低功耗無線燃氣表的研制

周福根，李福增

（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）

低功耗無線燃氣表的研制

周福根，李福增

（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）

針對天然氣流量計量中工作環境對其計量影響較大的問題，提出了一種溫壓補償型燃氣表設計方案。計量中將工況下的流量體積轉換成標況下的流量體積，并通過無線的傳輸實現了在線流量監測，最終的樣機實驗結果表明，該燃氣表的誤差小于±1.5%.

低功耗；溫壓補償；無線；燃氣表

能源是一個國家的命脈，能源是否得到合理開發和使用，是一個國家的文明標志。天然氣已經成為21世紀的一種新型能源，它屬于綠色能源，本身不含粉塵及硫等有害物質。天然氣燃燒產生的CO2量少，不容易造成溫室效應，符合我國以及世界的能源可持續發展的要求。隨著我國與俄羅斯簽訂天然氣協議，俄羅斯每年將給我國提供300億m3的天然氣，有效期為30年。由此可見，天然氣是否有先進完善的計量技術，將對我國天然氣能源的利益和發展有著至關重要的意義[1，2]。

目前國內各種燃氣表技術日趨成熟，考慮到社會和用戶的經濟效益，社會在各方面都對天然氣的計量技術提出了更高的要求。針對天然氣成分復雜，工作環境對它的計量影響較大的問題，可以在燃氣表里面增加一個溫壓補償裝置，將工況下的流量體積轉換成標況下的流量體積，并運用無線傳輸實現了天然氣使用情況的在線監測[3]。本文研制的燃氣表，選用了一種機械儀表——膜式燃氣表，并以MSP430為單片機，設計具有溫壓補償裝置和無線傳輸數據等功能的智能燃氣表。

1 燃氣表的工作原理

本設計采用計脈沖數的方式來計量天然氣的體積流量。燃氣表的基表是膜式燃氣表，它屬于一種機械式儀表。氣體流過燃氣表，會在進出氣口產生一個壓力差，這個壓力會帶動腔內隔膜的運動，當流過腔內的氣體體積達到隔膜腔的最大值時，隔膜就會做往返運動，從而會帶動立軸作來回運動。立軸上的曲柄軸會帶動滑閥來改變進出口的方向并帶動計數的裝置，從而達到了連續自動計量氣體體積的作用[4，5]。

脈沖的計數采用干簧管，皮膜轉動的計數裝置上面安裝一個帶有磁性的鐵塊，計數裝置的轉動，會帶動磁塊的運動，磁塊接近干簧管時，會使干簧管的簧片磁化并產生磁力，當磁力大于簧片的彈力時，就會使接合點閉合；當磁塊慢慢離開干簧管時，吸引的磁力減少到小于簧片的彈力時，接合點就會被彈開，干簧管的開閉合就會產生一個高低的電平脈沖，通過單片機計脈沖數，就可以達到計量天然氣體積的目的[4，6]。

2 系統的硬件設計

設計的燃氣表采用MSP430F437為微控制器，主要由流量檢測模塊、壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及無線模塊等組成。系統的主要結構圖如圖1所示[7，8]。

圖1 系統主要結構圖

2.1 流量采集與檢測模塊

本設計采用計脈沖數的方式實現累積流量的計算。氣體流動會帶動機械軸的轉動，機械軸轉動磁塊離開干簧管時，干簧管閉合點又會彈開，從而會產生一個高低電平脈沖直接輸送給單片機，流量脈沖的產生電路如圖2所示。

圖2 流量脈沖的產生電路

2.2 溫度采集電路

本設計采用的溫度傳感器是PT1000.PT1000是由鉑電阻制成的溫度傳感器，它的測溫范圍是：-50℃ ～450℃，允許的工作電流是 ≤0.5 mA.采集電路圖示意如圖3所示。

圖3 溫度采集電路示意圖

圖中 Rt為熱電阻 PT1000，R1、R2、R3 為高精度電阻，通過讀取R3兩端的電壓值，可以得出整個支路的電流值，讀取Rt兩端的電壓值，除以支路的電流值，就可以得出PT1000的電阻值，通過查PT1000分度表，就可以準確的得出工況下的溫度。

