無線溫壓補(bǔ)償式燃?xì)獗?

宣芳黎，毛謙敏，劉志輝

（中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)從煤炭、燃油向天然氣的轉(zhuǎn)變，天然氣的應(yīng)用在近年來得到了迅猛的發(fā)展，工業(yè)和家用燃?xì)獗淼男枨罅坎粩嗌仙Ｄ壳?，大多?shù)使用的燃?xì)獗矶际歉鶕?jù)進(jìn)出表的燃?xì)怏w積來測(cè)定其流量，作為一次檢測(cè)儀表的流量計(jì)本身僅僅能夠檢測(cè)供氣狀態(tài)下的燃?xì)怏w積量［1］，而氣源單位的結(jié)算是以燃?xì)獾臉?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為依據(jù)的。在溫度、壓力的影響下，燃?xì)怏w積的購氣結(jié)算狀態(tài)與供氣狀態(tài)的不同造成了燃?xì)怏w積的計(jì)量誤差。燃?xì)獗砦磳?duì)溫度和壓力進(jìn)行修正，會(huì)給燃?xì)赓Q(mào)易計(jì)量帶來很大的不方便。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的低功耗燃?xì)獗?，該燃?xì)獗頇z測(cè)到燃?xì)夤r條件下的體積量后，通過對(duì)溫度、壓力的修正，轉(zhuǎn)換成燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，并由液晶數(shù)字顯示器顯示，可通過無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線抄表。

1 溫壓補(bǔ)償?shù)幕驹?/h2>

標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下的瞬時(shí)流量可按下式計(jì)算［1］

式中Qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的瞬時(shí)流量，m3/h;Qf為工況條件下的瞬時(shí)流量，m3/h;pn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的絕對(duì)壓力，其值為0.101 325 MPa;pf為工況條件下的絕對(duì)壓力，MPa;Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的熱力學(xué)溫度，其值為293.15 K;Tf為工況條件下的熱力學(xué)溫度，K;Zn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的壓縮因子;Zf為工況條件下的壓縮因子。

天然氣壓縮因子的計(jì)算方法為AGA8—92DC，該計(jì)算方法利用已知?dú)怏w的詳細(xì)摩爾組成計(jì)算壓縮因子［2］。由于實(shí)際氣壓和溫度變化較小，認(rèn)為詳細(xì)摩爾組成基本不變，即Zn/Zf=1。

2 硬件設(shè)計(jì)

燃?xì)獗淼慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括溫度壓力采集模塊、流量采集模塊、存儲(chǔ)器模塊、無線收發(fā)模塊、電源、液晶顯示及按鍵組成。在燃?xì)獗韮?nèi)安裝溫壓傳感器用來測(cè)量瞬時(shí)溫度和壓力;流量傳感器安裝在進(jìn)氣口處用來測(cè)量燃?xì)獾捏w積流量;單片機(jī)將采集的溫度壓力和流量信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算后，記錄數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器，按需要顯示。設(shè)置無線通信模塊，每隔一段時(shí)間發(fā)送表內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。

圖1 燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of gas meter

本方案中的核心是采用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F435，它具有5種（lpm0～lpm4）低功耗模式，供電電壓在1.8～3.6 V之間變化［3］。芯片具有強(qiáng)大的16位精簡(jiǎn)指令集，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以實(shí)現(xiàn)最大代碼的執(zhí)行率。

2.1 溫度與壓力采集

溫度與壓力采集使用的是Intersema公司的MS5803—01BA壓力傳感器，是一種集成壓力傳感器。模塊的供電電壓為1.8～3.6 V，壓力測(cè)量范圍為1～130 kPa，分辨率可達(dá)1.2 Pa，溫度測(cè)量范圍為－40～+85℃，溫度測(cè)量的分辨率小于0.01℃，壓力精度為 ±250 Pa，溫度精度為 0.8 ℃［4］。可采用四線SPI和I2C通信，本設(shè)計(jì)采用的是四線模擬SPI通信，電路圖連接如圖2所示。

