混合型流量积算仪的设计和实现

　　现代流量计量技术的发展要求流量计具有高精度、低功耗、一体化和多功能的特征。如何做到流量计的一体化、多功能,同时又兼顾高精度和低功耗要求,是设计低功耗混合型流量积算仪要解决的主要问题。

　　1　低功耗混合型流量积算仪的功能要求和技术指标

　　我们设计的低功耗混合型流量积算仪要求既能在4～20mA环路供电下工作,也能在电池供电下工作;具有温压补偿功能;流量检测元件为孔板;差压、压力、温度三个传感器都由仪表电源供电;能修改并保存仪表参数;能根据选择,测量气体、液体、蒸汽等的体积流量和质量流量。此外,仪表还具有调零、调满、报警、WDT、自诊断、电源自动切换和微弱流量判断等功能。在技术指标方面,要求温度、压力和差压检测精度优于0.2%。

　　从上述流量积算仪的功能要求和技术指标可以看出,系统主要要解决高精度和低功耗问题。

　　2　传感器选型和激励方法选择

　　传感器的选型和其激励方法是决定系统测量精度和功耗的基础。

　　铂电阻由于有高熔点、高稳定性、抗氧化等特点,曾被用来作为-100～+630℃范围的国际标准温度计,因此我们选择铂电阻作为温度传感器。

　　对于压力和差压信号的测量,我们选择瑞士KELLER公司的PD-10和PAA-10分别作为压力和差压传感器。KELLER公司的10系列压阻式压力传感器,以其独特的长期稳定性、高分辨率和不可比拟的特性著称于世。

　　传感器供电方法分为:恒压供电和恒流供电。用铂电阻测温,如果采用恒压供电,一般采用图1所示的测量电路。由文献[1]可知,假定电桥供电电源为恒压6.2V,以Rt=100Ω为基点,限流电阻为6.1kΩ,铂电阻上的电流为1.0mA,铂电阻上压降为100mV;当由于温度变化铂电阻阻值变为200Ω时,由于电流的下降,压降仅为196.8mV,由此产生3.2Ω误差,对应的温度误差接近10℃,显然,这样的测温精度是不能接受的。消除这一误差的最理想方法是采用恒流源为铂电阻供电。

　　采用恒流源给铂电阻供电的电路如图2所示。其中R2可以取较小值,其目的是为了提高共模电压范围。R1的阻值由工作电压、恒流源特性决定。A、B两端的信号经导线送入运放的两个差分输入端。该电路同样具有共模抑制功能。

　　对于KELLER公司的10系列压阻式压力传感器,也存在类似的问题。此外,由于这类传感器的全部输出信号与供电电流成正比,因此,我们选择用恒流源给差压和压力传感器供电。

　　3　流量积算仪系统设计

　　3.1　流量积算仪系统组成

　　流量积算仪的系统组成如图3所示。由图可见,系统中仅用了一个恒流源,通过多路开关分时给传感器供电,实现压力、差压和温度的测量。这种方法之所以可行,是因为铂电阻和差压(压力)传感器都是阻性元件,对于恒流源激励,有足够快的响应速度。正是由于这种传感器分时供电方法使低功耗混合型流量积算仪的设计成为可能。因为此时只需一个恒流源即可实现给传感器供电。