摘  要：為使旋進漩渦流量計擴大應用場合、適用于電池供電，設計了一種低功耗的外電供電與電池供電自動切換的旋進漩渦流量計，重點分析了硬件上的主控芯片M S P 4 3 0 F 4 7 9 4 、電源管理模塊、溫度壓力采樣模塊、鐵電存儲模塊與軟件上的溫度壓力定時采樣和M C U 進入低功耗模式的降低功耗設計。實驗測試結果證明，該設計大大降低了旋進漩渦流量計電池供電時的整機功耗，同時保證了流量脈沖采集與脈沖輸出的較高精度。

0 、引言：
  旋進漩渦流量計是一種新型流體振動流量計，無活動部件，對測量介質的適應性廣，線性測量范圍寬，可用于氣體、液體和蒸汽的計量[ 1 – 2 ]。但工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，干擾嚴重，并且存在斷電的危險，而國內(nèi)現(xiàn)有的大量脈沖輸出型、具備遠程通信、4 ～2 0 m A 輸出等多功能的智能流量計需要外接電源供電，另一方面，現(xiàn)有的電池供電型智能流量計可能做到了低功耗，但往往只具備監(jiān)測顯示這一單一功能，因為多功能和低功耗同時設計是一個難點。為了拓寬流量計的應用場合，使現(xiàn)有外電供電流量計能夠在野外或普通居民家庭等環(huán)境中長時間工作，設計了一種外電與電池自動切換供電的低功耗的旋進漩渦流量計[3]。整個系統(tǒng)除了可外接24V 電源供電，還可以3.6V 鋰電池供電。降低功耗是本設計的宗旨，設計時從硬件、軟件兩方面入手考慮降低功耗的方法。

旋進旋渦流量計-： 

  管道天然氣流量表天然氣貿(mào)易結算的解析：計量天然氣可以用三款流量計來計量，旋進漩渦流量計是適合廣大客戶首要選擇，因為旋進漩渦流量計價格適中，無論什么情況，都能保證內(nèi)部數(shù)據(jù)不會丟失,可*性保存、采用新微處理技術,具有功能強、流量范圍寬、操作維修簡單,安裝使用方便等優(yōu)點，渦街流量計達不到計量的精度，穩(wěn)定性也不好，抗干擾差，氣體渦輪流量計價格昂貴，維修費用比價大.所以綜上所述，旋進漩渦流量計是成為天然氣、液化氣、燃氣、煤氣首要選擇。

管道天然氣流量表的工作原理

當流體通過由螺旋形葉片組成的旋渦發(fā)生器（見圖1）后，流體被迫繞著發(fā)生體軸劇烈旋轉，形成旋渦。當流體進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉，形成陀螺式的渦流進動現(xiàn)象。該進動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質和密度的影響。檢測元件測得流體二次旋轉進動頻率，就知道了流量。而且能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。流量計算式為：

旋進旋渦流量計

K=f/q

式中：K ——流量儀表系數(shù)l/m³

f——旋渦頻率 Hz

q——體積流量m³/s

流量計的儀表系數(shù)在一定的結構參數(shù)和規(guī)定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)與流體的溫度、壓力、組分和物性（密度、粘度）無關。

流量計由傳感器和轉換顯示儀組成。

1、傳感器包括旋渦發(fā)生器、檢測元件、整流器和殼體。

旋渦發(fā)生器由特定螺旋形葉片組成，它固定在殼體收縮段前端，強迫流體產(chǎn)生強烈的旋渦流。

檢測元件安裝在靠近擴張管的喉部，用熱敏、壓電、應變、電容或光纖等檢測元件可測出旋渦進動的頻率信號。

整流器固定在流量計表體出口，其作用是消除旋渦流，以減小下游流態(tài)對儀表測量的影響。

殼體設計成一定形狀的流道，使旋渦形成，固定和保護安裝在內(nèi)部的零部件，并通過法蘭與管道相連接。

2、轉換顯示儀

由壓電傳感器檢測到的微弱電壓信號經(jīng)過放大、濾波、整形后，變成頻率與流量成正比的脈沖信號，然后由顯示儀計數(shù)顯示。顯示儀配有外輸接口，輸出各種信號。對測量的氣體介質可進行溫度和壓力的補償，轉換為標準狀況下的體積流量，并顯示。

