基于MSP430的悬浮单转子流量计设计

摘 要：为提高悬浮单转子流量计计量精度，有效降低电池功耗，延长其工作时间，设计了基于MSP430F149的悬浮单转子流量计的硬件及软件。采用KCF20公式进行温度密度补偿，提高计量的准确性；用最小二乘法对试验数据进行非线性拟合，完成对仪表系数K的分段修正，从而克服了流量计在计量过程中因漏流而带来的误差。同时，设计了三级电压转换电路，并通过WEBENCH软件进行了仿真测试。

关键字：悬浮单转子 流量计 低功耗 分段修正 MSP430 电压转化电路

0 引言

随着微电子技术和低功耗技术的发展以及人们对测量准确性和可靠性需求的逐步提高，传统的机械式容积流量计由于存在负荷重、易损坏以及误差修正不灵活等缺点，已逐步被新一代的智能数字式流量计代替。智能流量计与传统流量计的机械传动计数方式不同，它采用CPU微处理器，使计量直观、准确、读数方便，很好地弥补了机械式表头流量计的缺点及不足。但是在某些场合，例如油田中分布的油井，由于引用外接电源较为困难或代价昂贵，导致一些数字式表头的智能流量计在这些地方无法得到很普遍的应用。基于以上原因，使智能表头流量计能在没有外接电源供电的场合长期稳定地工作就变得尤为迫切。

本文所研究的基于MSP430F149悬浮单转子流量计就是针对上述问题而设计的。本设计采用低功耗单片机MSP430F149作为流量计的主控制器，零功耗ZP11型韦根德传感器作为流量计的前端传感器获取脉冲信号，采用高效率的电源转换模块等一系列的节能措施，实现流量计硬件的低功耗设计。在硬件设计的基础上，通过软件对流量计进行了温度密度补偿及仪表系数的分段修正，以提高流量测量精度。

1 悬浮单转子流量计的工作原理简介

悬浮单转子流量计由内圆筒和外圆筒组成，内外圆筒同心，内外圆筒之间装有一固定隔板，以防止被测液体由入口直接流向出口。在隔板上下两端装有上下分流箱，分别对称开轴孔，轴孔内装有一根轴，插在偏心轴承内，与测量室中心轴连在一起。当被测流体通过上下分流箱的进出口时，转子在压差的作用下将会浮起，并在测量室内做旋转运动。每当转子旋转一周，就有一定量的流体排出，所以只要用转速传感器测量转子的转速，就可间接测得流过液体的体积。

2 硬件的低功耗设计

悬浮单转子流量计硬件采用美国德州仪器公司（TI）生产的MSP430F149单片机作为主控芯片，完成对脉冲信号、温度信号、压力信号的处理。RS-485通信模块实现流量计与上位机的通信。由于电流环在工业现场具有较好的抗干扰性能，因此设计了4～20mA电流输出模块。LCD液晶显示模块完成对累计流量、瞬时流量、时间、温度、压力等参数的显示。按键模块完成仪表系数等参数的设置。流量计硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

2.1 微处理器（MCU）选用

经过对微处理器的特性、工作模式、工作电流、休眠电流、掉电电流等参数进行详细的分析对比，根据实性能需求和性价比，最终选用美国德州仪器（TI）公司生产的MSP430F149作为悬浮单转子流量计的微处理器。

2.2 脉冲信号检测与处理

由于设计的流量计需要在电池供电的情况下长期工作，因此为了降低流量计整体的功耗延长电池寿命，选用零功耗的ZP11型韦根德传感器来采集流量信号。ZP11型韦根德传感器可以将流量信号转化成脉冲信号，但脉冲信号不标准，需要经过放大和整形才能被单片机接收计数。

2.3 温度检测

温度的变化会影响流体的密度，体积也相应改变，导致测量体积流量时会产生较大的误差。所以，在计算实际流量时，要对一些被测介质进行温度补偿，从而提高流量计测量精度。本文研究的悬浮单转子流量计主要用于原油计量，这里只分析温度和压力对原油体积的影响，并对其做出补偿。表1为温度相差1K、压力相差50kPa时，对原油标准体积计算结果产生的影响。表1中，MF为流量计系数，C_plm为流量计中的原油流体受压力影响的修正系数，V₂₀为原油标准体积。

表1 温度、压力对标准体积的影响

根据规范的规定，原油的温度-体积修正系数K_CF20为原油在标准温度（20℃）和压力（101.325kPa）下的体积与其在非标准状态下的体积之比，为：

    （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为在温度为t时原油的密度。

因此，只要测得被测原油的温度，便可计算出原油的温度-体积修正系数K_CF20，从而对其进行补偿。

考虑低功耗要求，选用美国模拟器件公司的TMP36温度传感器。TMP36是低电压、精密摄氏温度传感器，可提供与摄氏温度呈线性比例关系的电压输出。温度传感器TMP36检测温度并输出对应的电压值，但是电压信号比较弱，单片机无法识别。所以传感器的输出电压信号，经过运算放大器2254A放大后，再送给MSP430F149的P_6.7引脚进行A/D转换。

2.4 电源电路设计

在一个对功耗要求较高的系统中，供电电源的设计至关重要，设计时必须仔细考虑电源电路结构。

电源电路架构如图2所示。

图2 电源架构

系统电源由两枚标称电压值为3.6V的锂电池提供。为提高电源转换效率，减小功率耗散，系统设计了三级电压转换，并用WEBENCH软件对其转换效率进行了仿真测试。

第一级转换电路将7.2V的电源电压转换为5V电压，提供给LCD1602液晶模块等使用，转换效率为91.0%。第二级转换电路将第一级转换输出的5V电压转换为3.3V电压，供给单片机、时钟模块、串口通信模块等部分使用，转换效率为86.8%。第三级转换电路将第二级输出的3.3V电压转换为2.7V电压，供给温度等模块使用，转换效率为89.0%。电源模块的整体转换效率为85.8%，功率耗散为0.01W，符合设计要求。

