電子溫壓補償式渦輪流量計設(shè)計
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卞秀輝1，蘆 磊2
（1．遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東118009；2．哈曼（中國）科技有限公司，遼寧丹東1 18009）
摘要：傳統(tǒng)的機械式渦輪流量計難以滿足氣體標況體積計量的要求，因此，為實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場流量測量的準確性、科學(xué)性而設(shè)計了電子溫壓補償式渦輪流量計。該流量計采用低功耗的控制器、高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)流量、溫度和壓力信號的采集以及對工況流量的溫壓補償，合理化的軟件設(shè)計提高了流量測量的實時性和準確度。
關(guān)鍵詞：渦輪流量計；溫壓補償；單片機；韋根傳感器
中圖分類號：TH814 文章編號：1006 - 2394( 2016) 05 - 0015 - 04
0 引言
氣體渦輪流量計是一種速度式流量計，它具有壓力損失小、精度高、始動流量低，量程比大、抗震與抗脈動流性能好等特點，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、工業(yè)鍋爐、燃氣調(diào)壓站、天然氣輸配氣管網(wǎng)、城市天然氣等領(lǐng)域。普通的渦輪流量計只計量氣體的工況體積流量，目前世界范圍內(nèi)管輸天然氣的貿(mào)易結(jié)算大都以標準狀態(tài)下的體積量為準，于是本著小型化、智能化的原則，本文設(shè)計了集流量、溫度、壓力信號采集和溫壓補償于一體的電子溫壓補償式渦輪流量計。該渦輪流量計采用了TI公司的MSP430低功耗單片機為核心控制器，完成對流量信號、溫度信號和壓力信號的實時采集，利用PVT狀態(tài)方程將測量的工作狀態(tài)下的氣體體積流量轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)下的氣體體積流量，同時對儀表系數(shù)進行分段修正，進一步提高了儀表的測量精度，此外該流量計還具有實時時鐘、參數(shù)設(shè)置、模擬信號輸出、數(shù)字信號輸出和遠程通信等功能，通過實際應(yīng)用，獲得了理想的效果。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電子溫壓補償式渦輪流量計的設(shè)計主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩個方面。硬件系統(tǒng)設(shè)計包括單片機接口電路和外圍功能模塊的設(shè)計，其中核心控制模塊為MSP430單片機，外圍功能模塊包括低功耗流量脈沖信號采集、溫壓信號采集、實時時鐘、模擬信號輸出、數(shù)字信號輸出、鍵盤和顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
軟件系統(tǒng)設(shè)計包括流量信號的采集計算、溫壓信號采集處理、壓縮因子的計算、信號的遠傳輸出、數(shù)據(jù)的存儲以及顯示、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。
2硬件設(shè)計
2.1 流量信號采集
流量信號采集采用韋根傳感器，它無需外加工作電源便能將磁信號轉(zhuǎn)化成電信號，因此它又稱為零功耗磁敏傳感器。采用磁極觸發(fā)工作方式，觸發(fā)磁場極性變化一次，韋根傳感器同步輸出一對正負脈沖信號，幅值大于1 V。韋根傳感器無觸點、耐腐蝕、防潮濕，使用壽命長，頻率檢測范圍為0~ 20 kHz，作為計數(shù)傳感器，非常適用于微功耗智能型流量儀表，如電子水表、電子熱量表、電子煤氣表、電子油表等。韋根傳感器信號經(jīng)過整形電路處理后接入單片機，信號整形處理電路如圖2所示，V01端平時輸出高電平3V，當韋根傳感器輸出正向信號時，三極管Q11導(dǎo)通，這時V01端輸出低脈沖信號；V02端平時為低電平，當韋根傳感器輸出反向信號時，三極管Q12導(dǎo)通，這時V02端輸出3V脈沖信號。該處理電路可有效消除信號雜波，同時將韋根傳感器輸出正弦信號轉(zhuǎn)換成幅值為3V單片機可以識別的脈沖信號，電路兩輸出端V01、V02依次輸出一對幅值為3V的高低電平相反的方波，單片機采集方波信號，只有采集到一對高低電平時，流量計數(shù)增加1。
2.2溫壓采集模塊
氣體的體積受溫度、壓力等環(huán)境因素影響很大，因此，實時準確地測量當前氣體的溫度和壓力是儀表設(shè)計的關(guān)鍵。這里采用AD7705高精度A/D轉(zhuǎn)換器，能將從傳感器接收到的微弱的輸入信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，片內(nèi)自帶可編程增益放大器，而無需外接儀表放大器，節(jié)省了成本、縮小了體積、減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性。與單片機的連接采用三線的串行接口，增益值、信號極性以及更新速率的選擇可通過編程通過串行輸人口由單片機進行配置。AD7705為雙通道全差分模擬輸入，分別連接壓力傳感器輸出電路和溫度傳感器輸出電路。壓力傳感器采用恒流源供電的壓阻式壓力傳感器，精度高、穩(wěn)定性好、頻率響應(yīng)范圍寬；溫度測量采用鉑電阻溫度傳感器，利用惠斯通電橋法產(chǎn)生差分的電壓信號送人AD7705。AD7705應(yīng)用電路圖如圖3所示。
