基于MSP430的懸浮單轉子流量計設計

摘 要：為提高懸浮單轉子流量計計量精度，有效降低電池功耗，延長(cháng)其工作時(shí)間，設計了基于MSP430F149的懸浮單轉子流量計的硬件及軟件。采用KCF20公式進(jìn)行溫度密度補償，提高計量的準確性；用最小二乘法對試驗數據進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，完成對儀表系數K的分段修正，從而克服了流量計在計量過(guò)程中因漏流而帶來(lái)的誤差。同時(shí)，設計了三級電壓轉換電路，并通過(guò)WEBENCH軟件進(jìn)行了仿真測試。

關(guān)鍵字：懸浮單轉子 流量計 低功耗 分段修正 MSP430 電壓轉化電路

0 引言

隨著(zhù)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確性和可靠性需求的逐步提高，傳統的機械式容積流量計由于存在負荷重、易損壞以及誤差修正不靈活等缺點(diǎn)，已逐步被新一代的智能數字式流量計代替。智能流量計與傳統流量計的機械傳動(dòng)計數方式不同，它采用CPU微處理器，使計量直觀(guān)、準確、讀數方便，很好地彌補了機械式表頭流量計的缺點(diǎn)及不足。但是在某些場(chǎng)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(jià)昂貴，導致一些數字式表頭的智能流量計在這些地方無(wú)法得到很普遍的應用�；�于以上原因，使智能表頭流量計能在沒(méi)有外接電源供電的場(chǎng)合長(cháng)期穩定地工作就變得尤為迫切。

本文所研究的基于MSP430F149懸浮單轉子流量計就是針對上述問(wèn)題而設計的。本設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換模塊等一系列的節能措施，實(shí)現流量計硬件的低功耗設計。在硬件設計的基礎上，通過(guò)軟件對流量計進(jìn)行了溫度密度補償及儀表系數的分段修正，以提高流量測量精度。

1 懸浮單轉子流量計的工作原理簡(jiǎn)介

懸浮單轉子流量計由內圓筒和外圓筒組成，內外圓筒同心，內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(chēng)開(kāi)軸孔，軸孔內裝有一根軸，插在偏心軸承內，與測量室中心軸連在一起。當被測流體通過(guò)上下分流箱的進(jìn)出口時(shí)，轉子在壓差的作用下將會(huì )浮起，并在測量室內做旋轉運動(dòng)。每當轉子旋轉一周，就有一定量的流體排出，所以只要用轉速傳感器測量轉子的轉速，就可間接測得流過(guò)液體的體積。

2 硬件的低功耗設計

懸浮單轉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(shí)現流量計與上位機的通信。由于電流環(huán)在工業(yè)現場(chǎng)具有較好的抗干擾性能，因此設計了4～20mA電流輸出模塊。LCD液晶顯示模塊完成對累計流量、瞬時(shí)流量、時(shí)間、溫度、壓力等參數的顯示。按鍵模塊完成儀表系數等參數的設置。流量計硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

2.1 微處理器（MCU）選用

經(jīng)過(guò)對微處理器的特性、工作模式、工作電流、休眠電流、掉電電流等參數進(jìn)行詳細的分析對比，根據實(shí)性能需求和性?xún)r(jià)比，最終選用美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430F149作為懸浮單轉子流量計的微處理器。

2.2 脈沖信號檢測與處理

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

2.3 溫度檢測

溫度的變化會(huì )影響流體的密度，體積也相應改變，導致測量體積流量時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的誤差。所以，在計算實(shí)際流量時(shí)，要對一些被測介質(zhì)進(jìn)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1K、壓力相差50kPa時(shí)，對原油標準體積計算結果產(chǎn)生的影響。表1中，MF為流量計系數，C_plm為流量計中的原油流體受壓力影響的修正系數，V₂₀為原油標準體積。

表1 溫度、壓力對標準體積的影響

根據規范的規定，原油的溫度-體積修正系數K_CF20為原油在標準溫度（20℃）和壓力（101.325kPa）下的體積與其在非標準狀態(tài)下的體積之比，為：

    （1）

由于V₂₀=m/ρ₂₀，V_t=m/ρ_t，代入式（1）得：

    （2）

又因ρ_t=ρ₂₀－ρ（t－20℃），代入式（2）得：

式中：ρ為在溫度為t時(shí)原油的密度。

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K_CF20，從而對其進(jìn)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(xiàn)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的電壓值，但是電壓信號比較弱，單片機無(wú)法識別。所以傳感器的輸出電壓信號，經(jīng)過(guò)運算放大器2254A放大后，再送給MSP430F149的P_6.7引腳進(jìn)行A/D轉換。

2.4 電源電路設計

在一個(gè)對功耗要求較高的系統中，供電電源的設計至關(guān)重要，設計時(shí)必須仔細考慮電源電路結構。

電源電路架構如圖2所示。

圖2 電源架構

系統電源由兩枚標稱(chēng)電壓值為3.6V的鋰電池提供。為提高電源轉換效率，減小功率耗散，系統設計了三級電壓轉換，并用WEBENCH軟件對其轉換效率進(jìn)行了仿真測試。

