彭珍瑞 殷 紅 董海棠 王強能

(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基于MSP430的懸浮單轉(zhuǎn)子流量計設(shè)計

彭珍瑞 殷 紅 董海棠 王強能

(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為提高懸浮單轉(zhuǎn)子流量計計量精度，有效降低電池功耗,延長其工作時間，設(shè)計了基于MSP430F149的懸浮單轉(zhuǎn)子流量計的硬件及軟件。采用KCF20公式進行溫度密度補償，提高計量的準(zhǔn)確性；用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，完成對儀表系數(shù)K的分段修正，從而克服了流量計在計量過程中因漏流而帶來的誤差。同時，設(shè)計了三級電壓轉(zhuǎn)換電路，并通過WEBENCH軟件進行了仿真測試。測試結(jié)果表明電源模塊整體轉(zhuǎn)換效率高于85%，功率耗散僅為0.01 W，符合低功耗設(shè)計要求。

懸浮單轉(zhuǎn)子 流量計 低功耗 分段修正 MSP430 電壓轉(zhuǎn)化電路

0 引言

隨著微電子技術(shù)和低功耗技術(shù)的發(fā)展以及人們對測量準(zhǔn)確性和可靠性需求的逐步提高，傳統(tǒng)的機械式容積流量計由于存在負(fù)荷重、易損壞以及誤差修正不靈活等缺點，已逐步被新一代的智能數(shù)字式流量計代替[1]。智能流量計與傳統(tǒng)流量計的機械傳動計數(shù)方式不同，它采用CPU微處理器，使計量直觀、準(zhǔn)確、讀數(shù)方便，很好地彌補了機械式表頭流量計的缺點及不足。但是在某些場合，例如油田中分布的油井，由于引用外接電源較為困難或代價昂貴，導(dǎo)致一些數(shù)字式表頭的智能流量計在這些地方無法得到很普遍的應(yīng)用?；谝陨显颍怪悄鼙眍^流量計能在沒有外接電源供電的場合長期穩(wěn)定地工作就變得尤為迫切[2]。

本文所研究的基于MSP430F149懸浮單轉(zhuǎn)子流量計就是針對上述問題而設(shè)計的。本設(shè)計采用低功耗單片機MSP430F149作為流量計的主控制器，零功耗ZP11型韋根德傳感器作為流量計的前端傳感器獲取脈沖信號，采用高效率的電源轉(zhuǎn)換模塊等一系列的節(jié)能措施，實現(xiàn)流量計硬件的低功耗設(shè)計。在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過軟件對流量計進行了溫度密度補償及儀表系數(shù)的分段修正，以提高流量測量精度。

1 懸浮單轉(zhuǎn)子流量計的工作原理簡介

懸浮單轉(zhuǎn)子流量計由內(nèi)圓筒和外圓筒組成，內(nèi)外圓筒同心，內(nèi)外圓筒之間裝有一固定隔板，以防止被測液體由入口直接流向出口。在隔板上下兩端裝有上下分流箱，分別對稱開軸孔，軸孔內(nèi)裝有一根軸，插在偏心軸承內(nèi)，與測量室中心軸連在一起。當(dāng)被測流體通過上下分流箱的進出口時，轉(zhuǎn)子在壓差的作用下將會浮起，并在測量室內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動。每當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，就有一定量的流體排出，所以只要用轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，就可間接測得流過液體的體積[3]。

2 硬件的低功耗設(shè)計

懸浮單轉(zhuǎn)子流量計硬件采用美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的MSP430F149單片機作為主控芯片，完成對脈沖信號、溫度信號、壓力信號的處理。RS- 485通信模塊實現(xiàn)流量計與上位機的通信。由于電流環(huán)在工業(yè)現(xiàn)場具有較好的抗干擾性能，因此設(shè)計了4～20 mA電流輸出模塊。LCD液晶顯示模塊完成對累計流量、瞬時流量、時間、溫度、壓力等參數(shù)的顯示。按鍵模塊完成儀表系數(shù)等參數(shù)的設(shè)置。流量計硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of hardware structure

2.1 微處理器(MCU)選用

經(jīng)過對微處理器的特性、工作模式、工作電流、休眠電流、掉電電流等參數(shù)進行詳細(xì)的分析對比，根據(jù)實性能需求和性價比，最終選用美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)

