电子温压补偿式涡轮流量计设计

 卞秀辉1，芦  磊2

（1．辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东118009；2．哈曼（中国）科技有限公司，辽宁丹东1 18009）

摘要：传统的机械式涡轮流量计难以满足气体标况体积计量的要求，因此，为实现工业现场流量测量的准确性、科学性而设计了电子温压补偿式涡轮流量计。该流量计采用低功耗的控制器、高精度的A/D转换芯片实现流量、温度和压力信号的采集以及对工况流量的温压补偿，合理化的软件设计提高了流量测量的实时性和准确度。

关键词：涡轮流量计；温压补偿；单片机；韦根传感器

中图分类号：TH814 文章编号：1006 - 2394( 2016) 05 - 0015 - 04

0  引言

 气体涡轮流量计是一种速度式流量计，它具有压力损失小、精度高、始动流量低，量程比大、抗震与抗脉动流性能好等特点，因此广泛应用于石油、化工、电力、工业锅炉、燃气调压站、天然气输配气管网、城市天然气等领域。普通的涡轮流量计只计量气体的工况体积流量，目前世界范围内管输天然气的贸易结算大都以标准状态下的体积量为准，于是本着小型化、智能化的原则，本文设计了集流量、温度、压力信号采集和温压补偿于一体的电子温压补偿式涡轮流量计。该涡轮流量计采用了TI公司的MSP430低功耗单片机为核心控制器，完成对流量信号、温度信号和压力信号的实时采集，利用PVT状态方程将测量的工作状态下的气体体积流量转换成标准状态下的气体体积流量，同时对仪表系数进行分段修正，进一步提高了仪表的测量精度，此外该流量计还具有实时时钟、参数设置、模拟信号输出、数字信号输出和远程通信等功能，通过实际应用，获得了理想的效果。

1系统结构

 电子温压补偿式涡轮流量计的设计主要包括硬件系统设计和软件系统设计两个方面。硬件系统设计包括单片机接口电路和外围功能模块的设计，其中核心控制模块为MSP430单片机，外围功能模块包括低功耗流量脉冲信号采集、温压信号采集、实时时钟、模拟信号输出、数字信号输出、键盘和显示。系统整体结构框图如图1所示。

 软件系统设计包括流量信号的采集计算、温压信号采集处理、压缩因子的计算、信号的远传输出、数据的存储以及显示、系统参数的设置等。

2硬件设计

2.1  流量信号采集

 流量信号采集采用韦根传感器，它无需外加工作电源便能将磁信号转化成电信号，因此它又称为零功耗磁敏传感器。采用磁极触发工作方式，触发磁场极性变化一次，韦根传感器同步输出一对正负脉冲信号，幅值大于1 V。韦根传感器无触点、耐腐蚀、防潮湿，使用寿命长，频率检测范围为0~ 20 kHz，作为计数传感器，非常适用于微功耗智能型流量仪表，如电子水表、电子热量表、电子煤气表、电子油表等。韦根传感器信号经过整形电路处理后接入单片机，信号整形处理电路如图2所示，V01端平时输出高电平3V，当韦根传感器输出正向信号时，三极管Q11导通，这时V01端输出低脉冲信号；V02端平时为低电平，当韦根传感器输出反向信号时，三极管Q12导通，这时V02端输出3V脉冲信号。该处理电路可有效消除信号杂波，同时将韦根传感器输出正弦信号转换成幅值为3V单片机可以识别的脉冲信号，电路两输出端V01、V02依次输出一对幅值为3V的高低电平相反的方波，单片机采集方波信号，只有采集到一对高低电平时，流量计数增加1。

2.2温压采集模块

 气体的体积受温度、压力等环境因素影响很大，因此，实时准确地测量当前气体的温度和压力是仪表设计的关键。这里采用AD7705高精度A/D转换器，能将从传感器接收到的微弱的输入信号直接转换成串行数字信号输出，片内自带可编程增益放大器，而无需外接仪表放大器，节省了成本、缩小了体积、减小了系统的复杂性。与单片机的连接采用三线的串行接口，增益值、信号极性以及更新速率的选择可通过编程通过串行输人口由单片机进行配置。AD7705为双通道全差分模拟输入，分别连接压力传感器输出电路和温度传感器输出电路。压力传感器采用恒流源供电的压阻式压力传感器，精度高、稳定性好、频率响应范围宽；温度测量采用铂电阻温度传感器，利用惠斯通电桥法产生差分的电压信号送人AD7705。AD7705应用电路图如图3所示。

