基于MSP430单片机的标准孔板智能流量积算仪

　　天然气标准孔板流量计是一种基于伯努利原理的差压式流量计,它通过测量差压而达到测量流量的目的。近年来人们为了提高天然气计量的准确度,基于不同原理制造了不同的流量计,如涡街流量计、旋进漩涡流量计,但孔板流量计仍以结构简单、价格低廉及易于制造、安装和维护等优点得到广泛使用。据近年调查估计,在天然气流量测量用流量计中利用标准孔板的在国际上约占60%,在国内约占90%[1]。

　　本文所要讨论的就是一种用于天然气标准孔板流量计的智能流量积算仪。它应用低功耗单片机MSP430作为控制器,不仅能够在线测量流量值和差压、静压、温度值,同时还能实时进行参数的温压补偿,流量计算模型符合标准[2]规定,具有功能齐全、计量准确、功耗低的优点。

　　1　工作原理

　　该智能流量积算仪的工作原理图如图1所示。其系统控制器选用美国TI公司生产的单片机MSP430F149。MSP430系列单片机因其低功耗已广泛应用于仪器仪表行业,特别适用于市电供给困难的场合,可长期使用干电池供电。

　　由传感器检测到的孔板上游侧气流绝对静压、气流流经孔板产生的差压和气流温度值经模拟开关选择放大后,由单片机自带的12位A/D转换器进行转换。转换结果由CPU按一定的数学模型[2]进行实时运算和补偿,得到瞬时流量值和气体总量。计算结果进行保存,并通过液晶屏显示,也可通过外围电路按其他方式输出。本积算仪还可通过485接口与上位机之间进行通信而作为一个较大范围内的流量计量管理系统的一个节点。

　　本系统可采用内部3.6V的锂电池和外部24V电源两种供电方式。在正常计量时采用内部电池供电;当用户需要输出标准信号时采用24V的外电源供电。

　　2　主要特点

　　2.1　低功耗设计

　　选用的MSP430系列单片机是一种低电压(1.8V~3.6V)、低工作电流(在1MHz时为0.1~400μA)、具有5种省电模式的超低功耗微控制器[3][4];外围电路基本采用微功耗的贴片式CMOS芯片,使得整机最大工作电流小于380μA,基本保证使用1节3.6V锂电池(5Ah)供电仪表就能持续正常工作1.5~2年。

　　2.2　计量准确

　　压力、差压传感器选用的是高灵敏度、高可靠性的压阻式传感器,传感器桥路外带零点温度补偿电阻;流量的计算模型符合标准[2]规定,相关参数具有相应的实时温压补偿;计算时全部采用5字节的浮点数,计算精度在±0.1%以内,即使在极限情况下,其计算精度也能达到≤±0.2%。

　　2.3　功能齐全,用户界面友好

　　可提供4~20mA的标准模拟信号,0~1000Hz的频率信号或脉冲信号;流量的历史记录可查询;可通过RS-485接口与上位机通信,便于集中管理;或与专用Modem配套,利用电话网络构成自动读表与管理系统;采用LCD显示流量、温度、压力和差压值,还能显示电池余量,具有电池失压报警功能;4个按键可以完成参数设置、功能切换、实时测量、在线标定等多种功能,操作简单、直观。