[发明专利]一种工业计量用工况校准装置

说明书

一种工业计量用工况校准信号采集电路属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种工业计量用工况校准信号采集电路。本发明提供一种工业计量用工况校准信号采集电路。本发明包括第一TL431芯片、第二TL431芯片、第三TL431芯片、第四TL431芯片和第五TL431芯片；第一TL431芯片的1脚分别与保险丝F1、第一TL431芯片的3脚、电阻Rc1一端、电容C01一端、TLV2372芯片U1的3脚相连，第一TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc1另一端、电容C01另一端相连，U1的2脚分别与U1的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，尤其涉及一种工业计量用工况校准信号采集电路。

背景技术

在现有工业现场，管道内的流体通过差压类流量计先将差压信号传送给二次表或者流量计算机，经过二次表或者流量计算机将差压值换算成流量后，再将流量值传输给工控系统DCS或PLC，进而可以测量管道内流体的流量。但是目前这种计量方式存在的问题是：(1)没有考虑到现场管道条件对计量的影响；(2) 没有考虑到现场流量范围对计量的影响。现场流量范围包含了工业现场流量远远高于计量检定部门实流标定时的流量范围，现场流量远远低于计量检定部门实流标定时的流量范围。由于计量检定采用的都是溯源体系，逐级溯源，而实际工业现场的管网和运行条件可能和计量检定或校准时有巨大的差距，所以导致现场的计量往往会出现较大的偏差。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种工业计量用工况校准信号采集电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明可应用于工业计量用工况校准装置，工业计量用工况校准装置包括电源部分、模拟信号采集部分(即本发明工业计量用工况校准信号采集电路)、信号处理部分、数据存储部分和信号输出部分，其结构要点模拟信号采集部分的检测信号输出端口与信号处理部分的检测信号输入端口相连；电源部分的电能输出端口分别与模拟信号采集部分的电能输入端口、信号处理部分的电能输入端口和信号输出部分的电能输入端口、数据存储部分的电能输入端口相连；数据存储部分的信号传输端口与信号处理部分的信号传输端口相连，信号处理部分的信号输出端口与信号输出部分的信号输入端口相连。作为一种优选方案，本发明所述模拟信号采集部分采集管道的外部差压、压力、温度、湿度、液位信号。作为一种优选方案，本发明所述外部差压、压力、温度、湿度、液位信号分别通过差压变送器、压力变送器、温度变送器、湿度变送器、液位变送器进行采集。作为另一种优选方案，本发明所述电源部分包括power-LH10芯片、IB2424LS芯片、AMS1117芯片Pow5-3、B0505S-1W芯片pow5-5和插槽 MHDR1X2，power-LH10芯片的3脚接市电火线，power-LH10芯片的2脚接市电零线，power-LH10芯片的1 脚接地，power-LH10芯片的4、7脚接DGND端，power-LH10芯片的5脚接5V端，power-LH10芯片的8脚接5V端接24v is端；IB2424LS芯片的1脚接24v is端，IB2424LS芯片的2脚接DGND端，IB2424LS芯片的4脚分别与4-20down端、电阻RL一端相连，电阻RL另一端分别与IB2424LS芯片的6脚、24v os 端相连；Pow5-3的1脚接DGND端，Pow5-3的2脚分别与3.3v端、电容C17正极相连，电容C17负极分别与DGND端、电容C18负极相连，电容C18正极分别与5v端、Pow5-3的3脚相连；pow5-5的1脚接5v 端相连，pow5-5的2脚接DGND端，pow5-5的3脚接485_GND端，pow5-5的4脚接485-5V端；MHDR1X2 的1脚接485_GND端。电源部分的供电电源为AC220V，然后通过power220-24，将AC220V供电降压为DC24V 和DC5V两路电源电压输出。DC24V这路电源用于给5路4～20mA信号采集的电路供电，即给工况校准仪所需接入的差压、压力、温度、湿度等信号供电。并通过power24-24将DC24V进行隔离设计，用于4～20mA 信号输出；DC5V这路电源一部分通过pow5-3降压为3.3V用于信号处理部分的单片机电路供电，另一部分通过pow5-5隔离设计，用于485信号输出的供电。