旋进漩涡流量计

摘  要：为使旋进漩涡流量计扩大应用场合、适用于电池供电，设计了一种低功耗的外电供电与电池供电自动切换的旋进漩涡流量计，重点分析了硬件上的主控芯片M S P 4 3 0 F 4 7 9 4 、电源管理模块、温度压力采样模块、铁电存储模块与软件上的温度压力定时采样和M C U 进入低功耗模式的降低功耗设计。实验测试结果证明，该设计大大降低了旋进漩涡流量计电池供电时的整机功耗，同时保证了流量脉冲采集与脉冲输出的较高精度。

0 、引言：
  旋进漩涡流量计是一种新型流体振动流量计，无活动部件，对测量介质的适应性广，线性测量范围宽，可用于气体、液体和蒸汽的计量[ 1 – 2 ]。但工业现场的环境比较恶劣，干扰严重，并且存在断电的危险，而国内现有的大量脉冲输出型、具备远程通信、4 ～2 0 m A 输出等多功能的智能流量计需要外接电源供电，另一方面，现有的电池供电型智能流量计可能做到了低功耗，但往往只具备监测显示这一单一功能，因为多功能和低功耗同时设计是一个难点。为了拓宽流量计的应用场合，使现有外电供电流量计能够在野外或普通居民家庭等环境中长时间工作，设计了一种外电与电池自动切换供电的低功耗的旋进漩涡流量计[3]。整个系统除了可外接24V 电源供电，还可以3.6V 锂电池供电。降低功耗是本设计的宗旨，设计时从硬件、软件两方面入手考虑降低功耗的方法。

旋进旋涡流量计-： 

  管道天然气流量表天然气贸易结算的解析：计量天然气可以用三款流量计来计量，旋进漩涡流量计是适合广大客户首要选择，因为旋进漩涡流量计价格适中，无论什么情况，都能保证内部数据不会丢失,可*性保存、采用新微处理技术,具有功能强、流量范围宽、操作维修简单,安装使用方便等优点，涡街流量计达不到计量的精度，稳定性也不好，抗干扰差，气体涡轮流量计价格昂贵，维修费用比价大.所以综上所述，旋进漩涡流量计是成为天然气、液化气、燃气、煤气首要选择。

管道天然气流量表的工作原理

当流体通过由螺旋形叶片组成的旋涡发生器（见图1）后，流体被迫绕着发生体轴剧烈旋转，形成旋涡。当流体进入扩散段时，旋涡流受到回流的作用，开始作二次旋转，形成陀螺式的涡流进动现象。该进动频率与流量大小成正比，不受流体物理性质和密度的影响。检测元件测得流体二次旋转进动频率，就知道了流量。而且能在较宽的流量范围内获得良好的线性度。流量计算式为：

旋进旋涡流量计

K=f/q

式中：K ——流量仪表系数l/m³

f——旋涡频率 Hz

q——体积流量m³/s

流量计的仪表系数在一定的结构参数和规定的雷诺数范围内与流体的温度、压力、组分和物性（密度、粘度）无关。

流量计由传感器和转换显示仪组成。

1、传感器包括旋涡发生器、检测元件、整流器和壳体。

旋涡发生器由特定螺旋形叶片组成，它固定在壳体收缩段前端，强迫流体产生强烈的旋涡流。

检测元件安装在靠近扩张管的喉部，用热敏、压电、应变、电容或光纤等检测元件可测出旋涡进动的频率信号。

整流器固定在流量计表体出口，其作用是消除旋涡流，以减小下游流态对仪表测量的影响。

壳体设计成一定形状的流道，使旋涡形成，固定和保护安装在内部的零部件，并通过法兰与管道相连接。

2、转换显示仪

由压电传感器检测到的微弱电压信号经过放大、滤波、整形后，变成频率与流量成正比的脉冲信号，然后由显示仪计数显示。显示仪配有外输接口，输出各种信号。对测量的气体介质可进行温度和压力的补偿，转换为标准状况下的体积流量，并显示。

管道天然气流量表口径的选择：

英寸NB（inch）与公称直径DN内径（mm）、外径OD（mm），的关系如下：

NB(inch)—–DN(mm)——OD(mm)

