低功耗无线燃气表的研制

周福根，李福增

（浙江松川仪表科技股份有限公司，浙江 温岭317511）

低功耗无线燃气表的研制

周福根，李福增

（浙江松川仪表科技股份有限公司，浙江 温岭317511）

针对天然气流量计量中工作环境对其计量影响较大的问题，提出了一种温压补偿型燃气表设计方案。计量中将工况下的流量体积转换成标况下的流量体积，并通过无线的传输实现了在线流量监测，最终的样机实验结果表明，该燃气表的误差小于±1.5%.

低功耗；温压补偿；无线；燃气表

能源是一个国家的命脉，能源是否得到合理开发和使用，是一个国家的文明标志。天然气已经成为21世纪的一种新型能源，它属于绿色能源，本身不含粉尘及硫等有害物质。天然气燃烧产生的CO2量少，不容易造成温室效应，符合我国以及世界的能源可持续发展的要求。随着我国与俄罗斯签订天然气协议，俄罗斯每年将给我国提供300亿m3的天然气，有效期为30年。由此可见，天然气是否有先进完善的计量技术，将对我国天然气能源的利益和发展有着至关重要的意义[1，2]。

目前国内各种燃气表技术日趋成熟，考虑到社会和用户的经济效益，社会在各方面都对天然气的计量技术提出了更高的要求。针对天然气成分复杂，工作环境对它的计量影响较大的问题，可以在燃气表里面增加一个温压补偿装置，将工况下的流量体积转换成标况下的流量体积，并运用无线传输实现了天然气使用情况的在线监测[3]。本文研制的燃气表，选用了一种机械仪表——膜式燃气表，并以MSP430为单片机，设计具有温压补偿装置和无线传输数据等功能的智能燃气表。

1 燃气表的工作原理

本设计采用计脉冲数的方式来计量天然气的体积流量。燃气表的基表是膜式燃气表，它属于一种机械式仪表。气体流过燃气表，会在进出气口产生一个压力差，这个压力会带动腔内隔膜的运动，当流过腔内的气体体积达到隔膜腔的最大值时，隔膜就会做往返运动，从而会带动立轴作来回运动。立轴上的曲柄轴会带动滑阀来改变进出口的方向并带动计数的装置，从而达到了连续自动计量气体体积的作用[4，5]。

脉冲的计数采用干簧管，皮膜转动的计数装置上面安装一个带有磁性的铁块，计数装置的转动，会带动磁块的运动，磁块接近干簧管时，会使干簧管的簧片磁化并产生磁力，当磁力大于簧片的弹力时，就会使接合点闭合；当磁块慢慢离开干簧管时，吸引的磁力减少到小于簧片的弹力时，接合点就会被弹开，干簧管的开闭合就会产生一个高低的电平脉冲，通过单片机计脉冲数，就可以达到计量天然气体积的目的[4，6]。

2 系统的硬件设计

设计的燃气表采用MSP430F437为微控制器，主要由流量检测模块、压力检测模块、温度检测模块、按键模块、液晶显示模块以及无线模块等组成。系统的主要结构图如图1所示[7，8]。

图1 系统主要结构图

2.1 流量采集与检测模块

本设计采用计脉冲数的方式实现累积流量的计算。气体流动会带动机械轴的转动，机械轴转动磁块离开干簧管时，干簧管闭合点又会弹开，从而会产生一个高低电平脉冲直接输送给单片机，流量脉冲的产生电路如图2所示。

图2 流量脉冲的产生电路

2.2 温度采集电路

本设计采用的温度传感器是PT1000.PT1000是由铂电阻制成的温度传感器，它的测温范围是：-50℃ ～450℃，允许的工作电流是 ≤0.5 mA.采集电路图示意如图3所示。

图3 温度采集电路示意图

图中 Rt为热电阻 PT1000，R1、R2、R3 为高精度电阻，通过读取R3两端的电压值，可以得出整个支路的电流值，读取Rt两端的电压值，除以支路的电流值，就可以得出PT1000的电阻值，通过查PT1000分度表，就可以准确的得出工况下的温度。

2.3 压力采集电路

本设计温度采集的传感器是154 N型压力传感器。它主要通过对陶瓷基座上的厚膜电阻进行激光修阻，可以对传感器进行温度补偿及零点漂移调整。陶瓷基座上还提供了一个经激光修正的增益调节电阻，使传感器在经过外部差分电路放大后达到较为一致的输出值。压力采集电路示意图如图4所示。

图4 压力采集示意电路

154 N型压力传感器非线性度只有±0.1%，所以可认为是线性的。当压力从P0到Pmax时，对于线性压力传感器，其输出是从V0到Vmax，其关系可以写成式（1）.

对于出厂的传感器，其系数均已标定完成，因此只需得到Vx，即可计算出相对应的Px.本文采用AD7799芯片来读取电压Vx，以达到准确测量压力的目的。

传感器输出的温度和压力信号都是模拟信号，其通过AD7799进行AD转换，把转换后的数字信号输给单片机。

2.4 无线传输模块电路

本设计采用无线传输模块是一款基于GSM网络无线模块——A8500.该模块在本设计中主要是应用于累积流量数据的传输。通过GSM网络，其将燃气表某一时间段内的数据通过手机SIM卡发送短信至监控终端，实现燃气使用情况的在线监测。