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

3 軟件設計

主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統初始化時(shí)，根據實(shí)際需要，首先對單片機MSP430F149的各個(gè)端口的功能做出相應的設置，并賦給初始值。沒(méi)有用到的I/O口一般設置為輸出。單片機的P_6.6和P_6.7端口分別用于對壓力和溫度信號的A/D采樣，這兩個(gè)端口的寄存器工作方式都設置為輸入，并設定采樣參考電壓為2.5V。P_3.4（第二功能為UTXD0）和P_3.5（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置為輸入。韋根德傳感器送來(lái)的脈沖信號用P_1.1引腳捕獲，工作方式設置為輸入。

完成初始化任務(wù)后，CPU從Flash里讀取累計流量和儀表系數等參數，并且在LCD上循環(huán)顯示一遍當前的溫度、壓力、流量以及電池電量。此時(shí)用戶(hù)就可以根據實(shí)際需要，通過(guò)按鍵對一些參數進(jìn)行修改。沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí)，系統將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，只有當中斷發(fā)生時(shí)，系統才被喚醒，進(jìn)入工作模式并響應中斷。

4 儀表系數修正

懸浮單轉子流量計在測量過(guò)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，而這種漏流現象通過(guò)提高機械加工精度是無(wú)法完全消除的。

任何容積式流量計，在流量計外殼和轉動(dòng)部件之間都會(huì )存在間隙。由于這些間隙的存在，在轉子旋轉時(shí)會(huì )使一部分液體直接從入口流向出口，這部分液體體積無(wú)法被計量在內。當轉子旋轉一周時(shí)，實(shí)際流過(guò)流量計量腔的液體體積V將大于量腔的標準體積V₀，導致計算瞬時(shí)流量和累計流量時(shí)，實(shí)際的儀表系數K將不等于K₀。因此，需要對儀表系數進(jìn)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(shí)，需針對不同的流速范圍，對儀表系數進(jìn)行分段補償。

本文為了獲取懸浮單轉子流量計在不同流量q下對應的儀表系數，對懸浮單轉子流量計進(jìn)行了檢定。具體步驟為：將懸浮單轉子流量計與標準裝置串聯(lián)，讓被測流體依次流過(guò)，在標準裝置上讀取q的值。通過(guò)軟件將懸浮單轉子流量計的儀表系數K設置為1，那么懸浮單轉子流量計液晶顯示器上顯示的累計流量就是這段時(shí)間內的脈沖個(gè)數N。通過(guò)N和q即可間接計算出不同流速下對應的儀表系數K。對多個(gè)不同流量的檢定數據如表2所示。

表2 在不同瞬時(shí)流量下對應儀表系數K的值

圖4所示曲線(xiàn)是根據表2數據用最小二乘法進(jìn)行六次方曲線(xiàn)擬合得到的。由圖4可知，在流量較小時(shí)，儀表系數K值隨流量的增大而逐漸增大；在一定流量范圍內，K值逐漸趨于穩定。

圖4 流量計K-q曲線(xiàn)

在0.9～10m³/h流量范圍內，儀表系數K值變化較大，根據表2中的數據，可算出在此范圍內儀表系數K的變化率為：

    （3）

在10～80m³/h（最大流量）流量范圍內，儀表系數K的變化較小，在7421上下波動(dòng)，最大值為7441，最小值為7402。儀表系數K的變化率為：

    （4）

    （5）

由上述分析可知，在0.9～10m³/h流量區間內，K的變化率較大（4.24%），對測量精度影響較大，因此在這個(gè)區間內需要對儀表系數進(jìn)行補償修正。在10～80m³/h（最大流量點(diǎn)）流量范圍內，K的變化率很�。�0.27%和-0.26%），即使對K不做修正，直接取7421，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(chǎng)合，可直接采用流量計原來(lái)的儀表系數。

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

    （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。

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

f=Kq   （8）

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

    （9）

表2中的數據用式（9）換算后，如表3所示。

表3 在不同脈沖頻率下對應的儀表系數K

對表3中數據用最小二乘法進(jìn)行六次方擬合，如圖5所示。

圖5 流量計K-f曲線(xiàn)

圖5中，K-f曲線(xiàn)可分為兩部分：前半段波動(dòng)較大部分和后半段波動(dòng)較小部分，即脈沖區間1.777～20.62Hz和20.62～165.1Hz兩個(gè)區間分別進(jìn)行修正。

在儀表系數變化較小的區間，用最小二乘法進(jìn)行二次擬合得到的函數為：

    （10）

所以，當脈沖頻率小于20.62Hz時(shí)（即瞬時(shí)流量小于10m³/h），用式（10）計算儀表系數（K=K₁）。反復試驗證明，采用式（10）計算儀表系數時(shí)精度較高，誤差從原來(lái)的4.26%降到0.2%以?xún)取?/p>

當脈沖頻率大于20.62Hz時(shí)，由于在20.62～165.1Hz區間內，儀表系數K的波動(dòng)較小，誤差在0.3%以?xún)�，計算時(shí)用原始儀表系數即K=K0即可。

5 結束語(yǔ)

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