阅读说明：本技术 一种适用于压差原理测量流速的处理电路 (Processing circuit suitable for measuring flow velocity based on differential pressure principle ) 是由 罗鑫 肖升 陈伟林 林瑞枫 鲁妤知 欧阳贤斌 吴丹 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于压差原理测量流速的处理电路,包括：压差传感器、采样电路和主控电路；其中,压差传感器包括：第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体；第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体均与采样电路相连；采样电路与主控电路相连,分别对第一量程和第二量程两路压差传感器信号进行采集、放大和转换等处理,配合速度融合算法求出速度信息,并通过通信接口电路发送至用户,解决了单通道、单压差传感器设计存在的分辨率低、精度差和零位不稳等问题。(The invention discloses a processing circuit suitable for measuring flow velocity by a pressure difference principle, which comprises: the system comprises a differential pressure sensor, a sampling circuit and a main control circuit; wherein, differential pressure sensor includes: the sensor comprises a first-range differential pressure sensor core body and a second-range differential pressure sensor core body; the core body of the first-range differential pressure sensor and the core body of the second-range differential pressure sensor are connected with the sampling circuit; the sampling circuit is connected with the main control circuit, and is used for respectively carrying out acquisition, amplification, conversion and other processing on signals of the two paths of differential pressure sensors in the first range and the second range, matching with a speed fusion algorithm to obtain speed information, and sending the speed information to a user through the communication interface circuit, so that the problems of low resolution, poor precision, unstable zero position and the like existing in the design of single-channel and single-differential pressure sensors are solved.)

一种适用于压差原理测量流速的处理电路

技术领域

本发明涉及压差原理测量流速技术领域，更具体的说是涉及一种适用于压差原理测量流速的处理电路。

背景技术

压差原理测量流速装置如压差计程仪和压差流量计，被广泛用于舰船、潜艇测速，管路、渠道测量流量。现有的相关设备均采用单压差传感器设计，获取压差信号后再通过软件对其进行处理并解算速度信息，再将速度进行积分可求出航程、流量等信息。为测量高流速流体，需选取较大量程的压差传感器，但大量程压差传感器在测量低速情况下，存在分辨率低、精度差、零位不稳等问题。

因此，如何提供一种精度更高的适用于压差原理测量流速的处理电路是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于压差原理测量流速的处理电路，具有功耗低、精度高和实时性强等特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于压差原理测量流速的处理电路，包括：压差传感器、采样电路和主控电路；

其中，所述压差传感器包括：第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体；

所述第一量程压差传感器芯体和所述第二量程压差传感器芯体均与所述采样电路相连；所述采样电路与所述主控电路相连。

优选的，还包括：通信接口电路，所述通信接口电路与所述主控电路相连。

优选的，还包括：电源电路，所述电源电路分别与所述第一量程压差传感器芯体、所述第二量程压差传感器芯体、所述采样电路、所述主控电路和所述通信接口电路相连。

优选的，所述电源电路包括：直流24V供电电源、第一DC/DC模块N1、第二DC/DC模块N3和第三DC/DC模块N4；

直流24V供电电源与所述第一DC/DC模块N4相连，直流24V经过所述第一DC/DC模块N4产生直流5V；

所述第一DC/DC模块N4分别与所述第二DC/DC模块N3以及所述第三DC/DC模块N1相连，直流5V经过所述第二DC/DC模块N3产生2.5V直流电源，以及经过所述第三DC/DC模块N4产生3.3V电源；

其中，直流5V为所述采样电路供电，直流3.3V为所述主控电路和所述通信接口电路供电，直流2.5V为所述采样电路提供参考电压。

优选的，所述采样电路通过SPI接口与所述主控电路相连。

优选的，所述主控电路通过RS232串口与所述通信接口电路相连。

优选的，所述通信接口电路通过RS422串口与外部设备进行通信。

优选的，所述主控电路包括：STM32微处理器。

优选的，所述采样电路包括：AD7192芯片。

优选的，所述主控电路将所述第一量程传感器芯体和所述第二量程传感器芯体的标准信号分别进行AD转换，转换成电压数字信号，再将电压数字信号与内部基准电压进行对比，解算成两组速度信息，对第一量程传感器芯体速度进行对比判断，若速度大于第一分段值，则直接输出第一量程传感器芯体速度信息；若速度小于第二分段值，则输出第二量程传感器芯体速度信息；若速度处于第一分段值和第二分段值之间，则将两组速度信息进行融合后再输出，其中，所述第一分段值大于所述第二分段值。

其中，电压数字信号电压值大小与速度大小成一定比例关系。基准电压不会变化，已知电压数字信号的大小，即可求出速度大小。

自适应加权平均算法将两个传感器的速度V₁和V₂按比例加权后输出，得出最终速度V＝a*V₁+b*V₂，a和b为比例系数，该系数随着V₁和V₂的变化而变化，其大小根据外接安装环境及使用要求确定。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适用于压差原理测量流速的处理电路，采用了双通道、高精度、零延时信号采集电路设计，分别对第一量程和第二量程两路压差传感器信号进行采集、放大和转换等处理，配合速度融合算法求出速度信息，并通过通信接口电路发送至用户，解决了单通道、单压差传感器设计存在的分辨率低、精度差和零位不稳等问题，实现了相关设备流量、流速全量程高精度稳定测量；高精度速度融合算法采用了分段过渡融合模式，能够有效避免对速度直接融合输出造成的速度跳变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的适用于压差原理测量流速的处理电路的示意图；

图2为本发明提供的速度融合算法流程图；

图3为本发明提供的电源电路原理图；

图4为本发明提供的主控电路原理图；

图5为本发明提供的通信接口电路原理图；

图6为本发明提供的采样电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种适用于压差原理测量流速的处理电路，包括：压差传感器、采样电路和主控电路；