實時時鐘是整個系統(tǒng)的時間基礎(chǔ)，系統(tǒng)上電后要自動讀取實時時鐘的信息，確定當前系統(tǒng)時間，因此時鐘芯片要一直處于上電工作狀態(tài)。這里采用備用電池的方式，系統(tǒng)工作時，由系統(tǒng)提供給時鐘芯片電源，當系統(tǒng)掉電后，備用電池工作保證時鐘正常運行。實時時鐘采用S35390芯片來實現(xiàn)，它工作電流小、工作電壓范圍寬，采用I2C串行通信方式與單片機進行通信，數(shù)據(jù)輸入輸出引腳SDA和時鐘引腳SCL要連接上拉電阻才能保證正常的通信。S35390有兩個中斷輸出端INT1和INT2，用戶可以對芯片相應(yīng)的寄存器進行設(shè)置，在具體時間自動產(chǎn)生中斷信號。時鐘模塊電路如圖4所示。
2.4模擬信號輸出
信號傳輸時，導(dǎo)線上存在一定的電阻，如果用電壓傳輸則會在導(dǎo)線上產(chǎn)生一定的壓降，那么接收端的信號就會產(chǎn)生一定的誤差，因此使用4~ 20 m A的電流信號作為模擬信號的輸出供二次儀表使用。4～20 m A電流的實現(xiàn)采用D/A集成轉(zhuǎn)換芯片AD421，兩線制輸出電流，外接電源與負載串聯(lián)。4~ 20 m A電流輸出電路如圖5所示，為了穩(wěn)定電壓調(diào)整器的工作，在VCC與COM端之間應(yīng)接一只電源退耦電容，并且在COMP、DRIVE端之間接0.01 μF的電容，還要在DRIVE、COM端之間并聯(lián)上1kΩ電阻和1 000 pF電容。若將AD421內(nèi)部2.5 V基準源(REFOUI2端)直接作為REF IN端的輸入基準電壓，則應(yīng)在REF IN端與地之間接4.7μF退耦電容。三個外部濾波電容分別為C1、C2和C3，而濾波電阻已集成到芯片中。通常取C1= C2 =0. 01 μF，C3 =0.003 3μF。C1～C3應(yīng)選用介質(zhì)損耗系數(shù)很低的電容器。
2.5數(shù)字信號輸出
儀表輸出的數(shù)字信號包括與流量成正比的頻率信號或每個脈沖代表一定體積量的定標信號，數(shù)字信號的產(chǎn)生利用單片機的定時器以及脈寬調(diào)制輸出通過軟件編程來實現(xiàn)。
2.6通信模塊
通信采用了RS-485的通信方式，通過RS-485通信，用戶可以查詢儀表內(nèi)歷史數(shù)據(jù)包括流量、總量、溫度、壓力等信息，對儀表內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置，對儀表當前的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。
3軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計在整個系統(tǒng)設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，該系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了前后臺的控制方式，將各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，每個模塊設(shè)計成獨立的函數(shù)，便于維護管理和連接。程序運行實現(xiàn)標志化，各功能模塊程序的運行盡量通過標志位來控制，整個控制和任務(wù)的分配由主程序和中斷服務(wù)程序來完成，這樣既增強了程序的可讀性，又方便系統(tǒng)的維護和升級。
系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電復(fù)位后先執(zhí)行初始化程序，初始化程序包括讀取存儲器中的系統(tǒng)初始值以及各外圍功能模塊的初始化，之后進入主程序，主程序?qū)嶋H上是個死循環(huán)，依次判斷功能模塊的標志位，當標志位有效時，執(zhí)行對應(yīng)的功能模塊程序，如果標志位無效，則跳過向下執(zhí)行，程序執(zhí)行到最后進入低功耗模式。MSP430單片機有三種低功耗模式，系統(tǒng)處于低功耗模式時有中斷發(fā)生，程序自動從低功耗狀態(tài)中喚醒，繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行。各功能模塊的標志位在中斷服務(wù)子程序中對其進行操作。
4結(jié)束語
本文設(shè)計的電子溫壓補償式渦輪流量計可精確地測量氣體的流量、溫度和壓力信號，將工作狀態(tài)下的氣體體積轉(zhuǎn)換成標準狀態(tài)下的氣體體積，同時也能保證高精度的脈沖輸出和模擬信號輸出。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡潔，微處理和外圍功能模塊既具有高精度的性能，又符合低功耗的特點；軟件模塊化編程設(shè)計更有利于以后的維護與管理。實際表明，該電子溫壓補償式渦輪流量計功能齊全、性能優(yōu)越，具有很好地推廣應(yīng)用價值。
