傳統(tǒng)的機(jī)械式渦輪流量計(jì)難以滿足氣體標(biāo)況體積計(jì)量的要求，因此，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量的準(zhǔn)確性、科學(xué)性而設(shè)計(jì)了電子溫壓補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)。該流量計(jì)采用低功耗的控制器、高精度的 A / D 轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)流量、溫度和壓力信號(hào)的采集以及對(duì)工況流量的溫壓補(bǔ)償，合理化的軟件設(shè)計(jì)提高了流量測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度。

0.引言

氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，它具有壓力損失小、精度高、始動(dòng)流量低，量程比大、抗震與抗脈動(dòng)流性能好等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、工業(yè)鍋爐、燃?xì)庹{(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(jì)只計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積量為準(zhǔn)，于是本著小型化、智能化的原則，本文設(shè)計(jì)了集流量、溫度、壓力信號(hào)采集和溫壓補(bǔ)償于一體的電子溫壓補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)。該渦輪流量計(jì)采用了 TI 公司的 MSP430 低功耗單片機(jī)為核心控制器，完成對(duì)流量信號(hào)、溫度信號(hào)和壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，利用 PVT 狀態(tài)方程將測(cè)量的工作狀態(tài)下的氣體體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積流量，同時(shí)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行分段修正，進(jìn)一步提高了儀表的測(cè)量精度，此外該流量計(jì)還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、參數(shù)設(shè)置、模擬信號(hào)輸出、數(shù)字信號(hào)輸出和遠(yuǎn)程通信等功能，通過實(shí)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(bǔ)償式渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括單片機(jī)接口電路和外圍功能模塊的設(shè)計(jì) 其中核心控制模塊為 MSP430 單片機(jī)，外圍功能模塊包括低功耗流量脈沖信號(hào)采集、溫壓信號(hào)采集、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、模擬信號(hào)輸出、數(shù)字信號(hào)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(jì)包括流量信號(hào)的采集計(jì)算、溫壓信號(hào)采集處理、壓縮因子的計(jì)算、信號(hào)的遠(yuǎn)傳輸出、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及顯示、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。

2.硬件設(shè)計(jì)

2． 1 流量信號(hào)采集

流量信號(hào)采集采用韋根傳感器，它無(wú)需外加工作電源便能將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，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(chǎng)極性變化一次，韋根傳感器同步輸出一對(duì)正負(fù)脈沖信號(hào)，幅值大于 1 V。韋根傳感器無(wú)觸點(diǎn)、耐腐蝕、防潮濕，使用壽命長(zhǎng)，頻率檢測(cè)范圍為 0 ～ 20 kHz，作為計(jì)數(shù)傳感器，非常適用于微功耗智能型流量?jī)x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(hào)經(jīng)過整形電路處理后接入單片機(jī)，信號(hào)整形處理電路如圖 2 所示，VO1 端平時(shí)輸出高電平 3 V，當(dāng)韋根傳感器輸出正向信號(hào)時(shí)，三極管 Q11 導(dǎo)通，這時(shí)VO1 端輸出低脈沖信號(hào); VO2 端平時(shí)為低電平，當(dāng)韋根傳感器輸出反向信號(hào)時(shí)，三極管 Q12 導(dǎo)通，這時(shí)VO2 端輸出 3 V 脈沖信號(hào)。該處理電路可有效消除信號(hào)雜波，同時(shí)將韋根傳感器輸出正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值為 3 V 單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，電路兩輸出端VO1、VO2 依次輸出一對(duì)幅值為 3 V 的高低電平相反的方波，單片機(jī)采集方波信號(hào)，只有采集到一對(duì)高低電平時(shí)，流量計(jì)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量當(dāng)前氣體的溫度和壓力是儀表設(shè)計(jì)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(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，片內(nèi)自帶可編程增益放大器，而無(wú)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(jī)的連接采用三線的串行接口，增益值、信號(hào)極性以及更新速率的選擇可通過編程通過串行輸入口由單片機(jī)進(jìn)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(cè)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(hào)送入 AD7705。AD7705 應(yīng)用電路圖如圖 3 所示。

2． 3 時(shí)鐘模塊

實(shí)時(shí)時(shí)鐘是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基礎(chǔ)，系統(tǒng)上電后要自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的信息，確定當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，因此時(shí)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(shí)，由系統(tǒng)提供給時(shí)鐘芯片電源，當(dāng)系統(tǒng)掉電后，備用電池工作保證時(shí)鐘正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用 S35390 芯片來實(shí)現(xiàn)，它工作電流小、工作電壓范圍寬，采用 I2 C 串行通信方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 SDA 和時(shí)鐘引腳 SCL 要連接上拉電阻才能保證正常的通信。S35390 有兩個(gè)中斷輸出端 INT1 和INT2，用戶可以對(duì)芯片相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置，在具體時(shí)間自動(dòng)產(chǎn)生中斷信號(hào)。時(shí)鐘模塊電路如圖 4 所示.

2． 4 模擬信號(hào)輸出

信號(hào)傳輸時(shí)，導(dǎo)線上存在一定的電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生一定的壓降，那么接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此使用 4 ～ 20 mA 的電流信號(hào)作為模擬信號(hào)的輸出供二次儀表使用。4 ～20 mA 電流的實(shí)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(fù)載串聯(lián)。4 ～ 20 mA 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 1 kΩ 電阻和1 000 pF 電容。若將 AD421 內(nèi)部 2． 5 V 基準(zhǔn)源 ( ＲEF OUT2 端) 直接作為 ＲEF IN 端的輸入基準(zhǔn)電壓，則應(yīng)在ＲEF IN 端與地之間接 4． 7 μF 退耦電容。三個(gè)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 3 μF。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(hào)輸出

儀表輸出的數(shù)字信號(hào)包括與流量成正比的頻率信號(hào)或每個(gè)脈沖代表一定體積量的定標(biāo)信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生利用單片機(jī)的定時(shí)器以及脈寬調(diào)制輸出通過軟件編程來實(shí)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(duì)儀表內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)儀表當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了前后臺(tái)的控制方式，將各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)成獨(dú)立的函數(shù)，便于維護(hù)管理和連接。程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化，各功能模塊程序的運(yùn)行盡量通過標(biāo)志位來控制，整個(gè)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(qiáng)了程序的可讀性，又方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

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(chǔ)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(jìn)入主程序，主程序?qū)嶋H上是個(gè)死循環(huán)，依次判斷功能模塊的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能模塊程序，如果標(biāo)志位無(wú)效，則跳過向下執(zhí)行，程序執(zhí)行到***后進(jìn)入低功耗模式。MSP430 單片機(jī)有三種低功耗模式，系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)有中斷發(fā)生，程序自動(dòng)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(biāo)志位在中斷服務(wù)子程序中對(duì)其進(jìn)行操作。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電子溫壓補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)可地測(cè)量氣體的流量、溫度和壓力信號(hào)，將工作狀態(tài)下的氣體體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積，同時(shí)也能保證高精度的脈沖輸出和模擬信號(hào)輸出。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn); 軟件模塊化編程設(shè)計(jì)更有利于以后的維護(hù)與管理。實(shí)際表明，該電子溫壓補(bǔ)償式渦輪流量計(jì)功能齊全、性能優(yōu)越，具有很好地推廣應(yīng)用價(jià)值。