罗茨流量积算仪的低功耗设计

　　1引言

　　罗茨流量计在天然气计量中广泛使用着，但由于工业现场的复杂性，存在着使用时间受限、单一的补偿系数带来较大的计量误差等缺点。本文设计的基于MSP430F149单片机超低功耗积算仪能有效克服上述缺点，利用高可靠的脉冲传感器、温度和压力传感器，实时对介质进行温压补偿计算;采用友好的人机界面，提供直观的数据资料，并可提供数据存储和RS485远传功能。这里引入天然气压缩系数Z，改进了流量补偿的数学模型，修正了传统的计量公式，进一步提高天然气的计量精度。

　　2系统硬件设计

　　本流量积算仪硬件部分主要包括MSP430F149主控模块、脉冲信号采集模块、温度和压力传感器、时钟模块、液晶显示模块、键盘、数据存储模块以及数据远程传输模块。系统硬件框图如图1所示。

　　罗茨流量计又称腰轮流量计，是容积式流量计。在腰轮的轴上安装磁钢，腰轮每旋转一周，由于磁钢的磁极变化，经脉冲传感器产生脉冲信号，再通过对脉冲信号的采集，结合当前温度和管道压力，计算出介质在标准状况(101. 325 kPa, 293. 15 K)下的瞬时流量和累积流量。

　　TI公司生产的MSP430F149是16位RISC结构FLASH型单片机，配备12 bitA/D、硬件乘法器、PWM,USART等模块，多种低功耗模式设计，非常适合于手持设备或低功耗产品的开发[1-2].脉冲传感器采用ZPll韦根传感器，该传感器根据韦根德效应研制，具有输出信号幅值高、工作稳定，且不需要外加电源的优点。温度传感器采用DS18B20，是数字式一线制温度传感器，可以只用单片机的一个I/U口完成所有读写操作，具有很高的转换速度和精度。这里采用外部供电方式，待命状态消耗电流1 μA。压力传感器采用电桥平衡式绝压传感器MC26。图2为压力传感器工作电路。

　　恒流源LM334为压力传感器提供工作电流，电压信号经差分放大后送人MSP430F149片内A/D进行转换。

　　本系统具有良好的人机界面，LCD实时显示当前的时间、温度、压力、累积流量、瞬时流量和电池电量等信息。通过主板自带键盘或外部接人的手操器，可人工置入时间、流量计仪表系数、流量上限等，易于与不同口径表体装配[3]。

　　数据存储模块采用FM24CL64，是一种新型的铁电存储器。时钟模块采用DS1307。上述芯片均支持I2C总线，MSP430F149通过软件模拟总线协议来进行相应操作。远程传输模块包括RS485输出功能和工业级4 ~20 mA输出功能。RS485输出可完成当前或历史数据的传输，便于上位机的管理。为满足不同工况的要求，本系统还配备4 ~ 20 mA输出功能，实现瞬时流量数据的远传[4]。