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煤气流量计的电源设计

(发布日期：2014-5-20 16:07:40) 来源：

低功耗煤气流量计适用于电池供电并具有温度补偿的单相流体测量功能，是适合于脉冲、频率传感器输出的两线制、低功耗二次流量测量显示的标准工业仪表.该流量计采用超低功耗TI公司的MSP430F449系列单片机设计，具有电池充电、液晶显示、多输出方式和掉电数据保护存储等功能。煤气流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等介质.其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响.无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小，仪表参数能长期稳定川.当前，要求仪表能够在野外或者危险场所长期稳定工作的要求越来越迫切，低功耗问题显得很突出.所以在满足仪表对功耗苛刻要求的同时，要实现各种复杂参数的测量，就需要考虑控制测量芯片的功耗影响和芯片的性价比，同时还需要选择合适的高性价比的大容量电池.低功耗涡街流量计就是针对这一具体现实问题而设计的.由于采用4~20 mA输出方式，要求电源部分及信号处理部分静态耗电要控制在2 mA以内，单片机处理电路要求静态耗电在1.5 mA以内.本文介绍了一种采用MSP430F449超低功耗单片机、超低功耗高集成度电子器件、超低功耗LCD液晶显示器、超低功耗电源电路和信号处理电路等一系列节能设计的煤气流量计处理电路，使仪表可以实现低功耗.如果同时选择大容量高性价比的电池，那么流量计正常稳定工作的时间可达2年以上.
硬件设计
煤气流量计电路的硬件设计应遵循确保性能、缩小外形、方便移动和降低功耗的原则。煤气流量计是一种采用压电晶体作为检测元件，输出与流量成正比的标准信号的流量仪表.该仪表可以直接与DDZ-111型仪表系统配套，也可以与计算机及集散系统配套使用，对不同介质的流量参数进行测量.仪表具有结构简单、通用性好和稳定性高的特点.当流过管道的气体或液体经过该流量计的流量传感器后，传感器将流量信号转换成电压信号经过放大处理后送给单片机处理，并进行温度补偿.仪表采用压电应力式传感器，可靠性高，可在一20℃一+250℃的工作温度范围内工作.有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种先进、理想的流量仪表[3].该流量计主要由信号处理电路、功能电路、液晶接口电路、通讯电路、电源电路5部分构成，煤气流量计硬件电路具体如图I所示.
电源电路设计
串联稳压电源设计
稳压电路用来在交流电源电压波动或负载变化时稳定直流输出电压.采用三极管作为调整管并与负载串联的稳压电路称为串联型晶体管稳压电路.稳压电路的作用是输人交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定.本设计采用CRD恒流二极管实现比较和取样功能，有效实现低功耗.具体电路如图2所不.
CRD恒流二极管是一种恒定电路电流器件，适用于任何恒流场合，与普通的串联稳压电源方案相比有以下优点:
1)电路简单，只需电源接人恒流二极管稳压电路即可.电路简单、体积小，即使空间狭小也可以完全放进去.
2)稳定性高.恒流二极管相当于一个动态电阻，输出电压稳定二
3)无EMI干扰问题及低纹波输出.由于恒流二极管采用了线性电路架构，电路不存在EMI问题及超低纹波输出.
4)效率高。比使用switching power(电子式电源供应器)的耗能还低，从而提高整个电路的效率.
5)输出保护.当检测到输出电压升高时CRD自动抑制输出电流从而保护电源.
6)高、低压适用.恒流二极管最低耐压50 V(实际60 V以上)，最高耐压100 V，高、低压适用而无需加辅助元件。
实践证明，采用CRD恒流二极管的串稳电源比普通串稳电源降低功耗20%左右，为有效实现4一20 mA输出提供了保证.
开关电源设计
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成.开关稳压电源的调整管工作在开关状态，依靠调节调整管导通时间来实现稳压.由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗小，故使稳压电源的效率明显提高，可达80%一90%，而且这一效率几乎不受输人电压大小的影响，开关稳压电源具有很宽的稳压范围.电源的主要缺点是输出电压中含有较大的纹波.但由于开关电源优点显著，故发展非常迅速，使用也越来越广泛.开关电源通常由6大部分组成，工作原理如图3所示.
本设计中的煤气流量计采用如图4所示的开关电源供电，开关调整管Q1和变压器初级绕组L1参与振荡过程.当开关调整管Q1工作在饱和导通状态时，在变压器初级绕组L1上产生上正下负的感应电动势，次级绕组U产生上负下正的感应电动势，初级绕组L1中的电流逐渐增大;当开关调整管Q1截止时，变压器初级绕组L1上产生上负下正的感应电动势，次级绕组L2产生上正下负的感应电动势，续流二极管VD导通，向负载提供能量，并对电容C17充电.当开关调整管QI再次导通，续流二极管VD截止时，由电容C17向负载提供能量，从而实现自激振荡过程.由于电路中采用由C5,R25,R26,D8组成的
串并联网络，可滤除开关管集电极的尖峰电压，对控制回路进行补偿及原边快速复位的作用，能有效地保护开关管不被损坏.
开关电源的使用大大提高了涡街流量计的电源效率，降低了功耗。

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