2.3 壓力采集電路

本設計溫度采集的傳感器是154 N型壓力傳感器。它主要通過對陶瓷基座上的厚膜電阻進行激光修阻，可以對傳感器進行溫度補償及零點漂移調整。陶瓷基座上還提供了一個經激光修正的增益調節電阻，使傳感器在經過外部差分電路放大后達到較為一致的輸出值。壓力采集電路示意圖如圖4所示。

圖4 壓力采集示意電路

154 N型壓力傳感器非線性度只有±0.1%，所以可認為是線性的。當壓力從P0到Pmax時，對于線性壓力傳感器，其輸出是從V0到Vmax，其關系可以寫成式（1）.

對于出廠的傳感器，其系數均已標定完成，因此只需得到Vx，即可計算出相對應的Px.本文采用AD7799芯片來讀取電壓Vx，以達到準確測量壓力的目的。

傳感器輸出的溫度和壓力信號都是模擬信號，其通過AD7799進行AD轉換，把轉換后的數字信號輸給單片機。

2.4 無線傳輸模塊電路

本設計采用無線傳輸模塊是一款基于GSM網絡無線模塊——A8500.該模塊在本設計中主要是應用于累積流量數據的傳輸。通過GSM網絡，其將燃氣表某一時間段內的數據通過手機SIM卡發送短信至監控終端，實現燃氣使用情況的在線監測。

該模塊直接連接單片機，通過TXD和RXD發送AT代碼進行數據的操作。MSP430與無線模塊的連接電路示意圖如圖5所示。

圖5 MSP430單片機與無線模塊連接電路示意圖

3 系統軟件設計

本系統采用C語言，運用程序結構化的設計思想，將程序模塊化，使設計的程序具有較強的可讀性和可移植性，以便于在整個系統的調試過程中進行功能程序的添加和刪減。每個子程序的執行采用標志傳遞法。當某塊功能程序的允許執行標志置為“1”時，則執行相對應的功能子程序，不為“1”時則跳出該模塊。平時系統的各個子程序都不處于工作狀態，只有相應的程序命令產生時，才執行對應的程序。系統主要程序包括主程序、流量檢測程序、中斷服務程序、溫壓計算程序和按鍵程序等。

3.1 軟件主程序流程

單片機上電工作時，程序執行的首先是初始化程序，其中包括定時中斷初始化、液晶初始化、按鍵初始化等。然后進行判斷是否是第一次上電，選擇進行外部存儲器數據初始化還是讀取外部存儲器中的數據。當程序執行到最后，會進入睡眠模式，直到中斷喚醒，以此達到了低功耗的目的。圖6為主程序流程圖。

圖6 主程序流程圖

液晶顯示每隔1 s刷新一次，進行溫度和壓力值實時顯示。在睡眠模式下，溫度和壓力值每隔15 s進行一次AD值轉換，以降低功耗。

3.2 中斷服務程序流程

本設計包含4個中斷程序。兩個內部中斷中，一個為定時器中斷，以進行溫壓AD值讀取；另一個為串行口通訊中斷。兩個外部中斷中，一個為流量采集中斷，以進行流量計算；另一個為按鍵掃描中斷，當檢測到有按鍵按下時，相應按鍵的標志位置1，從而執行相應按鍵功能程序。中斷服務程序流程圖如圖7所示。

圖7 中斷服務流程圖

3.3 流量計算程序流程

脈沖數跟累積流量成正比，當流過燃氣表的氣體達到一個累積流量脈沖時，脈沖計數器加1，通過計算脈沖數，實現工況下氣體體積流量的計量。當完成工況下累積流量的計算后，讀取當前流量值下的溫度和壓力值，對其進行標況下的累積流量轉換計算，最后把流量數據存儲在外部存儲器中。流量計算程序流程圖如圖8所示。

圖8 流量計算流程圖

4 實驗研究及數據分析

本章節主要敘述對燃氣表進行實驗，并且對實驗數據進行分析。該燃氣表的預期的性能指標是：流量檢測范圍是0.06～10 m3/h，壓力誤差范圍±0.3%Fs，溫度誤差要求為±0.2℃，流量檢測等級為1.5級。

