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温压补偿气体涡轮流量计



 在物资量计量领域中,流体流量的检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理,进行物资交接、财务结算,经济核算,效益分析与评价及至决策的重要依据;也是企业监控生产过程,使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。气体涡轮流量计是一种速度式仪表,它具有压力损失小、精确度高、始动流量低、抗振与抗脉动流性能好等特点。 目前国内所生产的涡轮流量计产品大多只有简单的计数显示器,客户无法直接从管路中气体流动状况了解流量计实际运行情况。
 本文介绍了一种带温度压力补偿的气体涡轮流量计的设计,通过温压补偿,把工况的流量转换成标准状况的流量, 同时本装置采用了低功耗的单片机以及液晶显示等, 大大延长了电池的使用寿命。

 温压补偿气体涡轮流量计
1、系统概述:
1.1、系统组成:

 气体涡轮流量计由霍尔传感器、温度传感器、压力传感器、MSP430F149 单片机、 液晶显示电路、存储电路和软件组成。 系统框架图如图 1 所示,其中单片机为气体涡轮流量计的核心,本系统采用 TI 的 MSP430F149 单片机,其最突出的优点是超低功耗,能有效延长供电电池的使用寿命1。 气体涡轮流量计的涡轮旋转一周霍尔传感器产生一个电脉冲信号,经过信号处理电路输入单片机,温度和压力传感器采集的信号经信号处理电路同样输入单片机,单片机进行运算处理 所得的流速和流量数据采用2   总线存储到 2 存储器中并显示在液晶显I C E PROM 示器上
	图 1	系统框架图
  图 1 系统框架图    

系统软件包括系统初始化模块 信号检测模块 数据处理模块 液晶显示模块 数据存储模块以及定时中断服务模块等
 
1.2、系统工作原理:
  该设计能实时将气体流速准确地显示出来 同, 时计算并显示累计流量 气体流过涡轮流量计推动涡轮旋转 涡轮每旋转一次 霍尔传感器输出一个,电脉冲 电脉冲信号经处理电路输入单片机,由单片机计算出流速 而此时的流速为工况 非标准状, 下的流速 由于气体密度受气体温度和压力影响 不同的温度和压力环境下所测气体体积会有差别 所以必须转化成标准状况 (20 ,0.1013MPa 或者 0 ,0.1013MPa) 下的气体流速 此过程是由单片机参考温度和压力传感器所测的温度和压力值通过计算所实现的,同时每秒钟进行一次流量积累计算从而得出累计流量[2]。 将单片机计算得出的标况下的流速和流量存储到串口数据存储器,并将流速实时显示在串口液晶显示模块上。
 
2、系统硬件设计:
2.1、单片机的选择:
 单片机为本系统的核心,因此选择合适的单片机至关重要, 考虑到流量计系统低能耗方面的要求, 本系统采用 TI 公司的 MSP430F149 单片机,它是一款专门为低功耗而设计的高性能 16 位单片机, 系统中有一种活动模式 AM 和 5 种低功耗模式LPM0~LPM4, 根据系统运行时使用的功能模块不同,采用不同的工作模式,它支持多种中断源,用中断请求将 CPU 唤醒只需要 6μs。 通过对单片机编程可有效降低系统的功耗。 MSP430F149 单片机结合了 TI 的高性能模拟技术 含有丰富的片内外设 包, 看门狗 (WDT), 定时器 A(Timer-A), 定时器 B(Timer-B), 模拟比较器 A, 硬件乘法器 ,12 ADC,串口 0,1(USART0,1), 直接数字存取 (DMA), 基本定时器(Basic Timer)等。 如此丰富的片内外设为系
 
统的单片解决方案提供了极大方便。
 
2.2 温度、压力传感器的选择
 
温度和压力传感器选择的原则是:在保证精度的前提下,最大限度降低功耗。 本系统采用压力传感器芯片 MS5535B,它是一个集成度高,功能强大的集成芯片,由一个硅压阻传感器和一个集成传感器接口电路组成,测压范围为(0~14)bar,供电电压2.2V~3.6V, 工作温度 (-40~125)℃ , 具有低供电电压、 低功耗的特点。 温度传感器选用 TI 公司的TMP102 低功耗数字传感芯片, 在-25 ~+85 的量程内精度为 0.5 ,要求输入电压为 1.4V~3.6V,测量信号由双线串行接口输出,它有很低的工作电流,工作状态供电电流为 10μA,休眠模式下电流为 1μA,完全符合本设计低功耗的要求。
温压补偿气体涡轮流量计
2.3、存储电路和液晶显示电路:
  本设计中将所计算出的流速、流量等数据存储在存储器中, 采用 I2C 总线的 E2PROM 存储器24C16,24C16 是串行的 E2PROM 存储器, 存储容量达到 16K,SCL 为时钟线,SDA 为数据线, 原理图如图 2 所示, 其中 SCL2 接单片机 P4.6,SDA2 接单片机 P4.5[3-4]。
图 2	24C16 E2PROM 存储器原理图
图 2 24C16 E2PROM 存储器原理图
  为了达到低功耗的要求, 本设计选用 HT1620存储器映射的多功能 LCD 驱动器,其操作电压为 2.4V~3.3V,3V 时操作电流小于 3μA, 低操作电流有效地降低了液晶模块的功耗, 其显示段数为 128 (32×4), 内部集成有 LCD 控制器 ,LCD 驱动器和RAM。 单片机和 HT1620 的连线如图 3 所示, 其中P2.3 连接 HT1620 的片选端,P2.0 连接数据线,P2.1和 P2.2 分别连接读写控制线。

