[发明专利]抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计

说明书

本发明涉及流量检测领域，为一种抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计，包括抗高温涡街流量传感器、第一级电荷放大器、第二级电荷放大器、第一级低通滤器、第二级低通滤波器、电压跟随器、稳压管、数字电源管理电路、模拟电源管理电路、电流环及HART电路、数字隔离电路、单片机、时钟管理、复位电路、电源监测、键盘、液晶显示、温压补偿单元。采用两级电荷放大器再加两级低通滤波器的信号调理电路，解决抗高温涡街流量传感器灵敏度低的问题。采用两路平行电源分别给模拟电路和数字电路供电，解决单片机进行FFT运算时功耗较大与两线制HART智能涡街流量计要求系统消耗电流低于3.5mA之间的矛盾。本发明在量程比、测量精度和抗干扰能力方面均有大幅度提高。

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种两线制HART智能涡街流量计，特别是一种以单片机（MCU）为核心、采用FFT（快速傅里叶变换）算法进行涡街流量信号处理、用于输出信号幅值较小、灵敏度低的、采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器的抗高温数字式两线制HART智能涡街流量计。

背景技术

在工业应用中，当被测介质温度较高或者温度变化较大时，普通的涡街流量计由于涡街流量传感器的温度特性较差，随着温度的升高，流量计的测量误差越来越大。采用温度特性非常好的材料制作的涡街流量传感器，可以在高温下工作。但是，传感器输出信号存在幅值较小、灵敏度低的问题。

中国发明专利公布了一种改进的低功耗两线制涡街流量计（徐科军，刘三山，刘家祥等.改进的低功耗两线制涡街流量计,申请发明专利，200810246107.9,申请日：2008.12.22.）。这种流量计由压电传感器、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位模数转换器组成。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流量信号，采用多周期等精度的频率测量方法。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。在保证有效测量小流量、扩展量程比和提高测量精度的同时实现了低功耗两线制工作，输出代表流量的4-20mA直流电流、工作电流小于4mA。但是，这种改进的低功耗两线制涡街流量计存在以下不足：（1）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流量信号，仍然采用的是时域脉冲计数的方法来计算涡街流量信号频率。因此，系统存在抗干扰能力差、量程下限较高和测量精度低等问题。（2）系统的信号调理电路包含差分电荷放大器、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、整形电路等，电路较复杂。因此，增加了系统的功耗、成本和设计的复杂性。为此，中国发明专利公布了一种基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计（徐科军，刘三山，罗清林等.基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计,申请发明专利，200910117174.5,申请日：2009.6.29.）。这种流量计由压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4-20mA输出和隔离和非隔离DC/DC（直流/直流变换器）、LDO（低压差线性稳压器）、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、液晶显示电路。采用汇编语言实现实数FFT算法，用周期图法处理涡街流量传感器信号，进行幅值和频率校正，计算瞬时和累积流量，输出4～20mA直流电流、两线制工作。但是，这种改进的低功耗两线制涡街流量计存在以下不足：（1）采用的信号调理电路适用于普通的涡街流量传感器，对于采用温度特性非常好的材料制作的抗高温涡街流量传感器，由于传感器输出信号幅值较小、灵敏度低，难以取得很好的效果。（2）该系统并没有在两线制仪表的基础上引入HART通讯功能，因此，减小了该系统应用的场合。（3）采用直接从电流环上取24V电源、通过LDO、DC/DC和隔离型DC/DC进行处理、从而为系统其它部分供电的电源管理方式，可以满足两线制仪表的要求。但是，在应用于两线制HART智能涡街流量计时，直接从电流环上取24V电源进行系统供电，将使电流环上的HART通讯信号产生畸变，从而对HART通讯产生影响，使其不能正常工作。

发明内容