作为另一种优选方案，本发明所述信号采集部分包括第一TL431芯片、第二TL431芯片、第三TL431芯片、第四TL431芯片和第五TL431芯片；第一TL431芯片的1脚分别与保险丝F1、第一TL431芯片的3脚、电阻Rc1一端、电容C01一端、TLV2372芯片U1的3脚相连，第一TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc1另一端、电容C01另一端相连，U1的2脚分别与U1的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第二TL431芯片的1脚分别与保险丝F2、第二TL431 芯片的3脚、电阻Rc2一端、电容C02一端、U1的5脚相连，第二TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc2另一端、电容C02另一端相连，U1的6脚分别与U1的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U1的8脚接3.3v端，U1的4脚接DGND端；第三TL431芯片的1脚分别与保险丝F3、第三TL431芯片的3脚、电阻Rc3一端、电容C03一端、U2的3脚相连，第三TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻 Rc3另一端、电容C03另一端相连，U2的2脚分别与U2的1脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；第四TL431芯片的1脚分别与保险丝F4、第四TL431芯片的3脚、电阻Rc4一端、电容C04一端、U2的5 脚相连，第四TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc4另一端、电容C04另一端相连，U2的6脚分别与U2的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连；U2的8脚接3.3v端，U2的4脚接DGND端；第五 TL431芯片的1脚分别与保险丝F5、第五TL431芯片的3脚、电阻Rc5一端、电容C05一端、U3的5脚相连，第五TL431芯片的2脚分别与DGND端、电阻Rc5另一端、电容C05另一端相连，U3的6脚分别与U3 的7脚、信号处理部分的检测信号输入端口相连。信号采集部分，该部分有5路4～20mA信号采集电路，用于外部差压、压力、温度、湿度、液位等变送器信号的输入采集，当电流流过本电路中的采样电阻Rc 时，在Rc上产生一个电压信号，本电路将采集到的这个电压信号通过运算放大电路(图8中的*U1、*U2 和*U3)再传递给信号处理部分进行信号处理。每一路采集电路都有一个自恢复保险电阻保护电路的过流问题，防止大电流对电路的破坏，即图8中F1、F2、F3、F4、F5。每一个精密采样电阻上都并联一个TLV431 和一个100nF的电容，用于防止采样电阻上产生过高的电压，超出信号处理部分所能接收的信号范围，破坏信号处理电路。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分包括EFM32LG380F256芯片U1，U1的24 脚分别与电容Cp3一端、32.768KHz晶振Y3一端相连，电容Cp3另一端接DGND端，晶振Y3另一端分别与电容Cp4一端、U1的25脚相连，电容Cp4另一端接DGND端；U1的46～50脚为信号处理部分的检测信号输入端口，U1的60脚接RTC_SCLK端，U1的61脚接RTC_DAT端，U1的62脚接RTC_RST端，U1的99脚接CEX0端；U1的76～78脚分别与SWCLK端、SWDIO端、SWO端对应相连，U1的81、84、85脚分别与CTRL 端、RX0端、TX0端对应相连；U1的74脚分别与RX1端、触摸屏8脚接插件Header 8的3、4脚相连，Header 8的1、2脚接5v端，Header 8的5脚分别与TX1端、U1的75脚相连，Header8的6脚分别与BUSY端、 U1的80脚相连，Header 8的7、8脚接DGND端；U1的16、32、58、83脚分别与电容C7一端、C8一端、 C9一端、C10一端、C11一端、电容Cv一端、DGND端相连，U1的82、44、31、17、8、57脚分别与电容 C7另一端、C8另一端、C9另一端、C10另一端、C11另一端、电容Cv另一端、3.3v端相连；U1的59通过电容Cu-1接DGND端，U1的36脚分别与rest端、电容Cu-2一端、reset两脚接插件Header 2的1脚相连，电容Cu-2另一端接DGND端，Header 2的2脚通过电阻R22接DGND端；U1的41、45脚分别与电感L0一端、电容C14一端、电容C15一端、电容C16一端相连，电容C14另一端、电容C15另一端、电容C16另一端接DGND端，电感L0另一端接3.3v端。信号处理部分，该部分EFM32LG380F256为核心处理元件，信号处理方式、流量计量的算法、公式在该部分完成。将EFM32LG380F256分为A、B、C、D四个部分。U1A部分连接晶振用于该部分工作的时钟信号来源；U1B部分对信号采集电路传递过来的信号进行AD 转换，将模拟信号转换成数字信号进行后续处理；U1C部分主要用于对EFM32LG380F256的程序编写下载和输出信号的接口，RX0、TX0这两个接口用于485输出信号的数据传输，CEX0用于4～20mA信号的控制输出，DBG部分是程序下载端口，LCD TOUCH是显示屏(可以实时显示流动状态)连接端口；U1D部分主要是该部分电路提供电源。URTC部分用于计算数据的存储，并通过BT1额外供电防止工况校准仪在掉电的情况下数据出现丢失问题。