图 3	单片机与液晶显示模块连线图

图 3 单片机与液晶显示模块连线图

3、系统软件设计:
3.1、数据处理过程:

 此系统的应用程序主要由主程序和中断处理程序组成。 其中主程序和中断处理程序分别由多个子程序构成。 主程序主要包括: 系统初始化程序, LED 显示子程序等。 中断处理程序主要包括:流量检测子程序,温度压力检测子程序,按键输入子程序,流量补偿算法子程序等。 流量计初次上电时系统初始化,显示历史流量数据、当前的时间、压力、温度和电池电量。 在无操作的情况下延时一段时间后 LCD 自动关闭显示,进入低功耗模式 3(LPM3)状态。 当系统发生中断事件时,CPU 从低功耗的模式中被唤醒,并判断是何种中断事件,进而进入中断处理程序。
 
3.2、程序软件框图:
 系统上电开机后首先进入初始化模块,然后进入低功耗模式 3(LPM3)状态并判断有无中断,若无中断,系统自动返回;如有中断,单片机运行中断处理程序,进行相应处理,中断操作进行完之后再一次进入低功耗模式 3,进而等待下一次终端操作。 程序流程图如图 4 所示。
图 4	系统程序流程图
图 4 系统程序流程图
 
4、实验和数据分析:
 经过试验,本流量计的精度能保持在流量为 0.2Qmax(含 0.2Qmax)~Qmax(Qmax 为最大流量 )时精度为±1.0%R(R 为流量),Qmin~0.2Qmax(Qmin 为最小流量)时精度为±1.5%R,重复性小于等于基本误差的 1/3,各项指标基本满足技术任务书的要求。

  温压补偿型气体涡轮流量计的工作原理:
 
  传感器内的涡轮在流体作用下产生旋转,使信号检测器的磁场产生变化,因此在信号检测器的线圈中感应出交变电压,在经过放大器放大、滤波、整形输出方波信号。此信号电压的频率与叶轮的转速成正比,即与流体的流量(流速)成正比。
 
  温压补偿型气体涡轮流量计的应用:
 
  温压补偿型气体涡轮流量计的应用是80年代兴起的一种测量技术,其优点在于量程范围宽、维护简单、介质适应性强等。目前,它在蒸汽和其它气体测量中逐步取代其它类型的流量计,得到广泛应用。hart协议是美于80年代提出的一种用于现场智能仪表和控制室设备通讯的协议,它具有兼容4~20ma模拟信号与数字通信的性质。温压补偿型气体涡轮流量计是在现有涡轮流量计的基础上,加入温度和压力参数的测量,并将hart通讯协议引入流量计中,设计出集温度、压力、流量测量于一体的带有hart协议的温压补偿型气体涡轮流量计。经研究表明,这种涡轮流量计不仅具有温压补偿功能,而且实现了与上位机的远程操作,具有广阔的发展前景。
温压补偿气体涡轮流量计
  温压补偿型气体涡轮流量计特点:
 
  优质合金涡轮,具有更高的稳流和耐腐蚀作用进口优质专用轴承,使用寿命长计量室与通气室隔绝,保证了仪表的行流安全性温压补偿型气体涡轮流量计可检测被测气体的温度、压力和流量,能进量自动跟踪补偿,并显示标准状态下(pb=101.325kpa,tb=293.15k)的气体体积累积量;可实时查询温度压力数值流量范围宽(qmax/qmin≥20:1),重复性好,精度高(可达1.0级),压力损失小,始动流量低,可达0.6m3/h智能化仪表系数多点非线性修正。
 
  内置式压力、温度传感器,安全性能高、结构紧凑、外形美观温压补偿型气体涡轮流量计具有防爆及防护功能,防爆标志为exiaⅱct6gb, 防护等级为ip65系统低功耗工作,一节3.0v10ah锂电池可连续使用3年以上仪表系数、累计流量值掉电十年不丢。
 
  温压补偿型气体涡轮流量计不仅具有普通仪表的量程、零点、单位转换等功能外,而且完全符合hart协议的要求,可与上二位机进行远程操作, 由上位机远程读取瞬时流量、累积流量等参数,或对量程、零点、单位等进行设置,便于实时监控。同时,由于引入了温度、压力信号的补偿。温压补偿型气体涡轮流量计的测量精度大为提高。因此,这种带有hart协议的温压补偿型气体涡轮流量计在国内必将具有良好的发展前景。
 
5、结语:
 本文介绍了基于 MSP430 单片机的气体涡轮流量计的设计方法,由于该方案从硬件、软件两方面进行低功耗的设计,因而系统功耗显著降低,有效延长了供电电池的使用寿命。


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