的MSP430F149作為懸浮單轉(zhuǎn)子流量計的微處理器。

2.2 脈沖信號檢測與處理

由于設(shè)計的流量計需要在電池供電的情況下長期工作，因此為了降低流量計整體的功耗延長電池壽命，選用零功耗的ZP11型韋根德傳感器來采集流量信號[4]。ZP11型韋根德傳感器可以將流量信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號，但脈沖信號不標(biāo)準(zhǔn)，需要經(jīng)過放大和整形才能被單片機接收計數(shù)。

2.3 溫度檢測

溫度的變化會影響流體的密度，體積也相應(yīng)改變，導(dǎo)致測量體積流量時會產(chǎn)生較大的誤差。所以，在計算實際流量時，要對一些被測介質(zhì)進行溫度補償，從而提高流量計測量精度。本文研究的懸浮單轉(zhuǎn)子流量計主要用于原油計量，這里只分析溫度和壓力對原油體積的影響，并對其做出補償。表1為溫度相差1 K、壓力相差50 kPa時，對原油標(biāo)準(zhǔn)體積計算結(jié)果產(chǎn)生的影響[5]。表1中，MF為流量計系數(shù)，Cplm為流量計中的原油流體受壓力影響的修正系數(shù)，V20為原油標(biāo)準(zhǔn)體積。

表1 溫度、壓力對標(biāo)準(zhǔn)體積的影響Tab.1 Influence of temperature, pressure on standard volume

根據(jù)規(guī)范[6]的規(guī)定，原油的溫度-體積修正系數(shù)KCF20為原油在標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)和壓力(101.325 kPa)下的體積與其在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積之比，為：

KCF20=V20/Vt

(1)

由于V20=m/ρ20，Vt=m/ρt，代入式(1)得：

KCF20=(m/ρ20)/(m/ρt)=ρt/ρ20

(2)

又因ρt=ρ20-ρ(t-20 ℃)，代入式(2)得：

KCF20=[ρ20-ρ(t-20 ℃)]/ρ20=1-[ρ(t-20℃)]/ρ20

式中：ρ為在溫度為t時原油的密度[6]。

因此,只要測得被測原油的溫度，便可計算出原油的溫度-體積修正系數(shù)KCF20，從而對其進行補償。

考慮低功耗要求，選用美國模擬器件公司的TMP36溫度傳感器。TMP36是低電壓、精密攝氏溫度傳感器，可提供與攝氏溫度呈線性比例關(guān)系的電壓輸出。溫度傳感器TMP36檢測溫度并輸出對應(yīng)的電壓值，但是電壓信號比較弱，單片機無法識別。所以傳感器的輸出電壓信號，經(jīng)過運算放大器2254A放大后，再送給MSP430F149的P6.7引腳進行A/D轉(zhuǎn)換。

2.4 電源電路設(shè)計

在一個對功耗要求較高的系統(tǒng)中，供電電源的設(shè)計至關(guān)重要，設(shè)計時必須仔細(xì)考慮電源電路結(jié)構(gòu)[7]。

電源電路架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源架構(gòu)Fig.2 Power supply architecture

系統(tǒng)電源由兩枚標(biāo)稱電壓值為3.6 V的鋰電池提供。為提高電源轉(zhuǎn)換效率，減小功率耗散，系統(tǒng)設(shè)計了三級

電壓轉(zhuǎn)換，并用WEBENCH軟件對其轉(zhuǎn)換效率進行了仿真測試。

第一級轉(zhuǎn)換電路將7.2 V的電源電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，提供給LCD1602液晶模塊等使用，轉(zhuǎn)換效率為91.0%。第二級轉(zhuǎn)換電路將第一級轉(zhuǎn)換輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，供給單片機、時鐘模塊、串口通信模塊等部分使用，轉(zhuǎn)換效率為86.8%。第三級轉(zhuǎn)換電路將第二級輸出的3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為2.7 V電壓，供給溫度等模塊使用，轉(zhuǎn)換效率為89.0%。電源模塊的整體轉(zhuǎn)換效率為85.8%，功率耗散為0.01 W，符合設(shè)計要求。