管道天然氣流量表口徑的選擇：

英寸NB（inch）與公稱直徑DN內(nèi)徑（mm）、外徑OD（mm），的關系如下：

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

管道天然氣流量表的主要特點：

1、管道天然氣流量表內(nèi)置式壓力、溫度、流量傳感器，安全性能高,結構緊湊，外形美觀。
2、管道天然氣流量表就地顯示溫度、壓力、瞬時流量和累積流量。
3、管道天然氣流量表采用新型信號處理放大器和獨特的濾波技術，有效地剔除了壓力波動和管道振動所產(chǎn)生的干擾信號，大大提高了流量計的抗干擾能力，使小流量具有出色的穩(wěn)定性。
4、管道天然氣流量表在特有時間顯示及實時數(shù)據(jù)存儲之功能，無論什么情況，都能保證內(nèi)部數(shù)據(jù)不會丟失,可*性保存。
5、管道天然氣流量表整機功耗極低,能憑內(nèi)電池長期供電運行,是理想的無需外電源就地顯示儀表。
6、管道天然氣流量表防盜功能可靠，具有密碼保護,防止參數(shù)改動。
7、管道天然氣流量表表頭可180度隨意旋轉，安裝方便。

管道天然氣流量表流量范圍 :

管道天然氣流量表選型;

管道天然氣流量表安裝與使用：

1、流量計外形尺寸（圖4）

2流量計的安裝

（1）流量計應根據(jù)流向標志安裝。

（2）流量計可水平、垂直或任意角度傾斜安裝。

（3）上下游直管段要求見（圖5）

（4）被測介質內(nèi)除含有較大顆?；蜉^長纖維性雜質外，一般無需安裝過濾器。

（5）流量計周圍不應有強外磁場干擾及強烈的機械振動。

（6）流量計必須可靠接地。

    進入到二十一世紀以來，天然氣成為非常重要的一種資源，不僅可以轉燃料使用，也是非常重要的一種化工原料。在諸多領域內(nèi)，都得到了較為廣泛的應用，如發(fā)電、氮肥生產(chǎn)、城市燃氣等，它屬于清潔能源，不會對環(huán)境造成較大程度的影響，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展，起到了巨大的推動作用。在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，能源緊缺問題日益嚴重，因此，就需要對能源合理利用，節(jié)約資源。通過的計量天然氣，促使天然氣浪費問題得到有效減少。 

天然氣流量計量中的應用
   如今，我國天然氣得到了廣泛應用，在天然氣貿(mào)易結算過程中，開始應用渦輪流量計，在利用渦輪流量計對天然氣流量進行計量之前，需要對渦輪流量計進行安裝，并且保證是清潔的輸氣管線，渦輪葉片和渦輪流量計機械部分不會受到水、雜物等的損壞作用，如果有雜質存在于天然氣中，就需要對過濾器進行添加，避免損壞到渦輪流量計。需要水平安裝渦輪流量計，垂直安裝盡量避免出現(xiàn)，如果有水存在于天然氣管道中，就需要傾斜擺放渦輪流量計，以便從流量計中能夠出來天然氣。要結合渦輪流量計上標注的方向，來確定天然氣的傳輸方向，反方向安裝是禁止的。通常將一段直管添加于渦輪流量計的入口和出口端，按照10倍以上的管段內(nèi)徑來控制入口端長度，按照5倍以上的管段內(nèi)徑來控制出口端長度，或者將整流器安裝于阻流設備和渦輪流量計之間。

天然氣流量計的主要特點
   在流量測量儀表中，非常重要的一種就是渦輪流量計，它借助于流動流體的動力，來旋轉渦輪葉片，因為有正比例關系存在于渦輪葉片的旋轉速度和體積流量中，因此，就可以結合渦輪葉片轉數(shù)，來確定流量計的流體體積。 

