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溫壓補償氣體渦輪流量計



 在物資量計量領域中,流體流量的檢測與控制是各行各業加強物料管理、能源管理,進行物資交接、財務結算,經濟核算,效益分析與評價及至決策的重要依據;也是企業監控生產過程,使其保護優質、高效、安全、平穩運行和改善環境的重要手段。氣體渦輪流量計是一種速度式儀表,它具有壓力損失小、精確度高、始動流量低、抗振與抗脈動流性能好等特點。 目前國內所生產的渦輪流量計產品大多只有簡單的計數顯示器,客戶無法直接從管路中氣體流動狀況了解流量計實際運行情況。
 本文介紹了一種帶溫度壓力補償的氣體渦輪流量計的設計,通過溫壓補償,把工況的流量轉換成標準狀況的流量, 同時本裝置采用了低功耗的單片機以及液晶顯示等, 大大延長了電池的使用壽命。

 溫壓補償氣體渦輪流量計
1、系統概述:
1.1、系統組成:

 氣體渦輪流量計由霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、MSP430F149 單片機、 液晶顯示電路、存儲電路和軟件組成。 系統框架圖如圖 1 所示,其中單片機為氣體渦輪流量計的核心,本系統采用 TI 的 MSP430F149 單片機,其最突出的優點是超低功耗,能有效延長供電電池的使用壽命1。 氣體渦輪流量計的渦輪旋轉一周霍爾傳感器產生一個電脈沖信號,經過信號處理電路輸入單片機,溫度和壓力傳感器采集的信號經信號處理電路同樣輸入單片機,單片機進行運算處理 所得的流速和流量數據采用2   總線存儲到 2 存儲器中并顯示在液晶顯I C E PROM 示器上
	圖 1	系統框架圖
  圖 1 系統框架圖    

系統軟件包括系統初始化模塊 信號檢測模塊 數據處理模塊 液晶顯示模塊 數據存儲模塊以及定時中斷服務模塊等
 
1.2、系統工作原理:
  該設計能實時將氣體流速準確地顯示出來 同, 時計算并顯示累計流量 氣體流過渦輪流量計推動渦輪旋轉 渦輪每旋轉一次 霍爾傳感器輸出一個,電脈沖 電脈沖信號經處理電路輸入單片機,由單片機計算出流速 而此時的流速為工況 非標準狀, 下的流速 由于氣體密度受氣體溫度和壓力影響 不同的溫度和壓力環境下所測氣體體積會有差別 所以必須轉化成標準狀況 (20 ,0.1013MPa 或者 0 ,0.1013MPa) 下的氣體流速 此過程是由單片機參考溫度和壓力傳感器所測的溫度和壓力值通過計算所實現的,同時每秒鐘進行一次流量積累計算從而得出累計流量[2]。 將單片機計算得出的標況下的流速和流量存儲到串口數據存儲器,并將流速實時顯示在串口液晶顯示模塊上。
 
2、系統硬件設計:
2.1、單片機的選擇:
 單片機為本系統的核心,因此選擇合適的單片機至關重要, 考慮到流量計系統低能耗方面的要求, 本系統采用 TI 公司的 MSP430F149 單片機,它是一款專門為低功耗而設計的高性能 16 位單片機, 系統中有一種活動模式 AM 和 5 種低功耗模式LPM0~LPM4, 根據系統運行時使用的功能模塊不同,采用不同的工作模式,它支持多種中斷源,用中斷請求將 CPU 喚醒只需要 6μs。 通過對單片機編程可有效降低系統的功耗。 MSP430F149 單片機結合了 TI 的高性能模擬技術 含有豐富的片內外設 包, 看門狗 (WDT), 定時器 A(Timer-A), 定時器 B(Timer-B), 模擬比較器 A, 硬件乘法器 ,12 ADC,串口 0,1(USART0,1), 直接數字存取 (DMA), 基本定時器(Basic Timer)等。 如此豐富的片內外設為系
 
統的單片解決方案提供了極大方便。
 
2.2 溫度、壓力傳感器的選擇
 
溫度和壓力傳感器選擇的原則是:在保證精度的前提下,最大限度降低功耗。 本系統采用壓力傳感器芯片 MS5535B,它是一個集成度高,功能強大的集成芯片,由一個硅壓阻傳感器和一個集成傳感器接口電路組成,測壓范圍為(0~14)bar,供電電壓2.2V~3.6V, 工作溫度 (-40~125)℃ , 具有低供電電壓、 低功耗的特點。 溫度傳感器選用 TI 公司的TMP102 低功耗數字傳感芯片, 在-25 ~+85 的量程內精度為 0.5 ,要求輸入電壓為 1.4V~3.6V,測量信號由雙線串行接口輸出,它有很低的工作電流,工作狀態供電電流為 10μA,休眠模式下電流為 1μA,完全符合本設計低功耗的要求。
溫壓補償氣體渦輪流量計
2.3、存儲電路和液晶顯示電路:
  本設計中將所計算出的流速、流量等數據存儲在存儲器中, 采用 I2C 總線的 E2PROM 存儲器24C16,24C16 是串行的 E2PROM 存儲器, 存儲容量達到 16K,SCL 為時鐘線,SDA 為數據線, 原理圖如圖 2 所示, 其中 SCL2 接單片機 P4.6,SDA2 接單片機 P4.5[3-4]。
圖 2	24C16 E2PROM 存儲器原理圖
圖 2 24C16 E2PROM 存儲器原理圖
  為了達到低功耗的要求, 本設計選用 HT1620存儲器映射的多功能 LCD 驅動器,其操作電壓為 2.4V~3.3V,3V 時操作電流小于 3μA, 低操作電流有效地降低了液晶模塊的功耗, 其顯示段數為 128 (32×4), 內部集成有 LCD 控制器 ,LCD 驅動器和RAM。 單片機和 HT1620 的連線如圖 3 所示, 其中P2.3 連接 HT1620 的片選端,P2.0 連接數據線,P2.1和 P2.2 分別連接讀寫控制線。