 实时时钟是整个系统的时间基础，系统上电后要自动读取实时时钟的信息，确定当前系统时间，因此时钟芯片要一直处于上电工作状态。这里采用备用电池的方式，系统工作时，由系统提供给时钟芯片电源，当系统掉电后，备用电池工作保证时钟正常运行。实时时钟采用S35390芯片来实现，它工作电流小、工作电压范围宽，采用I2C串行通信方式与单片机进行通信，数据输入输出引脚SDA和时钟引脚SCL要连接上拉电阻才能保证正常的通信。S35390有两个中断输出端INT1和INT2，用户可以对芯片相应的寄存器进行设置，在具体时间自动产生中断信号。时钟模块电路如图4所示。

2.4模拟信号输出

 信号传输时，导线上存在一定的电阻，如果用电压传输则会在导线上产生一定的压降，那么接收端的信号就会产生一定的误差，因此使用4~ 20 m A的电流信号作为模拟信号的输出供二次仪表使用。4～20 m A电流的实现采用D/A集成转换芯片AD421，两线制输出电流，外接电源与负载串联。4~ 20 m A电流输出电路如图5所示，为了稳定电压调整器的工作，在VCC与COM端之间应接一只电源退耦电容，并且在COMP、DRIVE端之间接0.01 μF的电容，还要在DRIVE、COM端之间并联上1kΩ电阻和1 000 pF电容。若将AD421内部2.5 V基准源(REFOUI2端)直接作为REF IN端的输入基准电压，则应在REF IN端与地之间接4.7μF退耦电容。三个外部滤波电容分别为C1、C2和C3，而滤波电阻已集成到芯片中。通常取C1= C2 =0. 01 μF，C3 =0.003 3μF。C1～C3应选用介质损耗系数很低的电容器。

2.5数字信号输出

 仪表输出的数字信号包括与流量成正比的频率信号或每个脉冲代表一定体积量的定标信号，数字信号的产生利用单片机的定时器以及脉宽调制输出通过软件编程来实现。

2.6通信模块

 通信采用了RS-485的通信方式，通过RS-485通信，用户可以查询仪表内历史数据包括流量、总量、温度、压力等信息，对仪表内部系统参数进行设置，对仪表当前的运行状态进行监测。

3软件设计

 系统软件设计在整个系统设计中起着至关重要的作用，该系统软件设计采用了前后台的控制方式，将各功能程序实现模块化，每个模块设计成独立的函数，便于维护管理和连接。程序运行实现标志化，各功能模块程序的运行尽量通过标志位来控制，整个控制和任务的分配由主程序和中断服务程序来完成，这样既增强了程序的可读性，又方便系统的维护和升级。

 系统整体软件流程图如图6所示，系统上电复位后先执行初始化程序，初始化程序包括读取存储器中的系统初始值以及各外围功能模块的初始化，之后进入主程序，主程序实际上是个死循环，依次判断功能模块的标志位，当标志位有效时，执行对应的功能模块程序，如果标志位无效，则跳过向下执行，程序执行到最后进入低功耗模式。MSP430单片机有三种低功耗模式，系统处于低功耗模式时有中断发生，程序自动从低功耗状态中唤醒，继续循环执行。各功能模块的标志位在中断服务子程序中对其进行操作。

4结束语

 本文设计的电子温压补偿式涡轮流量计可精确地测量气体的流量、温度和压力信号，将工作状态下的气体体积转换成标准状态下的气体体积，同时也能保证高精度的脉冲输出和模拟信号输出。系统硬件结构简洁，微处理和外围功能模块既具有高精度的性能，又符合低功耗的特点；软件模块化编程设计更有利于以后的维护与管理。实际表明，该电子温压补偿式涡轮流量计功能齐全、性能优越，具有很好地推广应用价值。