0 、引言：氣體渦輪流量計(jì)是新一代的智能型速度式流量?jī)x表，具有精度高、重復(fù)性好、量程范圍寬、體積小、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少等優(yōu)點(diǎn)。圖 1 為氣體渦輪流量計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，當(dāng)氣體通過(guò)管道時(shí)，沖擊置于流體中的葉輪，對(duì)葉輪產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使葉輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而旋轉(zhuǎn)，在一定的流量范圍內(nèi)，葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率與氣體流速成正比。由此，氣體流速可通過(guò)測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率得到，從而可以計(jì)算得到通過(guò)管道的氣體的體積流量。但是由于氣體是由大量雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)著的分子組成的，分子間的距離較大，隨著溫度或壓力的變化，分子間距會(huì)發(fā)生變化，其體積與壓力成反比，與溫度成正比。因此，當(dāng)被測(cè)氣體的溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)，是無(wú)法計(jì)量和比較氣體的體積流量的，需要將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。

1、氣體渦輪流量計(jì)的溫度補(bǔ)償：
  渦輪流量計(jì)直接測(cè)量的是工作狀態(tài)下的實(shí)際體積流量，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下的體積流量將通過(guò)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
（1）式中    q Vn、q V——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工作狀態(tài)下的體積流量，m3/h    p、T、Z——分別為工作狀態(tài)下壓力

圖 1  渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)
（Pa），熱力學(xué)溫度（K）和氣體壓縮系數(shù)    pn、Tn、Zn——分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力（Pa），熱力學(xué)溫度（K）和氣體壓縮系數(shù)這里需要指出，由于被測(cè)氣體所處狀態(tài)壓力較低，且溫度大大高于臨界溫度（指氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度），因此可以不考慮由于工作狀態(tài)變化而引起的氣體壓縮系數(shù)的變化，按理想氣體計(jì)，這時(shí)氣體壓縮系數(shù)取為 1。為了能夠?qū)⒐ぷ鳡顟B(tài)下的實(shí)際體積流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，除了需要測(cè)量工作狀態(tài)下的壓力外還需要測(cè)量工作狀態(tài)下被測(cè)氣體的熱力學(xué)溫度，從而完成氣體禍輪流量計(jì)的壓力補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。

2、溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)：
2.1、溫度傳感器的選擇：
  按照輸出形式分類，溫度傳感器分為模擬量輸出型和數(shù)字量輸出型。數(shù)字量輸出型溫度傳感器集感溫元件、測(cè)量電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路于一體，輸出的是溫度對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值。和模擬量輸出型溫度傳感器相比，數(shù)字量輸出型溫度傳感器測(cè)量電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低。基于數(shù)字量輸出型溫度傳感器的以上優(yōu)點(diǎn)，氣體渦輪流量計(jì)選用數(shù)字量輸出型溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償用傳感器。由于被測(cè)氣體的溫度低于 100℃，選用MAX31820 即可滿足要求。
MAX31820 是一種環(huán)境溫度傳感器，主要特性如下：
1）MAX31820 采用一根總線進(jìn)行通信。
2）每個(gè) MAX31820 芯片有一個(gè)的 64 位序列號(hào)，該序列號(hào)存儲(chǔ)在 ROM 中?？稍试S多個(gè)MAX31820 芯片通過(guò)一根數(shù)據(jù)總線與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而使得分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化。
3）不需要外部器件。
4）該芯片的電源可由數(shù)據(jù)線本身提供，可節(jié)省外部電源。
5）測(cè)量溫度范圍從 -55℃ +125℃，等效的華氏溫度范圍是 -67。F +257。F。
6）測(cè)溫度在 +10℃ +45℃范圍時(shí)，測(cè)量精度為 ±0.5℃。
7）該芯片的核心功能是數(shù)字量輸出。溫度傳感器的分辨率是用戶可配置的，9 位、10 位、11位、12 位，相應(yīng)的溫度增量分別為 0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃。
8）750ms 內(nèi)能夠?qū)囟绒D(zhuǎn)換成 12 位數(shù)字量。
9）用戶可定義的非易失性報(bào)警設(shè)置。
10）告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況）。

2.2、溫度補(bǔ)償電路：
  MAX31820 采用單總線和主控制器進(jìn)行通信。 MAX31820 的單線端口是一個(gè)開漏端口，使用時(shí)需要接上拉電阻（大約 5kΩ）。這樣，總線空閑時(shí)，保持高電平。該氣體渦輪流量計(jì)的主控制器選用的是型號(hào)為 MSP430F147 的 16 位單片機(jī)。圖 2 為MSP430F147 和 MAX31820 的接口電路。

圖 2  MSP430F147 和 MAX31820 的接口電路

3、 溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)：
  MSP430F147 和 MAX31820 通 過(guò) 單 總 線 進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸，首先要進(jìn)行初始化操作。初始化時(shí)序包含有主控制器 MSP430F147 向從機(jī) MAX31820發(fā) 送 的 復(fù) 位 脈 沖， 之 后 是 MAX31820 返 回 的應(yīng) 答 脈 沖。MAX31820 返 回 的 應(yīng) 答 脈 沖 能 夠 讓MSP430F147 知道 MAX31820 是否已經(jīng)準(zhǔn)備好。

溫度補(bǔ)償程序如下所示。// 變量定義 //char   error=0;         // MAX31820 初始化錯(cuò)誤標(biāo)志int    temperature=0;   // 讀取的 MAX 31820 溫度值float  temper=0.0;      // 轉(zhuǎn)換后的檢測(cè)溫度值char   temp_low=0;    // 讀取的 MAX 31820 溫度值的低 8 位

// 利用數(shù)據(jù)處理函數(shù) //
 
void readtemp(void)
 
{
 
temperature=temp_high&0x0f; temperature=temperature<<8; temperature=temperature|temp_low; temper=temperature>>4;
 
}
 
  存放在變量 temper 中的溫度值為工作狀態(tài)下氣體的熱力學(xué)溫度，將其代入式（1），再將用壓力傳感器測(cè)得的工作狀態(tài)下的壓力代入式（1），即可得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。
  P3OUT|=BIT4;
 
}
 
return temp;
 
}
 
// 延時(shí)函數(shù) //
 
void  Delay(unsigned int nValue)
 
{
 
while(nValue–) {};
 
}
 
4、溫度值的處理：
 
MAX31820 輸出的溫度數(shù)字量已經(jīng)被校準(zhǔn)成攝氏溫度。溫度數(shù)字量為 16 位，其中包括符號(hào)位，符號(hào)位為 0 表示溫度值為正，符號(hào)位為 1 表示溫度值為負(fù)。如果設(shè)置的是 12 位的分辨率，寄存器中的所有位包含有效數(shù)據(jù)。如果設(shè)置的是 11 位的分辨率，第 0 位是無(wú)定義的。如果設(shè)置的是 10 位的分辨率，第 1 位和第 0 位是無(wú)定義的。如果設(shè)置的是 9 位的分辨率，第 0、1、2 位是無(wú)定義的。
 溫度寄存器的格式如表 1、表 2 所示。
 

5、結(jié)論：
  氣體渦輪流量計(jì)采用 MAX31820 檢測(cè)工作狀態(tài)下的氣體溫度，用軟件實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)補(bǔ)償。試驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的主要技術(shù)指標(biāo)。