3 软件设计

主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

系统初始化时，根据实际需要，首先对单片机MSP430F149的各个端口的功能做出相应的设置，并赋给初始值。没有用到的I/O口一般设置为输出。单片机的P_6.6和P_6.7端口分别用于对压力和温度信号的A/D采样，这两个端口的寄存器工作方式都设置为输入，并设定采样参考电压为2.5V。P_3.4（第二功能为UTXD0）和P_3.5（第二功能为URXD0）端口用于串口通信，分别与MAX3485芯片的DI和RO引脚连接，寄存器的工作方式设置为输入。韦根德传感器送来的脉冲信号用P_1.1引脚捕获，工作方式设置为输入。

完成初始化任务后，CPU从Flash里读取累计流量和仪表系数等参数，并且在LCD上循环显示一遍当前的温度、压力、流量以及电池电量。此时用户就可以根据实际需要，通过按键对一些参数进行修改。没有中断发生时，系统将自动进入低功耗模式，只有当中断发生时，系统才被唤醒，进入工作模式并响应中断。

4 仪表系数修正

悬浮单转子流量计在测量过程中产生的误差，主要是因为流量计机械部分存在漏流引起的，而这种漏流现象通过提高机械加工精度是无法完全消除的。

任何容积式流量计，在流量计外壳和转动部件之间都会存在间隙。由于这些间隙的存在，在转子旋转时会使一部分液体直接从入口流向出口，这部分液体体积无法被计量在内。当转子旋转一周时，实际流过流量计量腔的液体体积V将大于量腔的标准体积V₀，导致计算瞬时流量和累计流量时，实际的仪表系数K将不等于K₀。因此，需要对仪表系数进行修正和补偿。此外，不同流速下被测液体的漏流量也不同。因此，在修正补偿时，需针对不同的流速范围，对仪表系数进行分段补偿。

本文为了获取悬浮单转子流量计在不同流量q下对应的仪表系数，对悬浮单转子流量计进行了检定。具体步骤为：将悬浮单转子流量计与标准装置串联，让被测流体依次流过，在标准装置上读取q的值。通过软件将悬浮单转子流量计的仪表系数K设置为1，那么悬浮单转子流量计液晶显示器上显示的累计流量就是这段时间内的脉冲个数N。通过N和q即可间接计算出不同流速下对应的仪表系数K。对多个不同流量的检定数据如表2所示。

表2 在不同瞬时流量下对应仪表系数K的值

图4所示曲线是根据表2数据用最小二乘法进行六次方曲线拟合得到的。由图4可知，在流量较小时，仪表系数K值随流量的增大而逐渐增大；在一定流量范围内，K值逐渐趋于稳定。

图4 流量计K-q曲线

在0.9～10m³/h流量范围内，仪表系数K值变化较大，根据表2中的数据，可算出在此范围内仪表系数K的变化率为：

    （3）

在10～80m³/h（最大流量）流量范围内，仪表系数K的变化较小，在7421上下波动，最大值为7441，最小值为7402。仪表系数K的变化率为：

    （4）

    （5）

由上述分析可知，在0.9～10m³/h流量区间内，K的变化率较大（4.24%），对测量精度影响较大，因此在这个区间内需要对仪表系数进行补偿修正。在10～80m³/h（最大流量点）流量范围内，K的变化率很小（0.27%和-0.26%），即使对K不做修正，直接取7421，对流量计测量精度影响也很小。所以在测量精度要求不高的场合，可直接采用流量计原来的仪表系数。

在0.9～10m³/h流量范围内，用二次多项式进行拟合，拟合曲线的函数表达式为：

    （6）

在单片机程序中，q的计算式为：

    （7）

式中：f为脉冲频率；K₀为流量计原始仪表系数。

在单片机程序中无法用式（7）进行修正，需要把K与q关系转换为K与f的关系。

f=Kq   （8）

通过式（8）可以把表2中K与q的关系转化为K与f的关系。q的单位为m³/h，为了便于计算，将其转换为以秒为单位的流量（m³/s）。

    （9）

表2中的数据用式（9）换算后，如表3所示。

表3 在不同脉冲频率下对应的仪表系数K

对表3中数据用最小二乘法进行六次方拟合，如图5所示。

图5 流量计K-f曲线

图5中，K-f曲线可分为两部分：前半段波动较大部分和后半段波动较小部分，即脉冲区间1.777～20.62Hz和20.62～165.1Hz两个区间分别进行修正。

在仪表系数变化较小的区间，用最小二乘法进行二次拟合得到的函数为：

    （10）

所以，当脉冲频率小于20.62Hz时（即瞬时流量小于10m³/h），用式（10）计算仪表系数（K=K₁）。反复试验证明，采用式（10）计算仪表系数时精度较高，误差从原来的4.26%降到0.2%以内。

当脉冲频率大于20.62Hz时，由于在20.62～165.1Hz区间内，仪表系数K的波动较小，误差在0.3%以内，计算时用原始仪表系数即K=K0即可。

5 结束语

本文在简要分析悬浮单转子流量计工作原理的基础上，进行了流量计智能表头的硬件及软件的低功耗设计，实现了瞬时流量、累积流量、温度、时间参数的显示，满足在电池供电的情况下长期工作的要求。在此基础上，通过流量试验完成了仪表系数的分段修正，解决了流量计机械部分不可避免的漏流现象引起的测量误差。针对在大量原油交接测量过程中温度对体积流量的较大影响，采用KCF20公式进行了温度密度补偿，提高了测量精度。