   流量計中進入了天然氣之后，天然氣流量計內(nèi)部特殊結構的前導流體首先接觸天然氣，對其產(chǎn)生作用，有一定的角度存在于渦輪葉片和流體流向之間，這個過程中，有轉動力矩產(chǎn)生于渦輪，那么轉動力要想對渦輪進行帶動，就需要對阻力力矩和摩擦力矩進行克服。當有平衡狀態(tài)形成于轉動力矩、阻力力矩和摩擦力矩之間，渦輪的轉速就會穩(wěn)定下來，并且有線性關系存在于渦輪轉動速度和流量之間。經(jīng)過一副齒輪，會逐漸降低葉輪的轉速，同時，通過密封的磁性耦合器件，來向儀表外部的機械式計數(shù)器中傳達轉動的趨勢。在這個過程中，我們將電磁感應原理給應用過來，磁阻由旋轉的渦輪葉片頂端導磁體周期性的改變，那么就會有脈沖信號產(chǎn)生于線圈兩端，它和流體體積之間，呈正比關系，將脈沖信號頻率給測出來，流量的大小就可以被的出來。通常情況下，需要配套使用渦輪流量計和流量計算機，流量計算機包括各種檢測通道，如溫度、脈沖等，并且將各種通訊接口給配備過來。 

供應天然氣流量計結構原理：
    天然氣流量計傳感器和轉換器兩部分組成，傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、 D / A 轉換電路、輸出接口電路、端子、支架、防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉換器內(nèi)。

管道式天然氣流量計技術參數(shù)：

管道式：DN10～DN300

精度等級：　管道式：±1.5級，±1.0級

環(huán)境溫度：　-20℃～80℃

大氣壓力：　86KPa～106KPa（0.86KG-1.06KG)

公稱壓力：　1.6 Mpa 、2.5Mpa 、6.4Mpa 、25Mpa

防爆等級：　ExdIIBT6

連接方式： 法蘭連接

   實踐研究表明，渦輪流量計具有一系列的優(yōu)勢，具有較高的精度和量程比，有著較好的重復性。因為渦輪流量計將高質量的軸承和導流片給應用了過來，因為它的抗磨損性能就得到了強化，即使環(huán)境條件比較的惡劣，也可以進行測量，得到的測量數(shù)據(jù)。將較為先進的超低功耗單片微機技術給應用了過來，這樣就可以強化整體功能，降低功耗，提升了各項性能。防腐功能是渦輪流量計的渦輪所具備的，外部將不銹鋼結構給應用過來，本身的抗磁干擾和振動能力較好，這樣儀表的使用年限就得到了延長；維修難度較小，并且有自整流結構存在于內(nèi)部，沒有較大的體積，有著簡單的結構，組合工作可以在較短時間內(nèi)完成。 

旋渦發(fā)生體旋渦發(fā)生體是檢測器的主要部件，它與儀表的流量特性（儀表系數(shù)、線性度、范圍度等）和阻力特性密切相關，對它的要求如下：
① 能控制旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離。
② 在較寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)。
③ 能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高。
④ 形狀和結構簡單，便于加工和幾何參數(shù)標準化，以及各種檢測元件的安裝和組合。
⑤ 材質應滿足流體性質的要求，即耐腐蝕、耐磨蝕、耐溫度變化。
⑥ 固有頻率在渦街信號的頻帶外。已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類。單旋渦發(fā)生體的基本形狀有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形；狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應用zui廣泛的一種。圖中 D 為儀表口徑。為提高旋渦強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應用并不普遍。

管道式天然氣流量計顯示方式：

（1）遠傳顯示： 脈沖輸出、電流輸出(配顯示儀表)

（2）現(xiàn)場顯示：8位LCD顯示累積流量，單位(m3)

