CN204142300U - 一种热式气体流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种热式气体流量测量装置，采用+24V直流单电源供电，包括采样模块、MSP430F149***模块、显示模块、通信模块和电流量信号输出模块，采集模块采集的电压信号输入MSP430F149***模块进行A/D转换，电流量信号输出模块将MSP430F149***模块输入的数字量转换为4～20mA电流模拟量输出；其特征在于采样模块中设计了定温反馈控制电路和等效惠斯通电桥电路。提高了热式流量计的灵敏度，提高了***测量的稳定性及准确性。

Description

一种热式气体流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种热式气体流量测量装置，属于工业流量测量及控制领域。

背景技术

热式流量计作为工业流量测量的常用仪表，使用非常广泛。现在工业中常用的热式流量计主要采用2个热式基准电阻作为敏感元件，采用桥式环路，利用恒温法测量原理对流量进行测量，测量原理图如附图1所示。

电桥环路具有温度自动补偿的功能，Rw作为测量元件，Rc作为感温元件。但现有技术也存在如下缺点：采用电桥电路时，为了减小补偿支路的电流，使补偿电阻不发热，Rc电阻值较大，常采用PT1000与PT20或者PT1000与PT45等作为测量探头，但电阻值较大的铂热电阻热惯性较大，导致***响应慢，灵敏度低；测量元件Rw与感温元件Rc电阻值相差太大，限制了电路的设计，影响信号采集的稳定性及精度；控制电路等有待改进，以提高整体的测量效果。

MSP430作为一款超低功耗单片机，大量运用于工业智能仪表中。MSP430工作电压为3.3V，而大量外设工作电压为5V左右，存在电压匹配的问题；另外，AD电路以及数字量转化为模拟量的噪声普遍存在，而信噪比为评价***优劣的重要参数。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种热式气体流量测量装置。

技术方案

一种热式气体流量测量装置，采用+24V直流单电源供电，包括采样模块、MSP430F149***模块、显示模块、通信模块和电流量信号输出模块，采集模块采集的电压信号输入MSP430F149***模块进行A/D转换，电流量信号输出模块将MSP430F149***模块输入的数字量转换为4～20mA电流模拟量输出；其特征在于采样模块中设计了定温反馈控制电路和等效惠斯通电桥电路，其中OP07、R20、R19、LM317T、1N4148组成了定温反馈控制电路，OP07采集电桥电压信号，利用LM317T的输出特性通过改变电桥电压E控制发热探头工作在恒温模式；R14、R13、OP07、R11、R8、Rc、R9、R10、R12、LM324N组成等效惠斯通电桥电路的补偿支路，R16、Rw组成等效惠斯通电桥电路的测量支路，R13、R14将电桥电压E分压，OP07组成电压跟随器将R13分压加载在补偿支路，减小了补偿支路电压，LM324N将补偿支路输出电压等分压倍数放大，作为定温反馈控制电路的一个输入电压Uc。

采样模块采用PT20作为发热探头Rw，PT100作为测温探头Rc，分别连接到等效惠斯通电桥的桥路上。

电流量信号输出模块中加入了6N137光电隔离器，隔离模拟电路和数字电路，达到电压匹配的作用，提高***的信噪比和稳定性。

有益效果

本发明提出的一种热式气体流量测量装置，能够提高热式流量计的灵敏度，提高***测量的稳定性及准确性。

附图说明

图1 热式流量计测量原理

图2 本实用新型方案框图

图3 探头结构示意图

图4 电源电路

图5 信号采集电路

图6 MCU电路

图7 4～20mA电流输出电路

图8 显示、通信和按键电路

图9 程序流程图

图10 累计流量计算示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种热式气体流量测量装置，如图2所示，包括采样模块、MSP430F149***模块、显示模块、通信模块和电流量信号输出模块，采集模块采集的电压信号输入MSP430F149***模块进行A/D转换，电流量信号输出模块将MSP430F149***模块输入的数字量转换为4～20mA电流模拟量输出。

采样模块采用PT20作为发热探头Rw，PT100作为测温探头Rc，分别连接到等效惠斯通电桥的桥路上，如图3所示。

本装置采用+24V直流单电源供电，如图4所示，通过7815(U1)输出+15V电压，R1与R2分压输出+5V电压VCC5V，AMS1117-3.3输出+3.3V电压VCC。

信号采集电路如图5所示，对于热式质量流量计来说，它的流量检测是根据热平衡原理，电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量。在恒温工作模式下，可以得到与流量成一定对应关系的电压输出。

在本装置的信号采集电路中，设计了定温反馈控制电路，OP07(U5A)，R20，R19，LM317T(U3)，1N4148组成定温反馈控制电路，OP07(U5A)采集电桥电压信号，利用LM317T的输出特性通过改变电桥电压控制发热探头工作在恒温模式。

Rc(PT20)与Rw(PT100)为传感器探头，Rc为测温探头，Rw为发热探头。Rw工作在较高温度，流过的电流较大；Rc作为测温探头，流过的电流应很小(不大于4mA)，使其不至于发热而影响环境温度的测量。

为了既不改变电桥的温度自动补偿特性，又大大减小补偿支路的电流，本装置设计了等效惠斯通电桥电路，R14、R13、OP07、R11、R8、Rc、R9、R10、R12、LM324N组成等效惠斯通电桥电路的补偿支路，R16、Rw组成等效惠斯通电桥电路的测量支路，测量支路电压直接由电桥电压E提供；R13，R14将电桥电压分压，OP07(U4)组成电压跟随器将R13分压加载在补偿支路，这样就大大减小了补偿支路电压；LM324N(U3B)将补偿支路输出电压等分压倍数放大，作为定温反馈控制电路的一个输入电压Uc；Uw作为另一个输入电压，整个电路工作过程与普通电桥电路等效，分析如下：