3 軟件設(shè)計

主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main program

系統(tǒng)初始化時，根據(jù)實際需要，首先對單片機MSP430F149的各個端口的功能做出相應(yīng)的設(shè)置，并賦給初始值。沒有用到的I/O口一般設(shè)置為輸出。單片機的P6.6和P6.7端口分別用于對壓力和溫度信號的A/D采樣，這兩個端口的寄存器工作方式都設(shè)置為輸入，并設(shè)定采樣參考電壓為2.5 V。P3.4(第二功能為UTXD0)和P3.5(第二功能為URXD0)端口用于串口通信，分別與MAX3485芯片的DI和RO引腳連接，寄存器的工作方式設(shè)置為輸入。韋根德傳感器送來的脈沖信號用P1.1引腳捕獲，工作方式設(shè)置為輸入。

完成初始化任務(wù)后，CPU從Flash里讀取累計流量和儀表系數(shù)等參數(shù)，并且在LCD上循環(huán)顯示一遍當(dāng)前的溫度、壓力、流量以及電池電量。此時用戶就可以根據(jù)實際需要，通過按鍵對一些參數(shù)進行修改。沒有中斷發(fā)生時，系統(tǒng)將自動進入低功耗模式，只有當(dāng)中斷發(fā)生時，系統(tǒng)才被喚醒，進入工作模式并響應(yīng)中斷。

4 儀表系數(shù)修正

懸浮單轉(zhuǎn)子流量計在測量過程中產(chǎn)生的誤差，主要是因為流量計機械部分存在漏流引起的，而這種漏流現(xiàn)象通過提高機械加工精度是無法完全消除的[8]。

任何容積式流量計，在流量計外殼和轉(zhuǎn)動部件之間都會存在間隙。由于這些間隙的存在，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時會使一部分液體直接從入口流向出口，這部分液體體積無法被計量在內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，實際流過流量計量腔的液體體積V將大于量腔的標(biāo)準(zhǔn)體積V0，導(dǎo)致計算瞬時流量和累計流量時，實際的儀表系數(shù)K將不等于K0。因此，需要對儀表系數(shù)進行修正和補償。此外，不同流速下被測液體的漏流量也不同。因此，在修正補償時，需針對不同的流速范圍，對儀表系數(shù)進行分段補償。

本文為了獲取懸浮單轉(zhuǎn)子流量計在不同流量q下對應(yīng)的儀表系數(shù)，對懸浮單轉(zhuǎn)子流量計進行了檢定。具體步驟為：將懸浮單轉(zhuǎn)子流量計與標(biāo)準(zhǔn)裝置串聯(lián)，讓被測流體依次流過，在標(biāo)準(zhǔn)裝置上讀取q的值。通過軟件將懸浮單轉(zhuǎn)子流量計的儀表系數(shù)K設(shè)置為1，那么懸浮單轉(zhuǎn)子流量計液晶顯示器上顯示的累計流量就是這段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)N。通過N和q即可間接計算出不同流速下對應(yīng)的儀表系數(shù)K。對多個不同流量的檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 在不同瞬時流量下對應(yīng)儀表系數(shù)K的值Tab.2 Instrument coefficient K under different instantaneous flow rate

圖4所示曲線是根據(jù)表2數(shù)據(jù)用最小二乘法進行六次方曲線擬合得到的。由圖4可知，在流量較小時，儀表系數(shù)K值隨流量的增大而逐漸增大；在一定流量范圍內(nèi)，K值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 流量計K-q曲線Fig.4 K-q curve of flowmeter

在0.9～10 m3/h流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)K值變化較大，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可算出在此范圍內(nèi)儀表系數(shù)K的變化率為：

(3)

在10～80 m3/h(最大流量)流量范圍內(nèi)，儀表系數(shù)K的變化較小，在7 421上下波動，最大值為7 441，最小值為7 402。儀表系數(shù)K的變化率為：

(4)

(5)

由上述分析可知，在0.9～10 m3/h流量區(qū)間內(nèi)，K的變化率較大(4.24%)，對測量精度影響較大，因此在這個區(qū)間內(nèi)需要對儀表系數(shù)進行補償修正。在10～80 m3/h(最大流量點)流量范圍內(nèi)，K的變化率很小(0.27%和-0.26%)，即使對K不做修正，直接取7 421，對流量計測量精度影響也很小。所以在測量精度要求不高的場合，可直接采用流量計原來的儀表系數(shù)。

在0.9～10 m3/h流量范圍內(nèi)，用二次多項式進行擬合，擬合曲線的函數(shù)表達式為：

K=-1.8q2+53.2q+7 063.4

(6)

在單片機程序中，q的計算式為：

(7)

式中：f為脈沖頻率； K0為流量計原始儀表系數(shù)。

在單片機程序中無法用式(7)進行修正，需要把K與q關(guān)系轉(zhuǎn)換為K與f的關(guān)系。

f=Kq

(8)