作为另一种优选方案，本发明所述数据存储部分采用DS1302S芯片URTC，URTC的1 脚分别与电容C12一端、电容C13一端、3.3v端相连，电容C12另一端分别与电容C13另一端、DGND端相连；URTC的8脚与充电电池(充电电池，在有外供电时，电池充电，在外部掉电时，充电电池给URTC 供电保证记录历史曲线不中断)BT1正极相连，电池BT1的负极通过电阻R23接DGND端，URTC的6脚接 RTC_DAT端；URTC的7脚接RTC_SCLK端，URTC的5脚接RTC_RST端，URTC的2脚分别与32.768KHz晶振 Y2一端、电容Cp1一端相连，电容Cp1另一端分别与电容Cp2一端、DGND端、URTC的4脚相连，晶振Y2另一端分别与Cp2另一端、URTC的3脚相连。作为另一种优选方案，本发明所述信号输出部分包括4～20mA 信号输出电路和485信号输出电路。作为另一种优选方案，本发明所述4～20mA信号输出电路包括TIL113 芯片1，OP1的1脚通过电阻R12接CEX0端，OP1的2脚接DGND端，OP1的6脚通过电阻R14分别与OP1 的4脚、NPN三极管Q1的集电极相连，NPN三极管Q1的发射极通过电阻R18分别与电容C6.2一端、NPN 三极管Q2的发射极、lm358芯片U5的4脚、4-20down端、稳压管D8阳极、电容Cc负极相连；NPN三极管Q1的基极分别与电容C6.2另一端、稳压管D6阴极、电阻R17一端相连，稳压管D6阳极分别与NPN三极管Q2的集电极、NPN三极管Q2的基极相连；电阻R17另一端分别与电阻R16一端、电容Cu-3正极、电阻R21一端、稳压管D7阳极相连，电阻R16另一端分别与OP1的5脚、U5的5脚相连，U5的8脚分别与稳压管D7阴极、稳压管D8阴极、电容Cc正极、24v os端相连；U5的6脚分别与U5的7脚、电阻R19 一端相连，电阻R19另一端分别与电容Cu-3负极、U5的3脚相连，U5的2脚分别与电阻R21另一端、PNP 三极管Q3发射极、NPN三极管Q4集电极相连，PNP三极管Q3基极通过电阻R20与U5的1脚相连，PNP三极管Q3集电极接NPN三极管Q4基极，NPN三极管Q4发射极接4-20up端。作为另一种优选方案，本发明所述485信号输出电路包括TLP521芯片U100、U101和U102，U102的4脚分别与电阻R1一端、TX0端相连，电阻R1另一端分别与3.3v端、U101的1脚、U100的1脚相连，U102的3脚接DGND端，U102的1 脚通过电阻R4分别与485-5V端、U101的4脚、电阻R6一端相连，U102的2脚接MAX485芯片IC17的1 脚；U101的2脚通过电阻R2接CTRL端，U101的3脚分别与电阻R5一端、IC17的2脚、IC17的3脚，电阻R5另一端接485_GND端；U100的2脚通过电阻R3接RX0端，U100的4脚分别与电阻R6另一端、IC17 的4脚相连，U100的3脚接485_GND端；IC17的8脚分别与485-5V端、电阻R7一端相连，电阻R7另一端分别与IC17的6脚、电阻R10一端相连，IC17的7脚分别与电阻R9一端、电阻R8一端相连，电阻R8 另一端分别与IC17的5脚、485_GND端相连；电阻R9另一端分别与电阻R11一端、二极管D9阳极、485up 端相连，电阻R10另一端分别与电阻R11另一端、二极管D10阳极、485down端相连，二极管D10阴极接二极管D9阴极。信号输出部分，包括2路信号输出，4～20mA电流模拟输出和485数字信号输出。4～20mA 电流模拟输出是通过单片机将需要输出的参数信号通过CEX0信号线以PWM波的形式传递过来，再通过光耦隔离，电路放大将PWM信号转换成4～20mA模拟信号传递出去，用于下一个单元的接收；485数字信号输出是通过单片机的串口将信号传递过来，再通过光耦隔离，将信号传递出去，并在出口放置两个二极管用于电路保护。作为另一种优选方案，本发明温度变送器和压力变送器将代表管道内的温度和压力信号通过电流信号传递给工况校准装置时，电流在采样电阻上的压降的大小来判断流过该电路的电流大小是多少 mA，根据压力量程和温度量程，计算出该电流所代表的具体压力、温度值，进一步计算出该温度压力下的介质密度，即密度的温压补偿。作为另一种优选方案，本发明所述信号处理部分的计量算法的确定方法包括以下步骤：1)依据工业现场的结构参数进行物理建模；2)对物理模型进行离散化处理；3)采用工业现场提供的运行参数对现场管网进行计算流体分析；4)提取计算流体分析的数据，将其回归为工况条件下的计量算法(即信号处理部分的计量算法)。本发明计量算法的确定方法可对流量进行校准，达到准确测量工况流量的效果。改善现有计量因为管网原因或实际流量范围超出检定流量范围时造成的计量不准确或偏差大等问题。作为另一种优选方案，本发明所述步骤2)对物理模型进行离散化处理包括以下步骤：对管网物理模型的网格进行划分，将整个管网内的流动区域划分成若干微小模型，将偏微分方程和微分方程用到每一个离散化的网格区域控制容积；采用内节点法，每个控制单元的代表点定义在单元的几何重心；如图18所示；将管网划分为实际的控制容积，离散化遵守以下方程；