[导读] 针对目前工业现场的天然气计量情况，设计了超低功耗罗茨流量积算仪；引入天然气压缩系数Z，对理想气体状态方程进行修正，流量计能够更精确地实时温压补偿；详细介绍了积算仪的硬件和软件设计方案，利用MSP430单片机的低功耗和高集成度的优点。该系统适合于电池供电和远程应用场合，应用结果表明，该系统运行稳定可靠，检测精度高，具有一定的实用性和推广价值。
0 引言
目前，机械表头式罗茨流量计在天然气计量工业现场仍然大量采用，但由于工况的复杂性，用单一的补偿系数给计量带有较大的误差。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，提供直观详细的数据资料，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。
1 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。图1为系统硬件框图。
罗茨流量计又称腰轮流量计，是容积式流量计我们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，通过脉冲传感器产生脉冲信号。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（101.325kpa，293.15K）下的瞬时流量和累积流量。
MSP430F149是T1公司产品，16位RISC结构FLASH型单片机，配备l2bitA/D、硬件乘法器、PWM、USART等模块，多种低功耗模式设计，很适合于本产品的开发[1-2]。
脉冲传感器采用韦根传感器ZP11，根据韦根德效应所研制，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，可以仅使用单片机的一个I/O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1μA。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事流量仪表和自动化检测装置方向的研究。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，可人工置人时间、流量计仪表系数、流量上限等，易于与不同口径表体配合装配。
数据存储模块采用FM24CL64，是一种新型的铁电存贮器时钟模块采用DS1307。上述芯片均支持I2C总线，MSP430FI49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4~20mA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4~20mA输出功能，实现瞬时流量数据的远传。
2 数学模型及软件实现
2.1 数学模型
一般的气体当压力相当小，温度相当高时，可看成是理想气体。在流量测量中，气体流经流量计的时间很短，来不及与外界进行热交换，且不考虑摩擦生热。因此，这时发生的气体状态变化过程可近似地视为可逆绝热过程或等熵过程。因此，可用绝热过程状态方程式来计算不同状态下的比容（v）或密度（ρ）。但在工程上，一般根据波义耳一查理方程pV=RT，这一理想气体状态方程式来计算密度ρ，即
（1）
其中 ρ— 工作状态下气体的密度；
ρx— 标准状态下气体的密度；
p— 气体的工作压力；
px— 气体在标准状态下的压力；
T— 气体的工作温度；
Tx— 气体在标准状态下的温度。
但实际气体在温度、压力变化时，要引入一个压缩系数Z，它是气体的临界常数及压力和温度的函数。当是理想气体时，一般气体的压缩系数Z=1，即
（2）
ZN— 气体在标准状态下的压缩系数。
但是，在压力和温度较高，且工况条件变化大时，气体的状态变化不再遵循理想气体状态方程式.特别是在高压的情况下，并且是在饱和曲线附近，不能忽视偏离理想气体定律的偏差，在公式里要附加考虑偏差系数K。
（3）
其中 ZN— 气体在理想状态下的压缩系数，从气体状态表中可查到；
Z— 气体在工作状态下的压缩系数。
这里利用对比Redlich-Kwong普遍化方程来求解Z，整理方程得
Z3-Z2-（B2+B-A）Z-AB=0 （4）
其中
其中
其中 pr— 气体对比压力；
pc— 气体的工作压力；
Tr— 气体在标准状态下的压力；
Tc— 气体临界压力；
解方程有很多方法，这里采用牛顿迭代法求解[3-4]。
2.2 软件设计
软件设计采用模块化开发，这样既便于调试、链接，又便于移植修改。MSP430有良好的C编译器、IAR调试环境，并且利用其硬件乘法器，能够极大提高复杂算法的执行效率。为了充分利用MSP430多低功耗模式的特点，在完成系统初始化之后马上进入低功耗模式LPM3，通过中断唤醒CPU，执行相应功能模块，中断完成后，恢复低功耗模式。图3是主程序流程图。
系统用到的中断源包括：外部中断（脉冲采集和键盘）、定时中断和串口通信（USART）接收中断。由于多个中断的同时存在，除定时中断外，其他中断源的到来时间具有不可预测性，为保证脉冲采集中断的最高优先级，在定时中断执行完成后，通过保存状态寄存器的值迫使单片机仍然保持active状态，进入以回到低功耗模式为结尾的主循环中，主循环程序包括检测温度、压力、电量并送LCD的子程序模块，累积流量、瞬时流量计算并送LCD的子程序模块，时间显示子程序模块，历史数据保存子程序模块等。
这种设计方法与采用中断嵌套的常规设计方法相比，虽然较为复杂但是能更好地避免时间中断和外部中断的冲突，保证系统的稳定性[5]。
3 实验数据分析
系统功耗测量：在正常工作状态（非测量状态）下，系统整体工作电流维持在250μA以下。压力、温度测量时间极短（ms级），测量电流为1mA左右。系统用16Ah的Li/MnO2电池，正常工作状态能使用5年以上。
系统不确定度的计算：压力传感器0.5%；温度传感器-4O~85℃，误差为0.5℃，约为0.7%；表体误差取0.8%；则系统总不确定度为：
以ф60、最大流量80m3/h的流量计为例，我们测试结果如下：
表1 测试结果
流量（m3/h） 体积（m3） 温度（℃ ） 压力（kPa） 误差 1 80 1 25.5 100.15 0.73% 2 48 0.6 25.7 100.20 0.90% 3 20 0.3 25.5 100.09 0.24% 4 8 0.2 25.6 100.19 -0.20% 5 2 0.1 25.6 100.17 -0.76%
由以上数据能够看出，在近似模拟工况的测试环境中误差保持在±1%之内，完全达到了系统的设计要求（±1.5%）。
4 结束语
本文设计的基于MSP430F149单片机的低功耗罗茨流量积算仪实现了实时温压补偿、积算、数据的存储和远传等功能，并通过改进相关数学模型更精确的补偿了系统误差，有效提高了天然气计量的准确性，适应了当前工业现场的技术要求。设计完成后经过详细测试和试运行，现已投入生产，取得了良好的效果。