此外，本发明实施例在升压电路前端和后端各设置一级滤波电路（前级滤波电路和后级滤波电路），当负载变化时，能够使输入和输出电压保持稳定。并且，降低了输入输出电压纹波。

另外，本发明实施例中所说的仪表阀门控制电源供电控制***适用流量仪表设备中，特别是燃气表、水表等流量仪表设备中。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，包括：控制模块、供电电源，与所述供电电源的输出端连接的供电控制电路，与所述供电控制电路输出端连接的电源转换电路，与所述电源转换电路输出端连接的阀门驱动模块，所述控制模块与所述阀门驱动模块连接；

所述控制模块与所述供电控制电路连接且控制所述供电控制电路断开或导通；

所述电源转换电路用于将供电电源的输入电压转化至所述驱动阀门所需要的的驱动电压，以使所述阀门驱动模块正常驱动阀门开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述供电控制电路包括：第一开关元件、第二开关元件；所述第一开关元件的源极与供电电源输出端连接，所述第一开关元件的漏极为所述供电控制电路的输出端，所述第一开关元件的栅极与第二开关元件的集电极连接，所述第二开关元件的基极与所述控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述第一开关元件为P-MOS管，所述第二开元元件为三极管，所述供电电源输出端与所述三极管集电极之间连接有第一电阻，所述三极管基极与所述控制模块之间连接有第二电阻，所述三极管发射级接地。

4.根据权利要求1所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述电源转换电路为升压电路，所述升压电路包括升压控制芯片和电感线圈，所述升压控制芯片的电源输入引脚与电感线圈的一端连接，所述电感线圈的另一端与所述升压控制芯片的开关控制引脚连接。

5.根据权利要求4所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述电源转换电路还包括反馈模块，所述反馈模块一端与电感线圈连接，另一端与所述升压控制芯片反馈引脚连接。

6.根据权利要求4所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述电源转换电路还包括反馈模块，所述反馈模块包括第三电阻及与第三电阻串联的第四电阻，所述第三电阻一端与所述电感线圈连接，所述第三电阻的另一端与第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端接地；所述第三电阻和第四电阻的公共端与所述升压控制芯片反馈引脚连接。

7.根据权利要求4所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述升压控制芯片为LMR62421控制芯片。

8.根据权利要求1所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，还包括用以降低电压纹波的滤波电路。

9.根据权利要求8所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述滤波电路包括：连接于所述电源转化电路输入端的前级滤波电路，以及连接于所述电源转化电路输出端的后级滤波电路。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，还包括连接在所述电源转化电路与所述阀门驱动模块之间的过流保护模块。

11.根据权利要求10所述的仪表阀门供电电源控制***，所述过流保护模块包括自恢复保险丝。

12.根据权利要求1-9任一项所述的仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述供电电源包括复合型锂电池，所述复合型锂电池的供电电压为3.6～3.9V。

13.根据权利要求12所述仪表阀门供电电源控制***，其特征在于，所述复合型锂电池包括锂电池单体及与锂电池单体并联连接的化学电容。