4位LCD顯示瞬時流量，單位(m3/h)、電池電量、頻率、流速

（3）溫度壓力補償型：

（4）顯示標準瞬時流量及標準累計流量

（5）顯示當前壓力、溫度、電池電壓

（6）脈沖輸出，p-p值由供電電源確定

（7）4～20mA兩線制電流輸出

（8）單位體積脈沖輸出及傳感器原始脈沖輸出

（9）帶有RS485通迅接口

管道式天然氣流量計安裝圖：

管道天然氣流量計安裝現(xiàn)場：

1 、硬件設計：
  在硬件設計時，需要根據(jù)流量儀表整體性能的要求選擇適當型號的單片機。本設計主要考慮降低功耗，選用TI公司的MSP430F4794作為本測量系統(tǒng)的MCU。MSP430由于采用全靜態(tài)COMOS設計，電源操作能耗很低，但非常可靠[4]。MSP430 有正常工作模式（AM ）和4 種低功耗模式（L P M 1、LPM2、LPM3、LPM4），而且可以方便地在各種模式中切換。它的超低功耗模式在實際應用中，尤其是電池供電的設備中表現(xiàn)尤為突出。
  它允許用戶在 3 種振蕩器工作方式（分別為帶鎖頻環(huán)的內(nèi)部D C O 振蕩器、外部高頻振蕩器、外部低頻振蕩器L F X T 1 ）中選擇一種振蕩器形式讓芯片執(zhí)行指令，以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。通常情況下使系統(tǒng)進入低功耗模式3，僅讓外部LFXT1 工作以提供實時時鐘。當有中斷發(fā)生時，喚醒帶鎖頻環(huán)的告訴內(nèi)部D C O 振蕩器，讓其處理發(fā)生的事件，處理完后再進入低功耗模式[ 5 ]。單片機除了具備60kFlash、2kRAM和大量I/O口外，4路ADC模塊、定時器/計數(shù)器模塊、同步串行口SPI/I2C/UART 模塊等等。該流量計硬件上主要由核心控制器件MSP430F4794、電源管理模塊、脈沖測量模塊、溫度壓力測量模塊、脈沖輸出模塊、鐵電存儲模塊、R S 4 8 5 通信模塊、日歷時鐘模塊、顯示與鍵盤處理模塊構成。硬件總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 、電源管理模塊：
  采用外接 2 4 V 電源和電池自動切換供電，即有外接24V 電源時，電池不工作；沒有外接24V 電源時，電池工作，

圖2  外電與電池自動切換電路

  由于氣體、水蒸氣的體積流量和質量流量與流體管道內(nèi)的溫度和壓力都有直接的關系，所以為了準確測量一般都需要溫度壓力補償?？紤]到降低功耗，溫度壓力所需恒流源的參考源采用了MCU 的片內(nèi)參考源V R E F +，并采用MCU 片內(nèi)AD 即SD16_A。這樣，溫度壓力采樣時定時開啟和關斷片內(nèi)參考源VREF+ 和SD16_A，可以極大限度的降低功耗。

1.3 、鐵電存儲模塊：
  為滿足數(shù)據(jù)管理的需要，儀表具有實時數(shù)據(jù)存儲功能，包括：***近4 0 0 次流量計的啟停時間和對應的累積流量；***近1 2 個月內(nèi)某時刻的累積流量值；***近3 6 0 次狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)（時間、溫度、壓力、瞬時流量、累積流量），時間間隔可設定為1～9999 分鐘。鐵電芯片選用功耗低的FM24V02，256KB，工作方式是I2C 總線。

1.4 、通信模塊：
  為讀取流量計的實時數(shù)據(jù)存儲功能，基于通信性能和功耗的考慮，采取RS485 通信。芯片選用了Maxim 公司生產(chǎn)的MAX3483，它是低電壓低功耗的單雙工RS-485 通信芯片。

1.5 、其它模塊：
  脈沖輸出模塊: 主要由高速光耦隔離器、穩(wěn)壓電路構成。脈沖輸出是采用控制I/O 口的高低電平翻轉來實現(xiàn)的。選用功耗低的高速CMOS 信號隔離器，一端由外接24V 電源截取7.5V 電壓供電，另一端由VCC 供電。
  日歷時鐘模塊: 時間信息的獲取通過低功耗S P I 接口的時鐘日歷芯片S35390A 完成。它是可以在0.25uA 的超低計時消耗電流、寬電源范圍內(nèi)工作的2 線C M O S 實時時鐘IC。工作電壓1.3V～5.5V，特別適用于從主電源電壓開始到備用電源電壓驅動為止的寬幅度的電源電壓。4～20mA 輸出模塊:需要外接4～20mA 環(huán)路主電源，主要采用AD421，AD421 為自己和其他器件提供3.0V 供電電壓。A D 4 2 1 是單片高性能數(shù)模轉換器，主要由電壓調整器、數(shù)模轉換器和電流放大器組成。數(shù)模轉換器采用  結構，將16 位數(shù)字碼轉換為4～20 mA 模擬電流。顯 示 與 鍵 盤：顯 示 采 用 長 沙 太 陽 人 有 限 公 司 的SMS2411 液晶，不帶背光，顯示累積流量、瞬時流量、溫度或壓力。鍵盤采用4 按鍵直接與單片機的P 3 口連接，采用查詢方式。