圖 3	單片機與液晶顯示模塊連線圖

圖 3 單片機與液晶顯示模塊連線圖

3、系統軟件設計:
3.1、數據處理過程:

 此系統的應用程序主要由主程序和中斷處理程序組成。 其中主程序和中斷處理程序分別由多個子程序構成。 主程序主要包括: 系統初始化程序, LED 顯示子程序等。 中斷處理程序主要包括:流量檢測子程序,溫度壓力檢測子程序,按鍵輸入子程序,流量補償算法子程序等。 流量計初次上電時系統初始化,顯示歷史流量數據、當前的時間、壓力、溫度和電池電量。 在無操作的情況下延時一段時間后 LCD 自動關閉顯示,進入低功耗模式 3(LPM3)狀態。 當系統發生中斷事件時,CPU 從低功耗的模式中被喚醒,并判斷是何種中斷事件,進而進入中斷處理程序。
 
3.2、程序軟件框圖:
 系統上電開機后首先進入初始化模塊,然后進入低功耗模式 3(LPM3)狀態并判斷有無中斷,若無中斷,系統自動返回;如有中斷,單片機運行中斷處理程序,進行相應處理,中斷操作進行完之后再一次進入低功耗模式 3,進而等待下一次終端操作。 程序流程圖如圖 4 所示。
圖 4	系統程序流程圖
圖 4 系統程序流程圖
 
4、實驗和數據分析:
 經過試驗,本流量計的精度能保持在流量為 0.2Qmax(含 0.2Qmax)~Qmax(Qmax 為最大流量 )時精度為±1.0%R(R 為流量),Qmin~0.2Qmax(Qmin 為最小流量)時精度為±1.5%R,重復性小于等于基本誤差的 1/3,各項指標基本滿足技術任務書的要求。

  溫壓補償型氣體渦輪流量計的工作原理:
 
  傳感器內的渦輪在流體作用下產生旋轉,使信號檢測器的磁場產生變化,因此在信號檢測器的線圈中感應出交變電壓,在經過放大器放大、濾波、整形輸出方波信號。此信號電壓的頻率與葉輪的轉速成正比,即與流體的流量(流速)成正比。
 
  溫壓補償型氣體渦輪流量計的應用:
 
  溫壓補償型氣體渦輪流量計的應用是80年代興起的一種測量技術,其優點在于量程范圍寬、維護簡單、介質適應性強等。目前,它在蒸汽和其它氣體測量中逐步取代其它類型的流量計,得到廣泛應用。hart協議是美于80年代提出的一種用于現場智能儀表和控制室設備通訊的協議,它具有兼容4~20ma模擬信號與數字通信的性質。溫壓補償型氣體渦輪流量計是在現有渦輪流量計的基礎上,加入溫度和壓力參數的測量,并將hart通訊協議引入流量計中,設計出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有hart協議的溫壓補償型氣體渦輪流量計。經研究表明,這種渦輪流量計不僅具有溫壓補償功能,而且實現了與上位機的遠程操作,具有廣闊的發展前景。
溫壓補償氣體渦輪流量計
  溫壓補償型氣體渦輪流量計特點:
 
  優質合金渦輪,具有更高的穩流和耐腐蝕作用進口優質專用軸承,使用壽命長計量室與通氣室隔絕,保證了儀表的行流安全性溫壓補償型氣體渦輪流量計可檢測被測氣體的溫度、壓力和流量,能進量自動跟蹤補償,并顯示標準狀態下(pb=101.325kpa,tb=293.15k)的氣體體積累積量;可實時查詢溫度壓力數值流量范圍寬(qmax/qmin≥20:1),重復性好,精度高(可達1.0級),壓力損失小,始動流量低,可達0.6m3/h智能化儀表系數多點非線性修正。
 
  內置式壓力、溫度傳感器,安全性能高、結構緊湊、外形美觀溫壓補償型氣體渦輪流量計具有防爆及防護功能,防爆標志為exiaⅱct6gb, 防護等級為ip65系統低功耗工作,一節3.0v10ah鋰電池可連續使用3年以上儀表系數、累計流量值掉電十年不丟。
 
  溫壓補償型氣體渦輪流量計不僅具有普通儀表的量程、零點、單位轉換等功能外,而且完全符合hart協議的要求,可與上二位機進行遠程操作, 由上位機遠程讀取瞬時流量、累積流量等參數,或對量程、零點、單位等進行設置,便于實時監控。同時,由于引入了溫度、壓力信號的補償。溫壓補償型氣體渦輪流量計的測量精度大為提高。因此,這種帶有hart協議的溫壓補償型氣體渦輪流量計在國內必將具有良好的發展前景。
 
5、結語:
 本文介紹了基于 MSP430 單片機的氣體渦輪流量計的設計方法,由于該方案從硬件、軟件兩方面進行低功耗的設計,因而系統功耗顯著降低,有效延長了供電電池的使用壽命。


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