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煤氣流量計的電源設計

(發(fā)布日期：2014-5-20 16:07:40) 來源：

低功耗煤氣流量計適用于電池供電并具有溫度補償?shù)膯蜗嗔黧w測量功能，是適合于脈沖、頻率傳感器輸出的兩線制、低功耗二次流量測量顯示的標準工業(yè)儀表.該流量計采用超低功耗TI公司的MSP430F449系列單片機設計，具有電池充電、液晶顯示、多輸出方式和掉電數(shù)據(jù)保護存儲等功能。煤氣流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等介質(zhì).其特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響.無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小，儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定川.當前，要求儀表能夠在野外或者危險場所長期穩(wěn)定工作的要求越來越迫切，低功耗問題顯得很突出.所以在滿足儀表對功耗苛刻要求的同時，要實現(xiàn)各種復雜參數(shù)的測量，就需要考慮控制測量芯片的功耗影響和芯片的性價比，同時還需要選擇合適的高性價比的大容量電池.低功耗渦街流量計就是針對這一具體現(xiàn)實問題而設計的.由于采用4~20 mA輸出方式，要求電源部分及信號處理部分靜態(tài)耗電要控制在2 mA以內(nèi)，單片機處理電路要求靜態(tài)耗電在1.5 mA以內(nèi).本文介紹了一種采用MSP430F449超低功耗單片機、超低功耗高集成度電子器件、超低功耗LCD液晶顯示器、超低功耗電源電路和信號處理電路等一系列節(jié)能設計的煤氣流量計處理電路，使儀表可以實現(xiàn)低功耗.如果同時選擇大容量高性價比的電池，那么流量計正常穩(wěn)定工作的時間可達2年以上.
硬件設計
煤氣流量計電路的硬件設計應遵循確保性能、縮小外形、方便移動和降低功耗的原則。煤氣流量計是一種采用壓電晶體作為檢測元件，輸出與流量成正比的標準信號的流量儀表.該儀表可以直接與DDZ-111型儀表系統(tǒng)配套，也可以與計算機及集散系統(tǒng)配套使用，對不同介質(zhì)的流量參數(shù)進行測量.儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點.當流過管道的氣體或液體經(jīng)過該流量計的流量傳感器后，傳感器將流量信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過放大處理后送給單片機處理，并進行溫度補償.儀表采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在一20℃一+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作.有模擬標準信號，也有數(shù)字脈沖信號輸出，容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種先進、理想的流量儀表[3].該流量計主要由信號處理電路、功能電路、液晶接口電路、通訊電路、電源電路5部分構(gòu)成，煤氣流量計硬件電路具體如圖I所示.
電源電路設計
串聯(lián)穩(wěn)壓電源設計
穩(wěn)壓電路用來在交流電源電壓波動或負載變化時穩(wěn)定直流輸出電壓.采用三極管作為調(diào)整管并與負載串聯(lián)的穩(wěn)壓電路稱為串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路.穩(wěn)壓電路的作用是輸人交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定.本設計采用CRD恒流二極管實現(xiàn)比較和取樣功能，有效實現(xiàn)低功耗.具體電路如圖2所不.
CRD恒流二極管是一種恒定電路電流器件，適用于任何恒流場合，與普通的串聯(lián)穩(wěn)壓電源方案相比有以下優(yōu)點:
1)電路簡單，只需電源接人恒流二極管穩(wěn)壓電路即可.電路簡單、體積小，即使空間狹小也可以完全放進去.
2)穩(wěn)定性高.恒流二極管相當于一個動態(tài)電阻，輸出電壓穩(wěn)定二
3)無EMI干擾問題及低紋波輸出.由于恒流二極管采用了線性電路架構(gòu)，電路不存在EMI問題及超低紋波輸出.
4)效率高。比使用switching power(電子式電源供應器)的耗能還低，從而提高整個電路的效率.
5)輸出保護.當檢測到輸出電壓升高時CRD自動抑制輸出電流從而保護電源.
6)高、低壓適用.恒流二極管最低耐壓50 V(實際60 V以上)，最高耐壓100 V，高、低壓適用而無需加輔助元件。
實踐證明，采用CRD恒流二極管的串穩(wěn)電源比普通串穩(wěn)電源降低功耗20%左右，為有效實現(xiàn)4一20 mA輸出提供了保證.
開關(guān)電源設計
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成.開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，依靠調(diào)節(jié)調(diào)整管導通時間來實現(xiàn)穩(wěn)壓.由于調(diào)整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗小，故使穩(wěn)壓電源的效率明顯提高，可達80%一90%，而且這一效率幾乎不受輸人電壓大小的影響，開關(guān)穩(wěn)壓電源具有很寬的穩(wěn)壓范圍.電源的主要缺點是輸出電壓中含有較大的紋波.但由于開關(guān)電源優(yōu)點顯著，故發(fā)展非常迅速，使用也越來越廣泛.開關(guān)電源通常由6大部分組成，工作原理如圖3所示.
本設計中的煤氣流量計采用如圖4所示的開關(guān)電源供電，開關(guān)調(diào)整管Q1和變壓器初級繞組L1參與振蕩過程.當開關(guān)調(diào)整管Q1工作在飽和導通狀態(tài)時，在變壓器初級繞組L1上產(chǎn)生上正下負的感應電動勢，次級繞組U產(chǎn)生上負下正的感應電動勢，初級繞組L1中的電流逐漸增大;當開關(guān)調(diào)整管Q1截止時，變壓器初級繞組L1上產(chǎn)生上負下正的感應電動勢，次級繞組L2產(chǎn)生上正下負的感應電動勢，續(xù)流二極管VD導通，向負載提供能量，并對電容C17充電.當開關(guān)調(diào)整管QI再次導通，續(xù)流二極管VD截止時，由電容C17向負載提供能量，從而實現(xiàn)自激振蕩過程.由于電路中采用由C5,R25,R26,D8組成的
串并聯(lián)網(wǎng)絡，可濾除開關(guān)管集電極的尖峰電壓，對控制回路進行補償及原邊快速復位的作用，能有效地保護開關(guān)管不被損壞.
開關(guān)電源的使用大大提高了渦街流量計的電源效率，降低了功耗。

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