其中，压差传感器包括：第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体；压差传感器包含高、低量程两种规格，分别测量高、低流速产生的压力差，有效提升了微压灵敏度，配合主控电路内嵌的高精度速度融合算法，解决了单压差传感器满量程测速引起的零位漂移、低速精度差等问题。

第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体均与采样电路相连；采样电路与主控电路相连。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：通信接口电路，通信接口电路与主控电路相连。

为了进一步优化上述技术方案，还包括：电源电路，电源电路分别与第一量程压差传感器芯体、第二量程压差传感器芯体、采样电路、主控电路和通信接口电路相连。

电路之间连接关系请参考图1，电源电路产生3.3V、5V、24V电源，分别提供给各电路及压差传感器使用；压差传感器内集成有第一量程压差传感器芯体和第二量程压差传感器芯体，即集成有高、低量程两个压差传感器芯体，其能感受外部环境的压力变化，并将压力差转化成4～20mA标准信号发送至采样电路进行处理；采样电路将采集的4～20mA标准信号转化成电压数字信号并通过SPI接口送至主控电路进行处理；主控电路将采样电路送来的数字信号进行解算，得出速度信息，并将该信息通过RS422串口送至通信接口电路；通信接口电路采用RS422串口与外界用户进行通信，实现主控电路与外界用户的信息交互。

主控电路内速度解算的方法请参见图2，初始化后，将高、低量程传感器芯体的4～20mA标准信号分别进行AD转换，转换成电压数字信号，再将电压数字信号与内部基准电压进行对比，最终解算成两组速度信息，该两组速度信息分别对应高、低量程传感器芯体；对高量程传感器芯体速度进行对比判断，若速度大于第一分段值，例如6kn，则直接输出该速度信息；若速度小于第二分段值，例如5kn，则输出低量程传感器芯体速度信息；若速度处于第一分段值和第二分段值之间，例如：5～6kn之间，则将两组速度信息进行融合后再输出。该融合算法能够有效避免对速度直接融合输出造成的速度跳变，其速度融合分段值(5～6kn)可跟据实际情况进行适应性调整。

电源电路的具体实现方法请参见图3。本发明实施例提供的电源电路主要由三个DC/DC模块N1、N3、N4组成。直流24V供电电源，经DC/DC模块N4生直流5V，直流5V再经过N1和N3产生直流3.3V及2.5V电源。直流5V电源给采样电路供电，直流3.3V电源给主控电路及通信接口电路供电，直流2.5V电源给采样电路提供参考电压。二极管V3连接24V供电电源及N4的14引脚起保护作用，防止供电电源正负极接反。电容C2、C3、C21、C22、C23、C24、C30均起滤波作用。

主控电路基于STM32微处理器，该微处理器内部资源丰富，***器件较少，电路控制上更灵活，功耗低，可靠性高。芯片内嵌高精度速度融合算法，具有高精度速度解算能力，且具有功耗低、精度高、实时性强等特点，其实现方法参考图4；选用但不限于STM32F103RCT6微处理器U1，其引脚1通过单向二极管连接直流电源3.3V；U1引脚7经过电容C16接地；U1引脚12接地；U1引脚13经过电阻R6连接直流电源3.3V；U1引脚12及13之间的电容C14、C15为滤波电容；U1引脚18接地；U1引脚19连接直流电源3.3V再经电容C17接地；U1引脚21、22、23连接采样点路中N2芯片引脚3、23、24；U1引脚28经电阻R7接地；U1引脚31接地；U1引脚32连接直流电源3.3V再经电容C18接地；U1引脚41经电阻R8连接发光二极管V2再接地，发光二极管其指示U1是否正常工作及判断程序正常运行等作用；U1引脚C47接地；U1引脚42、43分别连接通信接口电路中芯片D1的引脚6、3；U1引脚60经电阻R8接地；U1引脚63接地；U1引脚C19连接直流电源3.3V，再经滤波电容C19接地。

通信接口电路实现方法参考图5：该电路采用串口芯片D1接收来自主控电路的速度信息，并向外发送出去。其中D1引脚3、6与主控电路的D1的引脚43、42连接，通过这两对引脚进行通信；D1的引脚11、12、13、14连接外界用户，可实现双向通信；D1引脚2、7连接直流3.3V电源，给D1供电。电容C25、C26、C27、C28、C29、C7、C8、C9均为滤波电容。

采样电路采用了AD7192采样芯片，内置24位Σ-Δ型高精度低噪声数模转换器，且能够同时采集两路差分信号，该采样电路具备零延迟特性，提升了信号采集实时性，其实现方法参考图6：采样电路中N2芯片型号为AD7192但不限于该型号，N2引脚11、14分别连接高、低量程压差传感器，其位置可互换，起采集压差传感器电流信号的作用；N2芯片引脚3、23、24分别连接主控电路中的U1的引脚21、22、23，N2将采集的电流信号转换成电压信号后通过这3对引脚传输至主控电路中的U1进行处理；N2引脚20、21分别连接直流5V、3.3V电源，给N2供电；N2引脚15连接直流2.5V电压，为N2提供参考电压；电阻R1、R2为高精度低温漂电阻，将压差传感器的电流信号转换成电压信号。电容C1、C4、C5、C6为滤波电容。

本发明提供的适用于压差原理测量流速的处理电路分别对第一量程和第二量程两路压差传感器信号进行采集、放大和转换等处理，配合速度融合算法求出速度信息，并通过通信接口电路发送至用户，解决了单通道、单压差传感器设计存在的分辨率低、精度差、零位不稳等问题，实现了相关设备流量、流速全量程高精度稳定测量；高精度速度融合算法采用了分段过渡融合模式，能够有效避免对速度直接融合输出造成的速度跳变。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。