渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法研究

成詠華, 邢婷婷

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299）

渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法研究

成詠華, 邢婷婷

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299）

介紹了一種渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法，該方法采用MS5535B傳感器測量被測氣體的溫度和壓力，采用軟件方法進行補償。

渦輪式氣體流量計；溫度補償；壓力補償

0 引言

氣體的流量通常用體積流量來表示，體積流量是指單位時間內(nèi)通過管路任一截面的氣體體積。但是由于氣體分子排列松散，隨著溫度或壓力的變化，分子間距會發(fā)生變化，體積也會發(fā)生相應的變化。體積與壓力成反比，與溫度成正比，在溫度和壓力變化的情況下，無法計量和比較氣體的體積流量，需要將其統(tǒng)一轉換為標準狀態(tài)下的體積流量。工程上氣體流量一般都以標準狀態(tài)下的體積流量來表示。因此，需要對工作狀態(tài)下測得的氣體流量進行溫度、壓力補償[1]。

1 渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法

渦輪式氣體流量計直接測量的是工作狀態(tài)下氣體的體積流量，標準狀態(tài)下氣體的體積流量為:

式中qVn、qV——分別為標準狀態(tài)和工作狀態(tài)下的體積流量，m3/h; p、T、Z——分別為工作狀態(tài)下絕對壓力（Pa），熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數(shù); pn、Tn、Zn——分別為標準狀態(tài)下絕對壓力（Pa），熱力學溫度（K）和氣體壓縮系數(shù)[2]。

由于被測氣體所處狀態(tài)壓力較低，且溫度大大高于臨界溫度，因此可以按理想氣體計，這時氣體壓縮系數(shù)取為1[3]。將測量得到的工作狀態(tài)下的溫度和壓力數(shù)值帶入（1）式，即可得到補償后的氣體流量數(shù)值。

2 溫度、壓力測量用傳感器

工作狀態(tài)下的溫度、壓力數(shù)值可采用型號為MS5535B的集成壓力傳感器來進行測量。MS5535B的主要功能是將從壓阻式壓力傳感器輸出的未經(jīng)補償模擬電壓值轉換為16位的數(shù)字量，同時提供一個傳感器溫度的16位數(shù)字量。該芯片具有如下特點：

1）0—14 bar的絕對壓力范圍

2）芯片中存有用于軟件補償?shù)?個系數(shù)

3）15位的ADC

4）3線串行接口

5）1個系統(tǒng)時鐘（32.768kHz）

6）低電壓低能量消耗

7）供電電壓在2.2V 3.6V

8）低電壓電流

9）-40+125℃工作溫度

MS5535B有8個引腳，引腳定義和功能如表1所示。

表1 MS5535B引腳說明

3 溫度、壓力測量傳感器與單片機的接口電路設計

MS5535B與單片機MSP430F147的通信是通過3線同步的串行接口實現(xiàn)的。圖1為壓力傳感器MS5535B和單片機MSP4320F147的硬件連接圖。單片機MSP430F147的P2.1引腳輸出同步串行時鐘信號，P2.4引腳采樣由MS5535B輸出的數(shù)據(jù)，P2.2引腳輸出數(shù)據(jù)給MS5535B，P2.0引腳向MS5535B輸出32.768kHZ的主時鐘信號。

圖1 壓力傳感器MS5535B和單片機MSP430F147的硬件連接圖

4 軟件設計

MS5535B輸出的電壓與溫度和測量過程的誤差有很大關系，所以需要補償這些影響。補償是通過單片機MSP430F147軟件補償來實現(xiàn)的。補償用的校準數(shù)據(jù)Word1到Word4存儲在MS5535B的64位PROM中，可通過單片機MSP430F147的軟件讀出用于對16位的壓力值（D1）和16位溫度值（D2）進行補償，得到用于渦輪式氣體流量計溫度、壓力補償?shù)膲毫χ岛蜏囟戎?。圖2描述了讀取壓力值、溫度值和軟件補償執(zhí)行的過程。首先，通過串行接口讀出word1到word4。下一步，用位方式邏輯和移位操作取出補償系數(shù)C1到C6（word1到word4的位模式參考表2）。然后單片機MSP430F147通過串行接口讀取16位的壓力值（D1）和16位溫度值（D2）。最后，通過D1、D2和C1到C6運用圖2所示的運算法則計算出補償后的壓力值。

圖2 壓力和溫度讀取以及軟件補償流程圖

表2 校準數(shù)據(jù)Word1到Word4中的排列（位模式）

Word1到Word4、D1和D2是通過3線同步串行通信讀取的。MS5535B在SCLK的上升沿采樣一位，并且在上升沿發(fā)送一位，以此來實現(xiàn)信號轉換的同步。單片機MSP430F147在SCLK的下降沿采樣從MS5535B的DOUT引腳輸出的數(shù)據(jù)，并且在SCLK的下降沿將數(shù)據(jù)發(fā)送到MS5535B的DIN引腳，SCLK信號是由單片機MSP430F147產(chǎn)生的。輸出數(shù)據(jù)的選擇通過向MS5535B的DIN（數(shù)據(jù)輸入）腳輸入相應的指令來實現(xiàn)。

如圖3所示，MS5535B和單片機MSP430F147的每一次通訊都是以單片機MSP430F147向MS5535B芯片的DIN腳發(fā)送一個指令序列開始的。在每一個指令序列之前都有一個開始序列（3個高電平1），每一個指令序列之后都有一個停止序列（3位低電平0）。每一條指令有四位組成，用于選擇由MS5535B的DOUT腳輸出的是壓力、溫度或是校準數(shù)據(jù)。在輸出壓力和溫度時，在停止序列的最后一位時，MS5535B的DOUT腳會輸出一個應答信號——低電平到高電平的轉換，表示了一次轉換的開始。應答信號之后，單片機MSP430F147向MS5535B的SCLK腳輸人2個脈沖，然后再輸出低電平，保持MS5535B的SCLK腳為低，直到在MS5535B的DOUT腳出現(xiàn)由高到低的信號，表示轉換結束。單片機MSP430F147通過向MS5535B的SCLK腳輸入另外的17脈沖讀出MS5535B的DOUT腳輸出的16位數(shù)字。

如果單片機MSP430F147和MS5535B失去同步性，可以用通過復位指令來重新啟動。在每一次轉換指令之前先向MS5535B的DIN腳發(fā)送復位指令，以防止由于電氣沖突協(xié)議長久掛起。

Mehtod of Temperature and Pressure Compensation of the Gas Turbine Flowmeter

CHENG Yonghua, XING Tingting
(Tangshan Polytechnic College, Tangshan 063299, China)

This article describes the method of temperature and pressure compensation of gas turbine flowmeter. The method adopts the MS5535B sensor to measure temperature and pressure of the gas, using software method to compensate.

turbine flowmeter; temperature compensation; pressure compensation

TH814

B

1674-943X(2016)04-0004-02

2016 - 08 - 24

成詠華（1978 - ），女，漢族，河北懷來人，碩士，講師，主研方向為電氣自動化方向研究。