2 、軟件設計：
  軟件上采用 C 語言編程，主要有系統(tǒng)初始化程序、脈沖計數(shù)定時處理中斷子程序、溫壓定時采樣中斷子程序、脈沖輸出中斷服務子程序、各功能模塊子程序。

  MSP430 技術獨到，進入低功耗模式后ACLK 仍保持工作，以驅動系統(tǒng)的實時時鐘，并且任何中斷都可以在6 u s內(nèi)將C P U 喚醒，先進的鎖相環(huán)技術是高速時鐘在很短的時間內(nèi)就能穩(wěn)定下來，及時地處理突發(fā)時間。
  第二，采用MSP430F4794 片內(nèi)AD即SD16_A 和片內(nèi)參考源VREF+，每隔6 秒鐘進行一次溫度、壓力的采樣，同時對片內(nèi)參考源V R E F + 進行了的時間控制，片內(nèi)參考源開啟（即SD16REFON=1）0.3 秒鐘后開始AD 采樣，采樣完成后立即關斷片內(nèi)參考源V R E F + 輸出，從而關斷恒流源。片內(nèi)ADC 的時鐘源也配置為ACLK。第三，為降低功耗，鐵電芯片F(xiàn) M 2 4 V 0 2 的讀寫在電池供電時，F(xiàn) M 2 4 V 0 2 對數(shù)據(jù)讀寫操作采取高速模式，功耗在9 0 u A 左右，讀寫操作完成后，立即進入休眠模式，休眠模式下FM24V02 的功耗僅5 μA。第四，RS485 通信控制方面，由于MAX3483 發(fā)送數(shù)據(jù)功耗1.1mA，接受數(shù)據(jù)時功耗0.95mA，功耗較大，所以在電池供電時須配置成既不發(fā)送也不接收的狀態(tài)，此時功耗很低，為2nA。

3 、功耗分析與測試結果：
  電池供電時，RS485 不通信，MAX3483 不工作的靜態(tài)功耗為2nA；4～20mA 輸出單獨供電不計入功耗，整個流量計的功耗分析如下：MSP430F4794在1MHz的MCLK下2.2V供電時***大功耗2 8 0 u A ，在6 5 k H z 正常工作模式下功耗約為70uA，進入低功耗為1.1uA；采集溫度壓力信號時AD 模擬部分工作，AD 采樣時一般消耗720uA,***大1030uA，在此取中間值875uA；SD16_A的SD16REFON=1的設置時間為0.3s后才開始A D 采樣；日歷時鐘模塊S 3 5 3 9 0 A 消耗0 . 2 5 u A；F M 2 4 V 0 2 對數(shù)據(jù)讀寫操作下消耗9 0 u A ，進入休眠模式下FM24V02 的功耗僅5uA。電池供電時的功耗分布如表1。實際測試整體功耗***大值1342uA，***小值296uA，與理論計算相符。由于溫壓6S 采樣一次，AD 采樣時的***大功耗持續(xù)時間約為0.5 秒，其余5.5 秒進于低功耗模式，則平均功耗估算為（1342*0.5+296*5.5）/6=542(uA)。

表1  電池供電時的功耗分布表

表2  實驗結果

4 、結束語：
  本文給出了一種外電與電池自動切換供電的低功耗旋進漩渦流量計設計方案，在硬件設計時，流量計的表頭均選用低功耗的外圍擴展元器件，對主芯片MSP430F4794、電源管理模塊、溫度壓力采樣模塊、鐵電存儲模塊進行優(yōu)化設計，在軟件上從配置MSP430F4794 降低MCLK 和進入低功 耗 模 式 、定 時 溫 壓 采 樣 和 開 關 恒 流 源 、鐵 電 芯 片F(xiàn)M24V02 進入休眠模式等多方面考慮降低功耗。實驗測試結果證明，該流量計設計保證了流量脈沖采集與脈沖輸出的高精度與高可靠性，同時大大降低了電池供電時的整機功耗，大大拓寬了流量計的應用場合。