[導讀] 針對目前工業(yè)現(xiàn)場的天然氣計量情況，設計了超低功耗羅茨流量積算儀；引入天然氣壓縮系數(shù)Z，對理想氣體狀態(tài)方程進行修正，流量計能夠更精確地實時溫壓補償；詳細介紹了積算儀的硬件和軟件設計方案，利用MSP430單片機的低功耗和高集成度的優(yōu)點。該系統(tǒng)適合于電池供電和遠程應用場合，應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，檢測精度高，具有一定的實用性和推廣價值。
0 引言
目前，機械表頭式羅茨流量計在天然氣計量工業(yè)現(xiàn)場仍然大量采用，但由于工況的復雜性，用單一的補償系數(shù)給計量帶有較大的誤差。本文設計的基于MSP430F149單片機超低功耗積算儀能有效克服上述缺點，利用高可靠的脈沖傳感器、溫度和壓力傳感器，實時對介質(zhì)進行溫壓補償計算；采用友好的人機界面，提供直觀詳細的數(shù)據(jù)資料，并可提供數(shù)據(jù)存儲和RS485遠傳功能。這里引入天然氣壓縮系數(shù)Z，改進了流量補償?shù)臄?shù)學模型，修正了傳統(tǒng)的計量公式，進一步提高天然氣的計量精度。
1 系統(tǒng)硬件設計
本流量積算儀硬件部分主要包括MSP430F149主控模塊、脈沖信號采集模塊、溫度和壓力傳感器、時鐘模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊。圖1為系統(tǒng)硬件框圖。
羅茨流量計又稱腰輪流量計，是容積式流量計我們在腰輪的軸上安裝磁鋼，腰輪每旋轉(zhuǎn)一周，由于磁鋼的磁極變化，通過脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖信號。通過對脈沖信號的采集，結(jié)合當前溫度和管道壓力，計算出介質(zhì)在標準狀況（101.325kpa，293.15K）下的瞬時流量和累積流量。
MSP430F149是T1公司產(chǎn)品，16位RISC結(jié)構(gòu)FLASH型單片機，配備l2bitA/D、硬件乘法器、PWM、USART等模塊，多種低功耗模式設計，很適合于本產(chǎn)品的開發(fā)[1-2]。
脈沖傳感器采用韋根傳感器ZP11，根據(jù)韋根德效應所研制，具有輸出信號幅值高，工作穩(wěn)定，且不需要外加電源的優(yōu)點。溫度傳感器采用DS18B20，是數(shù)字式一線制溫度傳感器，可以僅使用單片機的一個I/O口完成所有讀寫操作，具有很高的轉(zhuǎn)換速度和精度。這里采用外部供電方式，待命狀態(tài)消耗電流1μA。壓力傳感器采用電橋平衡式絕壓傳感器MC26。圖2為壓力傳感器工作電路。恒流源LM334為壓力傳感器提供工事流量儀表和自動化檢測裝置方向的研究。作電流，電壓信號經(jīng)差分放大后送人MSP430F149片內(nèi)A/D進行轉(zhuǎn)換。
本系統(tǒng)具有良好的人機界面，LCD實時顯示當前的時間、溫度、壓力、累積流量、瞬時流量和電池電量等信息。通過主板自帶鍵盤或外部接人的手操器，可人工置人時間、流量計儀表系數(shù)、流量上限等，易于與不同口徑表體配合裝配。
數(shù)據(jù)存儲模塊采用FM24CL64，是一種新型的鐵電存貯器時鐘模塊采用DS1307。上述芯片均支持I2C總線，MSP430FI49通過軟件模擬總線協(xié)議來進行相應操作。遠程傳輸模塊包括RS485輸出功能和工業(yè)級4~20mA輸出功能。RS485輸出可完成當前或歷史數(shù)據(jù)的傳輸，便于上位機的管理。為滿足不同工況的要求，本系統(tǒng)還配備4~20mA輸出功能，實現(xiàn)瞬時流量數(shù)據(jù)的遠傳。
2 數(shù)學模型及軟件實現(xiàn)
2.1 數(shù)學模型
一般的氣體當壓力相當小，溫度相當高時，可看成是理想氣體。在流量測量中，氣體流經(jīng)流量計的時間很短，來不及與外界進行熱交換，且不考慮摩擦生熱。因此，這時發(fā)生的氣體狀態(tài)變化過程可近似地視為可逆絕熱過程或等熵過程。因此，可用絕熱過程狀態(tài)方程式來計算不同狀態(tài)下的比容（v）或密度（ρ）。但在工程上，一般根據(jù)波義耳一查理方程pV=RT，這一理想氣體狀態(tài)方程式來計算密度ρ，即
（1）
其中 ρ— 工作狀態(tài)下氣體的密度；
ρx— 標準狀態(tài)下氣體的密度；
p— 氣體的工作壓力；
px— 氣體在標準狀態(tài)下的壓力；
T— 氣體的工作溫度；