1/2————–15 ———-21.3

3/4————–20 ———-26.7

1————– 25 ————33.4

1 1/4 ———— 32———42.2

1 1/2————40 ———-48.3

2————– 50 ————60.3

2 1/2——— 65 ————73.0

3————– 80 ————88.9

4————-100 ————114.3

5————-125 ————139.8

6————-150 ————168.3

8————-200————-219.1

管道天然气流量表的主要特点：

1、管道天然气流量表内置式压力、温度、流量传感器，安全性能高,结构紧凑，外形美观。
2、管道天然气流量表就地显示温度、压力、瞬时流量和累积流量。
3、管道天然气流量表采用新型信号处理放大器和独特的滤波技术，有效地剔除了压力波动和管道振动所产生的干扰信号，大大提高了流量计的抗干扰能力，使小流量具有出色的稳定性。
4、管道天然气流量表在特有时间显示及实时数据存储之功能，无论什么情况，都能保证内部数据不会丢失,可*性保存。
5、管道天然气流量表整机功耗极低,能凭内电池长期供电运行,是理想的无需外电源就地显示仪表。
6、管道天然气流量表防盗功能可靠，具有密码保护,防止参数改动。
7、管道天然气流量表表头可180度随意旋转，安装方便。

管道天然气流量表流量范围 :

管道天然气流量表选型;

管道天然气流量表安装与使用：

1、流量计外形尺寸（图4）

2流量计的安装

（1）流量计应根据流向标志安装。

（2）流量计可水平、垂直或任意角度倾斜安装。

（3）上下游直管段要求见（图5）

（4）被测介质内除含有较大颗粒或较长纤维性杂质外，一般无需安装过滤器。

（5）流量计周围不应有强外磁场干扰及强烈的机械振动。

（6）流量计必须可靠接地。

    进入到二十一世纪以来，天然气成为非常重要的一种资源，不仅可以转燃料使用，也是非常重要的一种化工原料。在诸多领域内，都得到了较为广泛的应用，如发电、氮肥生产、城市燃气等，它属于清洁能源，不会对环境造成较大程度的影响，对于国民经济的发展，起到了巨大的推动作用。在社会经济飞速发展的今天，能源紧缺问题日益严重，因此，就需要对能源合理利用，节约资源。通过的计量天然气，促使天然气浪费问题得到有效减少。 

天然气流量计量中的应用
   如今，我国天然气得到了广泛应用，在天然气贸易结算过程中，开始应用涡轮流量计，在利用涡轮流量计对天然气流量进行计量之前，需要对涡轮流量计进行安装，并且保证是清洁的输气管线，涡轮叶片和涡轮流量计机械部分不会受到水、杂物等的损坏作用，如果有杂质存在于天然气中，就需要对过滤器进行添加，避免损坏到涡轮流量计。需要水平安装涡轮流量计，垂直安装尽量避免出现，如果有水存在于天然气管道中，就需要倾斜摆放涡轮流量计，以便从流量计中能够出来天然气。要结合涡轮流量计上标注的方向，来确定天然气的传输方向，反方向安装是禁止的。通常将一段直管添加于涡轮流量计的入口和出口端，按照10倍以上的管段内径来控制入口端长度，按照5倍以上的管段内径来控制出口端长度，或者将整流器安装于阻流设备和涡轮流量计之间。

天然气流量计的主要特点
   在流量测量仪表中，非常重要的一种就是涡轮流量计，它借助于流动流体的动力，来旋转涡轮叶片，因为有正比例关系存在于涡轮叶片的旋转速度和体积流量中，因此，就可以结合涡轮叶片转数，来确定流量计的流体体积。 

   流量计中进入了天然气之后，天然气流量计内部特殊结构的前导流体首先接触天然气，对其产生作用，有一定的角度存在于涡轮叶片和流体流向之间，这个过程中，有转动力矩产生于涡轮，那么转动力要想对涡轮进行带动，就需要对阻力力矩和摩擦力矩进行克服。当有平衡状态形成于转动力矩、阻力力矩和摩擦力矩之间，涡轮的转速就会稳定下来，并且有线性关系存在于涡轮转动速度和流量之间。经过一副齿轮，会逐渐降低叶轮的转速，同时，通过密封的磁性耦合器件，来向仪表外部的机械式计数器中传达转动的趋势。在这个过程中，我们将电磁感应原理给应用过来，磁阻由旋转的涡轮叶片顶端导磁体周期性的改变，那么就会有脉冲信号产生于线圈两端，它和流体体积之间，呈正比关系，将脉冲信号频率给测出来，流量的大小就可以被的出来。通常情况下，需要配套使用涡轮流量计和流量计算机，流量计算机包括各种检测通道，如温度、脉冲等，并且将各种通讯接口给配备过来。 

供应天然气流量计结构原理：
    天然气流量计传感器和转换器两部分组成，传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、 D / A 转换电路、输出接口电路、端子、支架、防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。

管道式天然气流量计技术参数：

管道式：DN10～DN300

精度等级：　管道式：±1.5级，±1.0级

环境温度：　-20℃～80℃

大气压力：　86KPa～106KPa（0.86KG-1.06KG)