通過式(8)可以把表2中K與q的關(guān)系轉(zhuǎn)化為K與f的關(guān)系。q的單位為m3/h，為了便于計算,將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的流量(m3/s)。

(9)

表2中的數(shù)據(jù)用式(9)換算后，如表3所示。

表3 在不同脈沖頻率下對應(yīng)的儀表系數(shù)KTab.3 Instrument coefficient K under different pulse frequency

對表3中數(shù)據(jù)用最小二乘法進行六次方擬合，如圖5所示。

圖5 流量計K-f曲線Fig.5 K-f curve of flowmeter

圖5中，K-f曲線可分為兩部分：前半段波動較大部分和后半段波動較小部分，即脈沖區(qū)間1.777～20.62 Hz和20.62～165.1 Hz兩個區(qū)間分別進行修正。

在儀表系數(shù)變化較小的區(qū)間，用最小二乘法進行二次擬合得到的函數(shù)為：

K1=-0.4f2+26f+7 066.3

(10)

所以，當(dāng)脈沖頻率小于20.62 Hz時(即瞬時流量小于10 m3/h)，用式(10)計算儀表系數(shù)(K=K1)。反復(fù)試驗證明，采用式(10)計算儀表系數(shù)時精度較高，誤差從原來的4.26%降到0.2%以內(nèi)。

當(dāng)脈沖頻率大于20.62 Hz時，由于在20.62～165.1 Hz區(qū)間內(nèi)，儀表系數(shù)K的波動較小，誤差在0.3%以內(nèi)，計算時用原始儀表系數(shù)即K=K0即可。

5 結(jié)束語

本文在簡要分析懸浮單轉(zhuǎn)子流量計工作原理的基礎(chǔ)上，進行了流量計智能表頭的硬件及軟件的低功耗設(shè)計，實現(xiàn)了瞬時流量、累積流量、溫度、時間參數(shù)的顯示，滿足在電池供電的情況下長期工作的要求。在此基礎(chǔ)上，通過流量試驗完成了儀表系數(shù)的分段修正，解決了流量計機械部分不可避免的漏流現(xiàn)象引起的測量誤差。針對在大量原油交接測量過程中溫度對體積流量的較大影響，采用KCF20公式進行了溫度密度補償，提高了測量精度。

[1] 方敏,徐科軍,劉三山.低功耗數(shù)字渦街流量計硬件研制中的關(guān)鍵技術(shù)[J].自動化儀表,2011，32(1):26-29.

[2] 姜印平,鄭彤,李艷文,等.羅茨流量積算儀的低功耗設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2006,27(11):31-33.

[3] 王池,王自和,張寶珠,等.流量測量技術(shù)全書(上冊)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[4] 安躍軍，閔家龍，師勇，等.韋根傳感器在無刷直流電機中的應(yīng)用[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014, 36(3):241-245.

[5] 王慶路，秦智勇，謝世杰. 溫度和壓力對原油動態(tài)計量標(biāo)準(zhǔn)體積的影響[J].油氣儲運, 2005, 24(7):38- 41.

[6] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 1885-1998 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：石油計量表[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[7] 黃智偉.低功耗系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[8] 楊云華.基于MSP430單片機羅茨專用智能流量計的研究[D].天津:天津大學(xué),2011.

Design of the Suspension Single Rotor Flowmeter Based on MSP430

To improve the metering precision of suspension single rotor flowmeter and effectively reduce the energy consumption of battery for extending it working hours, the hardware and software of suspension single rotor flowmeter based on MSP430F149 has been designed. TheKCF20formula is adopted for temperature and density compensation,for improving the metering accuracy. The nonlinear fitting is conducted for test data by using least square method, thus the segmented correction of the instrument coefficientKis performed to overcome the metering error caused by the leak flow. In addition, the three-level voltage conversion circuit is designed, and simulation test is carried out by WEBENCH software. The test result indicates that the overall conversion efficiency of the power supply module is higher than 85%; the power dissipation is only 0.01 W that meets low power consumption requirement.

Suspension single rotor Flowmeter Low power consumption Segmented correction MSP430 Voltage conversion circuit

彭珍瑞(1972-)，男，2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事智能優(yōu)化、測控技術(shù)等方面的研究。

TH814

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506026

修改稿收到日期： 2014-09-19。