Tx— 氣體在標準狀態(tài)下的溫度。
但實際氣體在溫度、壓力變化時，要引入一個壓縮系數(shù)Z，它是氣體的臨界常數(shù)及壓力和溫度的函數(shù)。當是理想氣體時，一般氣體的壓縮系數(shù)Z=1，即
（2）
ZN— 氣體在標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。
但是，在壓力和溫度較高，且工況條件變化大時，氣體的狀態(tài)變化不再遵循理想氣體狀態(tài)方程式.特別是在高壓的情況下，并且是在飽和曲線附近，不能忽視偏離理想氣體定律的偏差，在公式里要附加考慮偏差系數(shù)K。
（3）
其中 ZN— 氣體在理想狀態(tài)下的壓縮系數(shù)，從氣體狀態(tài)表中可查到；
Z— 氣體在工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。
這里利用對比Redlich-Kwong普遍化方程來求解Z，整理方程得
Z3-Z2-（B2+B-A）Z-AB=0 （4）
其中
其中
其中 pr— 氣體對比壓力；
pc— 氣體的工作壓力；
Tr— 氣體在標準狀態(tài)下的壓力；
Tc— 氣體臨界壓力；
解方程有很多方法，這里采用牛頓迭代法求解[3-4]。
2.2 軟件設計
軟件設計采用模塊化開發(fā)，這樣既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植修改。MSP430有良好的C編譯器、IAR調(diào)試環(huán)境，并且利用其硬件乘法器，能夠極大提高復雜算法的執(zhí)行效率。為了充分利用MSP430多低功耗模式的特點，在完成系統(tǒng)初始化之后馬上進入低功耗模式LPM3，通過中斷喚醒CPU，執(zhí)行相應功能模塊，中斷完成后，恢復低功耗模式。圖3是主程序流程圖。
系統(tǒng)用到的中斷源包括：外部中斷（脈沖采集和鍵盤）、定時中斷和串口通信（USART）接收中斷。由于多個中斷的同時存在，除定時中斷外，其他中斷源的到來時間具有不可預測性，為保證脈沖采集中斷的最高優(yōu)先級，在定時中斷執(zhí)行完成后，通過保存狀態(tài)寄存器的值迫使單片機仍然保持active狀態(tài)，進入以回到低功耗模式為結(jié)尾的主循環(huán)中，主循環(huán)程序包括檢測溫度、壓力、電量并送LCD的子程序模塊，累積流量、瞬時流量計算并送LCD的子程序模塊，時間顯示子程序模塊，歷史數(shù)據(jù)保存子程序模塊等。
這種設計方法與采用中斷嵌套的常規(guī)設計方法相比，雖然較為復雜但是能更好地避免時間中斷和外部中斷的沖突，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。
3 實驗數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)功耗測量：在正常工作狀態(tài)（非測量狀態(tài)）下，系統(tǒng)整體工作電流維持在250μA以下。壓力、溫度測量時間極短（ms級），測量電流為1mA左右。系統(tǒng)用16Ah的Li/MnO2電池，正常工作狀態(tài)能使用5年以上。
系統(tǒng)不確定度的計算：壓力傳感器0.5%；溫度傳感器-4O~85℃，誤差為0.5℃，約為0.7%；表體誤差取0.8%；則系統(tǒng)總不確定度為：
以ф60、最大流量80m3/h的流量計為例，我們測試結(jié)果如下：
表1 測試結(jié)果
流量（m3/h） 體積（m3） 溫度（℃ ） 壓力（kPa） 誤差 1 80 1 25.5 100.15 0.73% 2 48 0.6 25.7 100.20 0.90% 3 20 0.3 25.5 100.09 0.24% 4 8 0.2 25.6 100.19 -0.20% 5 2 0.1 25.6 100.17 -0.76%
由以上數(shù)據(jù)能夠看出，在近似模擬工況的測試環(huán)境中誤差保持在±1%之內(nèi)，完全達到了系統(tǒng)的設計要求（±1.5%）。
4 結(jié)束語
本文設計的基于MSP430F149單片機的低功耗羅茨流量積算儀實現(xiàn)了實時溫壓補償、積算、數(shù)據(jù)的存儲和遠傳等功能，并通過改進相關(guān)數(shù)學模型更精確的補償了系統(tǒng)誤差，有效提高了天然氣計量的準確性，適應了當前工業(yè)現(xiàn)場的技術(shù)要求。設計完成后經(jīng)過詳細測試和試運行，現(xiàn)已投入生產(chǎn)，取得了良好的效果。