公称压力：　1.6 Mpa 、2.5Mpa 、6.4Mpa 、25Mpa

防爆等级：　ExdIIBT6

连接方式： 法兰连接

   实践研究表明，涡轮流量计具有一系列的优势，具有较高的精度和量程比，有着较好的重复性。因为涡轮流量计将高质量的轴承和导流片给应用了过来，因为它的抗磨损性能就得到了强化，即使环境条件比较的恶劣，也可以进行测量，得到的测量数据。将较为先进的超低功耗单片微机技术给应用了过来，这样就可以强化整体功能，降低功耗，提升了各项性能。防腐功能是涡轮流量计的涡轮所具备的，外部将不锈钢结构给应用过来，本身的抗磁干扰和振动能力较好，这样仪表的使用年限就得到了延长；维修难度较小，并且有自整流结构存在于内部，没有较大的体积，有着简单的结构，组合工作可以在较短时间内完成。 

旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性密切相关，对它的要求如下：
① 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离。
② 在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数。
③ 能产生强烈的涡街，信号的信噪比高。
④ 形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合。
⑤ 材质应满足流体性质的要求，即耐腐蚀、耐磨蚀、耐温度变化。
⑥ 固有频率在涡街信号的频带外。已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类。单旋涡发生体的基本形状有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形；状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用zui广泛的一种。图中 D 为仪表口径。为提高旋涡强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。

管道式天然气流量计显示方式：

（1）远传显示： 脉冲输出、电流输出(配显示仪表)

（2）现场显示：8位LCD显示累积流量，单位(m3)

4位LCD显示瞬时流量，单位(m3/h)、电池电量、频率、流速

（3）温度压力补偿型：

（4）显示标准瞬时流量及标准累计流量

（5）显示当前压力、温度、电池电压

（6）脉冲输出，p-p值由供电电源确定

（7）4～20mA两线制电流输出

（8）单位体积脉冲输出及传感器原始脉冲输出

（9）带有RS485通迅接口

管道式天然气流量计安装图：

管道天然气流量计安装现场：

1 、硬件设计：
  在硬件设计时，需要根据流量仪表整体性能的要求选择适当型号的单片机。本设计主要考虑降低功耗，选用TI公司的MSP430F4794作为本测量系统的MCU。MSP430由于采用全静态COMOS设计，电源操作能耗很低，但非常可靠[4]。MSP430 有正常工作模式（AM ）和4 种低功耗模式（L P M 1、LPM2、LPM3、LPM4），而且可以方便地在各种模式中切换。它的超低功耗模式在实际应用中，尤其是电池供电的设备中表现尤为突出。
  它允许用户在 3 种振荡器工作方式（分别为带锁频环的内部D C O 振荡器、外部高频振荡器、外部低频振荡器L F X T 1 ）中选择一种振荡器形式让芯片执行指令，以优化系统的功耗。通常情况下使系统进入低功耗模式3，仅让外部LFXT1 工作以提供实时时钟。当有中断发生时，唤醒带锁频环的告诉内部D C O 振荡器，让其处理发生的事件，处理完后再进入低功耗模式[ 5 ]。单片机除了具备60kFlash、2kRAM和大量I/O口外，4路ADC模块、定时器/计数器模块、同步串行口SPI/I2C/UART 模块等等。该流量计硬件上主要由核心控制器件MSP430F4794、电源管理模块、脉冲测量模块、温度压力测量模块、脉冲输出模块、铁电存储模块、R S 4 8 5 通信模块、日历时钟模块、显示与键盘处理模块构成。硬件总体框图如图1 所示。

图1 系统硬件框图

1.1 、电源管理模块：
  采用外接 2 4 V 电源和电池自动切换供电，即有外接24V 电源时，电池不工作；没有外接24V 电源时，电池工作，

图2  外电与电池自动切换电路

  由于气体、水蒸气的体积流量和质量流量与流体管道内的温度和压力都有直接的关系，所以为了准确测量一般都需要温度压力补偿。考虑到降低功耗，温度压力所需恒流源的参考源采用了MCU 的片内参考源V R E F +，并采用MCU 片内AD 即SD16_A。这样，温度压力采样时定时开启和关断片内参考源VREF+ 和SD16_A，可以极大限度的降低功耗。

1.3 、铁电存储模块：
  为满足数据管理的需要，仪表具有实时数据存储功能，包括：***近4 0 0 次流量计的启停时间和对应的累积流量；***近1 2 个月内某时刻的累积流量值；***近3 6 0 次状态记录数据（时间、温度、压力、瞬时流量、累积流量），时间间隔可设定为1～9999 分钟。铁电芯片选用功耗低的FM24V02，256KB，工作方式是I2C 总线。

1.4 、通信模块：
  为读取流量计的实时数据存储功能，基于通信性能和功耗的考虑，采取RS485 通信。芯片选用了Maxim 公司生产的MAX3483，它是低电压低功耗的单双工RS-485 通信芯片。

