具有压降速率检测的低功耗压力变送器的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种具有压降速率检测的低功耗压力变送器。该专利由特福隆（上海）科技有限公司申请，并于2016年10月5日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种压力变送器，具体是指一种具有压降速率检测的低功耗压力变送器，应用于气液联动执行器破管保护电子单元。

发明背景

气液联动执行器是一种安装在天然气输气管线上的阀门驱动装置，其工作原理是通过天然气管线中的天然气作为动力源驱动阀门。破管保护电子单元为气液联动执行器的一个附件，其作用是实时监测天然气管线的压力和压降速率，如果天然气管线出现异常，压力或压降速率超过设定值，则破管保护电子单元发出电信号，驱动气液联动执行器打开或关闭阀门，保护管线。因此，破管保护电子单元的可靠性直接影响输气管道的安全，提升破管保护电子单元的可靠性成为各个执行器厂家关注的重点。而压力变送器是破管保护电子单元的信号传递的重要环节，其作用是将压力传感器输出的mV信号转换成较高的电流信号（4~20mA）、电压信号（0~10V）或现场总线信号（ModBus、Profibus等）传输给远方用户。

但传统的压力变送器在气液联动执行器破管保护电子单元上的应用上却出现了很大的缺点，其表现在：功耗较高，普通压力变送器为了实现传输距离远的目的通常采用24VDC工作电压，无论是电流信号、电压信号或现场总线信号，其工作电流均在十几毫安到一百毫安之间及功耗为0 .2W到2W。而破管保护电子单元大多为电池供电，要求破管保护电子单元的功耗尽量低。因此，普通压力变送器很难达到低功耗的要求；无压降速率计算，普通压力变送器通常只变送压力数据。而破管保护电子单元为了检测天然气管线是否正常，不仅需要压力数据，而且也需要压降速率数据。通常的做法是破管保护电子单元接收压力变送器的数据，然后通过破管保护电子单元内部的CPU计算压降速率。

该模式的缺点在于，电子单元CPU的数据处理负担较重，很难处理多组压力变送器的数据，因此电子单元基本采用单压力传感器模式。此外，压力变送器数据转换和传输的时间不确定，压降速率的精度很难保证。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种带有具有压降速率检测的低功耗压力变送器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下模块：电源模块，用于给变送器工作提供电力；中央处理器，该中央处理器上集成设置有模数变换器和通用异步接收/发送装置；RS485通讯模块，该RS485通讯模块与中央处理器的通用异步接收/发送装置相互通信连接；所述的模数变换器用于接收压力传感器的mV信号并将其转换成压力数字信号提供给中央处理器，中央处理器根据压力数字信号得出压力值并计算出压降速率值，并通过通用异步接收/发送装置传输给RS485通讯模块输出。压降速率的计算是通过ΔP/t来确定的，其中ΔP为压力的变化值，t为变化时间。

进一步的，所述的中央处理器为超低功耗的嵌入式中央处理器，并设置用于记录采样周期指令的FLASH存储器，所述的电源模块上设置用于给压力传感器供电的第一电源输出线路、以及用于给RS485通讯模块供电的第二电源输出线路、以及用于给中央处理器供电的第三电源输出线路，所述的中央处理器内设置有周期计时器，该中央处理器根据FLASH存储器的采样周期指令以及周期计时器输出用于控制电源模块工作的低功耗控制信号。

本发明的优点在于超低功耗及 压力变送器可计算压降速率。

由于在破管保护电子单元中压力变送器的位置靠近电子单元控制器，其传输距离不超过50m，因此，压力变送器的工作电压可采用5VDC。为了减少数据传输过程中的电流，压力变送器采用3 .3V的RS485通信模式。由于破管保护电子单元并不需要实时传输数据，因此，压力变送器可根据用户需要定时采集压力数据，而在非工作时间内，采用低功耗休眠模式降低能耗损失。因此，可将压力传感器数据采集时的功耗降低到15mW，而在低功耗休眠模式下，压力变送器的功耗为2mW，基本不消耗电能。

由于破管保护电子单元需要通过天然气管道的压降速率值来保护管道，而普通压力变送器无法输出压降速率值。为了解决这个问题。我们将压降速率的计算移到了变送器端。这样传感器采集的压力可立即通过压力变送器计算出压降速率，这样可大大提高压降速率的计算精度。而且，每个变送器都可以通过自己的CPU计算压降速率，不常用电子单元的CPU资源，这样就为一个电子单元控制器采集多组压力变送器数据提供了可能。可方便的组成压力变送器网路。

终上所述，本发明的优点是本发明的压力变送器不仅可以变送压力值，还可以变送压降速率值，这样不仅提升压降速率的精度，减轻破管保护电子单元的计算压力。而且，还为破管保护电子单元采集多组压力和压降速率值提供了可能，因为，如果采集多组压力和压降速率值提高破管保护电子单元的稳定性的同时还存在2个重大问题：多只传感器和变送器的功耗会大大增加，这对于靠电池供电的破管保护电子单元是不允许的； 如果将多只压力传感器的数据放到电子单元内计算压降速率，电子单元的计算量会大大增加，而且在变送器数据的传输过程中还会出现数据的损失和时间的不确定性。因此使其可靠性得不到保证。

本发明的压力变送器为高稳定性的破管保护电子单元（需要采集多组压力和压降速率值）提供了可能。