当电桥平衡时，由前面分析可知，补偿支路电压为补偿支路的输出电压为：

$\mathrm{Uc}=E\frac{R13}{R13+R14}\·\frac{\mathrm{Rc}}{\mathrm{Rc}+R8}\·\frac{R12+R10}{R10}$

测量支路输出电压为

$\mathrm{Uw}=E\frac{\mathrm{Rw}}{\mathrm{Rw}+R16}$

当R13＝R10，R14＝R12时，又因为电桥平衡可以得到：

$\mathrm{Uw}=E\frac{\mathrm{Rw}}{\mathrm{Rw}+R16}=E\frac{\mathrm{Rc}}{\mathrm{Rc}+R8}=\mathrm{Uc}$

即电桥平衡时电桥输出相等，电桥平衡被破坏时，定温反馈控制电路采集电压信号控制电桥重新处于平衡状态。

调节R16可以控制Rw的工作温度。等效电桥电路具有温度自动补偿的功能。当气体流速改变时，Rw温度改变，阻值变化，定温反馈控制电路采集电桥的电压信号，控制LM317T输出电压改变，从而改变电桥电压来调节Rw的电流，使其工作在恒定温度。气体流量越大，带走的热量越多，流过Rw的有效电流就越大，才能保证Rw的温度保持恒定；反之，气体流量越小，带走的热量越少，流过Rw的有效电流就越小，故气体流量与流过Rw的电流成一一对应关系，也就与电桥的各个电压信号成对应关系。

LM324N(U3A)采集电路的有效电压调节后输入单片机进行A/D转换。

电流量信号输出模块中加入了6N137光电隔离器，隔离模拟电路和数字电路，达到电压匹配的作用，提高***的信噪比和稳定性。

MCU电路如图6所示，为MSP430F149单片机的最小***。P1接口为单片机的JTAG下载端口，提供单片机的程序下载；信号采集电路采集的电压信号通过A0(P6.0)通道进入单片机进行A/D转换。

4～20mA电流输出电路如图7所示，单片机通过P5.0，P5.1，P5.3与AD420进行SPI通信。设置AD420芯片工作在4-20mA电流输出模式。MSP430F149单片机工作电压为3.3V，AD420逻辑电压为5V左右，故通过6N137光电隔离器连接两者通信，达到电压匹配的作用。AD420芯片将单片机传送的数字量转换为4～20mA电流模拟量输出。另外，由于整个***由数字电路和模拟电路组成，6N137还可以起到隔离模拟电路和数字电路的作用，这样可以提高***的信噪比和稳定性。

本装置还添加了显示模块，通信模块和按键电路，如附图8所示，整个***组成一个完整的测量装置。

根据电路原理图制作硬件装置，可根据实际需要制作封装外壳及安装条件等。硬件制作完成后，在标准试验台上对装置进行标定，运用最小二乘法拟和出装置的特性曲线。采用模型拟合装置的特性曲线，其中V为采样电压，U为气体的流速，即为采样电压与流速的对应关系(或与流量的对应关系)。此特性曲线即为瞬时流量的计算曲线。

软件编程控制。信号采集调理电路输出的电压信号输入单片机进行A/D转换，在单片机内完成瞬时流量和累计流量的计算；单片机与AD420进行SPI通信，将瞬时流量转换为4-20mA的工业标准模拟量输出传给上位机，同时驱动12864液晶显示瞬时流量和累计流量；程序不断查询是否有来自上位机的操作命令，通过MAX485芯片对各项参数进行修改和更新。程序的流程图如附图9所示。

瞬时流量的计算按标定得到的装置特性曲线计算。累计流量的计算如附图10所示。由积分原理可知，t1到t2时间段内的累计流量为U1到U2曲线段在t1-t2内的积分。由于无法准确知道U-t的表达式，采用直线代替曲线的方法计算较小时间段内的累计流量ΔS。把各个时间段的累计流量相加，即总的累计流量。

在完成硬件制作、试验标定与软件编程之后，即可进行流量测量。装置上电后，通过按键对装置初始化，设置测量条件及参数。

Claims (3)

1.一种热式气体流量测量装置，采用+24V直流单电源供电，包括采样模块、MSP430F149***模块、显示模块、通信模块和电流量信号输出模块，采集模块采集的电压信号输入MSP430F149***模块进行A/D转换，电流量信号输出模块将MSP430F149***模块输入的数字量转换为4～20mA电流模拟量输出；其特征在于采样模块中设计了定温反馈控制电路和等效惠斯通电桥电路，其中OP07、R20、R19、LM317T、1N4148组成了定温反馈控制电路，OP07采集电桥电压信号，利用LM317T的输出特性通过改变电桥电压E控制发热探头工作在恒温模式；R14、R13、OP07、R11、R8、Rc、R9、R10、R12、LM324N组成等效惠斯通电桥电路的补偿支路，R16、Rw组成等效惠斯通电桥电路的测量支路，R13、R14将电桥电压E分压，OP07组成电压跟随器将R13分压加载在补偿支路，减小了补偿支路电压，LM324N将补偿支路输出电压等分压倍数放大，作为定温反馈控制电路的一个输入电压Uc。

2.根据权利要求1所述的一种热式气体流量测量装置，其特征在于所述的采样模块采用PT20作为发热探头Rw，PT100作为测温探头Rc，分别连接到等效惠斯通电桥的桥路上。

3.根据权利要求1所述的一种热式气体流量测量装置，其特征在于所述的电流量信号输出模块中加入了6N137光电隔离器，隔离模拟电路和数字电路，达到电压匹配的作用，提高***的信噪比和稳定性。