4.1 溫度實驗

該實驗使用CHORAD的燃氣表專用高低溫試驗箱，它能夠更真實模擬各個溫度環境。

溫度依次設置為-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5個點，測量的實驗結果如表1所示。

表1 溫度測量數據

實驗環境室溫20℃，室內濕度為54%，大氣壓為100.2 kPa.本文設計的燃氣表的溫度精度為±0.2℃，分析實驗數據可知，該儀表的最大溫度誤差為0.2℃，所以該儀表的溫度測量符合預期的性能指標。

4.2 壓力實驗

本實驗使用的是型號為CST1023的臺式氣壓壓力泵，其壓力范圍是-0.095～6 MPa，準確度等級為0.05級，壓力值可以轉換成電流和電壓輸出，電流測量范圍為-30～30 mA，電壓測量范圍-30～30 V，電測準確度為±（0.02%rgd+0.003%F.S）。

運用該壓力泵實驗測得的壓力測量數據如表2所示，此時實驗環境室溫為26.6℃，大氣壓為100.2 kPa.

表2 壓力測量數據

燃氣表的壓力精度要求為滿量程誤差為±0.3%，實驗測量得到的數據最大誤差為0.16%，所以可以得出結論，該燃氣表的壓力測量符合儀表預期的性能指標要求。

4.3 流量實驗

本實驗使用標準表法氣體流量標準裝置對燃氣表進行標定和檢測，該裝置準確度等級為0.33級。通過比較燃氣表計算的累積流量和標準裝置計算的累計流量，計算出相對誤差。因為本燃氣流量檢測范圍是 0.06～10 m3/h，所以選用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h這3個流量點進行實驗。流量實驗數據（空氣介質）如表3所示。

表3 流量實驗數據（空氣介質）

本燃氣表的流量檢測精度等級為1.5級，實驗所得數據的最大誤差是-0.56%，符合燃氣表的精度要求。

綜上，本設計的燃氣表各方面基本達到了預期的性能指標，最終設計的燃氣表樣機如圖9所示。

圖9 設計的燃氣表樣機圖

5 結束語

本設計以MSP430F437單片機為核心，采用了軟硬件結合的方式，實現了天然氣體積流量的計量。儀表設計包括燃氣表的壓力檢測、溫度檢測、液晶顯示、數據的無線傳輸、按鍵切換以及溫壓補償等功能。通過對燃氣表進行實驗數據的處理和分析，所設計的燃氣表性能指標達到了相關國標的要求。

[1]殷建平，黃 輝.我國天然氣供求分析和未來消費政策選擇[J].改革與戰略，2010，26（4）：26-29.

[2]吳德才，馮立新，汪秀瓊.家用燃氣表的選型探討[J].煤氣與熱力，2011，31（05）：32-35.

[3]梁國偉，蔡武昌.測量技術及儀表[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]沈文新，東 濤.膜式燃氣表產業現狀與發展展望[J].中國計量，2009，15（12）：31-32.

[5]李慶林.皮膜式煤氣表制造和使用問題的探討[J].煤氣與熱力，1999，19（03）：48-50.

[6]GB/T 6968-2011，膜式燃氣表[S].北京：中國國家標準化管理委員會，2012.

[7]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[8]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：清華大學出版社，2008.

Research and Design of the Wireless Flow Meter with Low-power Consumption

ZHOU Fu-gen，LI Fu-zeng
（Zhejiang Songchuan Instrument Technology Co.，Ltd.，Wenling Zhejiang 317511，China）

To solve the problem of the circumstance influence on natural gas measurement，a type of gas meter with temperature and pressure compensation is designed.The gas meter can calculate the flow volume on working condition into the standard condition.The online monitoring function is used with wireless communication.The experiments indicate that the error of the flow is less than±1.5%.

low-power consumption；temperature and pressure compensation；wireless communication；gas meter

TH814

A

1672-545X（2017）10-0051-05

2017-07-18

膜式燃氣國標（GB/T6968-2011）；切斷型膜式燃氣表（CJ/T 449-2014）；鐘罩式氣體流量裝置（JB/T 12961-2016）等標準編制組成員

周福根（1970-），男，浙江溫嶺人，本科，工程師，一直從事膜式燃氣表的產品研發、生產管理工作。