1.5 、其它模块：
  脉冲输出模块: 主要由高速光耦隔离器、稳压电路构成。脉冲输出是采用控制I/O 口的高低电平翻转来实现的。选用功耗低的高速CMOS 信号隔离器，一端由外接24V 电源截取7.5V 电压供电，另一端由VCC 供电。
  日历时钟模块: 时间信息的获取通过低功耗S P I 接口的时钟日历芯片S35390A 完成。它是可以在0.25uA 的超低计时消耗电流、宽电源范围内工作的2 线C M O S 实时时钟IC。工作电压1.3V～5.5V，特别适用于从主电源电压开始到备用电源电压驱动为止的宽幅度的电源电压。4～20mA 输出模块:需要外接4～20mA 环路主电源，主要采用AD421，AD421 为自己和其他器件提供3.0V 供电电压。A D 4 2 1 是单片高性能数模转换器，主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。数模转换器采用  结构，将16 位数字码转换为4～20 mA 模拟电流。显 示 与 键 盘：显 示 采 用 长 沙 太 阳 人 有 限 公 司 的SMS2411 液晶，不带背光，显示累积流量、瞬时流量、温度或压力。键盘采用4 按键直接与单片机的P 3 口连接，采用查询方式。

2 、软件设计：
  软件上采用 C 语言编程，主要有系统初始化程序、脉冲计数定时处理中断子程序、温压定时采样中断子程序、脉冲输出中断服务子程序、各功能模块子程序。

  MSP430 技术独到，进入低功耗模式后ACLK 仍保持工作，以驱动系统的实时时钟，并且任何中断都可以在6 u s内将C P U 唤醒，先进的锁相环技术是高速时钟在很短的时间内就能稳定下来，及时地处理突发时间。
  第二，采用MSP430F4794 片内AD即SD16_A 和片内参考源VREF+，每隔6 秒钟进行一次温度、压力的采样，同时对片内参考源V R E F + 进行了的时间控制，片内参考源开启（即SD16REFON=1）0.3 秒钟后开始AD 采样，采样完成后立即关断片内参考源V R E F + 输出，从而关断恒流源。片内ADC 的时钟源也配置为ACLK。第三，为降低功耗，铁电芯片F M 2 4 V 0 2 的读写在电池供电时，F M 2 4 V 0 2 对数据读写操作采取高速模式，功耗在9 0 u A 左右，读写操作完成后，立即进入休眠模式，休眠模式下FM24V02 的功耗仅5 μA。第四，RS485 通信控制方面，由于MAX3483 发送数据功耗1.1mA，接受数据时功耗0.95mA，功耗较大，所以在电池供电时须配置成既不发送也不接收的状态，此时功耗很低，为2nA。

3 、功耗分析与测试结果：
  电池供电时，RS485 不通信，MAX3483 不工作的静态功耗为2nA；4～20mA 输出单独供电不计入功耗，整个流量计的功耗分析如下：MSP430F4794在1MHz的MCLK下2.2V供电时***大功耗2 8 0 u A ，在6 5 k H z 正常工作模式下功耗约为70uA，进入低功耗为1.1uA；采集温度压力信号时AD 模拟部分工作，AD 采样时一般消耗720uA,***大1030uA，在此取中间值875uA；SD16_A的SD16REFON=1的设置时间为0.3s后才开始A D 采样；日历时钟模块S 3 5 3 9 0 A 消耗0 . 2 5 u A；F M 2 4 V 0 2 对数据读写操作下消耗9 0 u A ，进入休眠模式下FM24V02 的功耗仅5uA。电池供电时的功耗分布如表1。实际测试整体功耗***大值1342uA，***小值296uA，与理论计算相符。由于温压6S 采样一次，AD 采样时的***大功耗持续时间约为0.5 秒，其余5.5 秒进于低功耗模式，则平均功耗估算为（1342*0.5+296*5.5）/6=542(uA)。

表1  电池供电时的功耗分布表

表2  实验结果

4 、结束语：
  本文给出了一种外电与电池自动切换供电的低功耗旋进漩涡流量计设计方案，在硬件设计时，流量计的表头均选用低功耗的外围扩展元器件，对主芯片MSP430F4794、电源管理模块、温度压力采样模块、铁电存储模块进行优化设计，在软件上从配置MSP430F4794 降低MCLK 和进入低功 耗 模 式 、定 时 温 压 采 样 和 开 关 恒 流 源 、铁 电 芯 片FM24V02 进入休眠模式等多方面考虑降低功耗。实验测试结果证明，该流量计设计保证了流量脉冲采集与脉冲输出的高精度与高可靠性，同时大大降低了电池供电时的整机功耗，大大拓宽了流量计的应用场合。