圖2 MS5803與MSP430的連接電路Fig 2 Connection circuit between MS5803 and MSP430

單片機(jī)從傳感器中讀到校準(zhǔn)參數(shù)和溫度、壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度、壓力值，根據(jù)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行一次補(bǔ)償。并按照一定的算法對(duì)壓力進(jìn)行二次溫度補(bǔ)償，得到精確的壓力值。

2.2 流量采集

燃?xì)獗淼牧髁坑?jì)是借助于常用的機(jī)械計(jì)數(shù)器燃?xì)獗?，選用干簧管對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤r流量的計(jì)量。流量采集模塊通過2個(gè)干簧管分別連接到MSP430單片機(jī)的2個(gè)具有中斷功能的I/O口，當(dāng)燃?xì)夤r流量達(dá)到1 m3時(shí)，2個(gè)干簧管依次吸合一次，2個(gè)單片機(jī)管腳分別產(chǎn)生一次跳變，從而依次觸發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量［5］。

2.3 存儲(chǔ)器

系統(tǒng)的存儲(chǔ)器采用FM24CL04，燃?xì)獗碇兄T如累積流量、瞬時(shí)流量等重要數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)器中。由于FM24CL04是非易失性鐵電存儲(chǔ)器，在斷電之后仍能把所存儲(chǔ)的信息保存下來，這樣可克服由電池長期維持RAM中信息所潛在的不可靠性，并且可以像RAM一樣地快速讀寫，比EEPROM存儲(chǔ)器可靠性更高，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單［6］。

2.4 無線通信模塊

與有線通信技術(shù)相比，無線通信技術(shù)可以減少布線和維護(hù)成本。無線通信采用符合Zig Bee標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、高性能的無線網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)。CC2420是一種適用于Zig Bee產(chǎn)品的RF器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。它的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性［7］。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s。在使用PCB天線的情況下，通信可視距離達(dá)60 m，可實(shí)現(xiàn)RFD、FFD和協(xié)調(diào)器的所有功能［8］。

3 軟件設(shè)計(jì)

該燃?xì)獗淼能浖捎肅語言編制。軟件的設(shè)計(jì)以測(cè)量的準(zhǔn)確性和低功耗為主要目標(biāo)。軟件主要由1個(gè)主程序和3個(gè)中斷服務(wù)子程序以及若干實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的子程序組成。

主程序工作流程如圖3所示，以循環(huán)的方式工作，完成初始化、中斷的初始設(shè)置及子程序的調(diào)用。初始化包括未使用端口、液晶端口、按鍵、脈沖輸出端口、溫度壓力供電控制端口、流量采集、定時(shí)器、WDT的初始化。

圖3 主程序流程圖Fig 3 Flow chart of main program

單片機(jī)根據(jù)傳感器的通信協(xié)議，發(fā)送相應(yīng)的指令，讀取傳感器中相應(yīng)的壓力、溫度及校正參數(shù)值，計(jì)算溫度壓力值，并顯示;每隔2s更新一次溫度壓力的值;實(shí)時(shí)檢測(cè)流量是否更新，如更新，讀取流量，并進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償計(jì)算處理，將最新的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器;若有通信要求，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并處理通信數(shù)據(jù);按鍵可切換不同的顯示模式。

中斷服務(wù)子程序包括定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、流量采集端口中斷服務(wù)子程序和按鍵端口中斷服務(wù)子程序。

定時(shí)器中斷流程圖如圖4（a）所示，每2 s中斷一次，單片機(jī)從傳感器采集溫度、壓力信號(hào)，計(jì)算溫度和溫度補(bǔ)償后的壓力值;無線通信模塊通常處于休眠模式，燃?xì)獗砜擅扛粢欢螘r(shí)間向管理計(jì)算機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

