[发明专利]低功耗两线制涡街流量计

说明书

技术领域

本发明涉及流量检测领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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C1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IO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R10、R11、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R10、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Q1、电容C10、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Q1、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IO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。