流量采集端口中斷流程圖如圖4（b）所示。流量采集有兩個(gè)端口，當(dāng)燃?xì)獗淼膫鞲衅饔行盘?hào)來的時(shí)候，根據(jù)流量脈沖的順序，對(duì)流量對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的進(jìn)行累計(jì)，判斷是正轉(zhuǎn)還是翻轉(zhuǎn)，并計(jì)數(shù)流量脈沖值。

按鍵端口中斷流程圖如圖4（c）所示。若有按鍵按下，置按鍵標(biāo)志位、賦按鍵值，退出低功耗模式并返回主程序，根據(jù)按鍵值切換不同的顯示模式。

圖4 中斷流程圖Fig 4 Flow chart of interruption

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

一般天然氣供氣壓力為2500～3000 Pa［9］，溫度為管道內(nèi)供氣溫度。燃?xì)獗碓诮橘|(zhì)為空氣的狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 燃?xì)獗韺?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Gas meter test data

由表1中的數(shù)據(jù)和式（1）可知，在壓力增大的情況下，溫度升高才能保證氣體體積不變。一般供氣壓力下，當(dāng)溫度25.8～28.7℃時(shí)，氣體體積變化不大;當(dāng)溫度高于28.7℃，對(duì)大多數(shù)的使用者來說是體積減少的;溫度低于25.8℃，對(duì)大多數(shù)的經(jīng)營者來說是減少的。

設(shè)Vn為標(biāo)況體積流量，即氣源結(jié)算狀態(tài)體積;Vf為工況體積流量，即供氣狀態(tài)體積，則體積損失百分率為（1－Vf/Vn）×100%。

2007 年，北京年平均溫度為 14.0℃，年平均氣壓101.26 kPa，杭州年平均溫度為 18.4℃，年平均氣壓101.09 kPa。若取供氣壓力為 2.5 kPa，則計(jì)算其損失見表2。

表2 燃?xì)鈸p失計(jì)算表Tab 2 Sheet of gas loss calculation

5 結(jié)論

本文采用的溫壓補(bǔ)償式燃?xì)獗砜蓪?shí)現(xiàn)燃?xì)獾臏?zhǔn)確計(jì)量，并可無線發(fā)送表內(nèi)數(shù)據(jù)至管理計(jì)算機(jī)。隨著我國天然氣消費(fèi)量的增加，因計(jì)量誤差帶來的經(jīng)濟(jì)損失將變大。為保證用戶和經(jīng)營者的合法利益，對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行溫度、壓力的修正是必要的。

［1］鄭永軍，趙偉國，李文軍，等.在線補(bǔ)償天然氣流量積算儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（12）:38－40.

［2］GB/T 17747.1—1999，天然氣壓縮因子的計(jì)算—1 導(dǎo)論和指南［S］.

［3］李智奇，白小平，陳小龍，等.MSP430系統(tǒng)超低功耗單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:26.

［4］Intersema MS5801—01BA Altimeter Module ［EB/OL］.（2010—06—15）［2011—04—10］.http:// www.intersema.ch/products/guide/calibrated/ms5803 －01ba/.

［5］崔 洋，姜 宇，鐘麗鴻，等.數(shù)字遠(yuǎn)傳燃?xì)獗淼牡凸脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（2）:209 －214.

［6］吳鴻霞，皮大能.FM24 CL04在ZLT—S1型脫扣器動(dòng)作一致測(cè)試儀中的應(yīng)用［J］.黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24（2）:15 －19.

［7］王水璋，閆文娟.基于MSP430與CC2420的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18（33）:134－136.

［8］郛 丹，李傻芳.Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.過程自動(dòng)化，2009，30（4）:20 －23.

［9］楊玉玲.淺談溫度、壓力對(duì)皮膜表計(jì)量誤差及經(jīng)營效益的影響［J］.城市煤氣，2001，315（5）:13 －18.