该模块直接连接单片机，通过TXD和RXD发送AT代码进行数据的操作。MSP430与无线模块的连接电路示意图如图5所示。

图5 MSP430单片机与无线模块连接电路示意图

3 系统软件设计

本系统采用C语言，运用程序结构化的设计思想，将程序模块化，使设计的程序具有较强的可读性和可移植性，以便于在整个系统的调试过程中进行功能程序的添加和删减。每个子程序的执行采用标志传递法。当某块功能程序的允许执行标志置为“1”时，则执行相对应的功能子程序，不为“1”时则跳出该模块。平时系统的各个子程序都不处于工作状态，只有相应的程序命令产生时，才执行对应的程序。系统主要程序包括主程序、流量检测程序、中断服务程序、温压计算程序和按键程序等。

3.1 软件主程序流程

单片机上电工作时，程序执行的首先是初始化程序，其中包括定时中断初始化、液晶初始化、按键初始化等。然后进行判断是否是第一次上电，选择进行外部存储器数据初始化还是读取外部存储器中的数据。当程序执行到最后，会进入睡眠模式，直到中断唤醒，以此达到了低功耗的目的。图6为主程序流程图。

图6 主程序流程图

液晶显示每隔1 s刷新一次，进行温度和压力值实时显示。在睡眠模式下，温度和压力值每隔15 s进行一次AD值转换，以降低功耗。

3.2 中断服务程序流程

本设计包含4个中断程序。两个内部中断中，一个为定时器中断，以进行温压AD值读取；另一个为串行口通讯中断。两个外部中断中，一个为流量采集中断，以进行流量计算；另一个为按键扫描中断，当检测到有按键按下时，相应按键的标志位置1，从而执行相应按键功能程序。中断服务程序流程图如图7所示。

图7 中断服务流程图

3.3 流量计算程序流程

脉冲数跟累积流量成正比，当流过燃气表的气体达到一个累积流量脉冲时，脉冲计数器加1，通过计算脉冲数，实现工况下气体体积流量的计量。当完成工况下累积流量的计算后，读取当前流量值下的温度和压力值，对其进行标况下的累积流量转换计算，最后把流量数据存储在外部存储器中。流量计算程序流程图如图8所示。

图8 流量计算流程图

4 实验研究及数据分析

本章节主要叙述对燃气表进行实验，并且对实验数据进行分析。该燃气表的预期的性能指标是：流量检测范围是0.06～10 m3/h，压力误差范围±0.3%Fs，温度误差要求为±0.2℃，流量检测等级为1.5级。

4.1 温度实验

该实验使用CHORAD的燃气表专用高低温试验箱，它能够更真实模拟各个温度环境。

温度依次设置为-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5个点，测量的实验结果如表1所示。

表1 温度测量数据

实验环境室温20℃，室内湿度为54%，大气压为100.2 kPa.本文设计的燃气表的温度精度为±0.2℃，分析实验数据可知，该仪表的最大温度误差为0.2℃，所以该仪表的温度测量符合预期的性能指标。

4.2 压力实验

本实验使用的是型号为CST1023的台式气压压力泵，其压力范围是-0.095～6 MPa，准确度等级为0.05级，压力值可以转换成电流和电压输出，电流测量范围为-30～30 mA，电压测量范围-30～30 V，电测准确度为±（0.02%rgd+0.003%F.S）。

运用该压力泵实验测得的压力测量数据如表2所示，此时实验环境室温为26.6℃，大气压为100.2 kPa.

表2 压力测量数据

燃气表的压力精度要求为满量程误差为±0.3%，实验测量得到的数据最大误差为0.16%，所以可以得出结论，该燃气表的压力测量符合仪表预期的性能指标要求。

4.3 流量实验

本实验使用标准表法气体流量标准装置对燃气表进行标定和检测，该装置准确度等级为0.33级。通过比较燃气表计算的累积流量和标准装置计算的累计流量，计算出相对误差。因为本燃气流量检测范围是 0.06～10 m3/h，所以选用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h这3个流量点进行实验。流量实验数据（空气介质）如表3所示。

表3 流量实验数据（空气介质）

本燃气表的流量检测精度等级为1.5级，实验所得数据的最大误差是-0.56%，符合燃气表的精度要求。

综上，本设计的燃气表各方面基本达到了预期的性能指标，最终设计的燃气表样机如图9所示。

图9 设计的燃气表样机图

5 结束语

本设计以MSP430F437单片机为核心，采用了软硬件结合的方式，实现了天然气体积流量的计量。仪表设计包括燃气表的压力检测、温度检测、液晶显示、数据的无线传输、按键切换以及温压补偿等功能。通过对燃气表进行实验数据的处理和分析，所设计的燃气表性能指标达到了相关国标的要求。

[1]殷建平，黄 辉.我国天然气供求分析和未来消费政策选择[J].改革与战略，2010，26（4）：26-29.

[2]吴德才，冯立新，汪秀琼.家用燃气表的选型探讨[J].煤气与热力，2011，31（05）：32-35.

[3]梁国伟，蔡武昌.测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]沈文新，东 涛.膜式燃气表产业现状与发展展望[J].中国计量，2009，15（12）：31-32.

[5]李庆林.皮膜式煤气表制造和使用问题的探讨[J].煤气与热力，1999，19（03）：48-50.

[6]GB/T 6968-2011，膜式燃气表[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2012.

[7]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[8]沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：清华大学出版社，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

膜式燃气国标（GB/T6968-2011）；切断型膜式燃气表（CJ/T 449-2014）；钟罩式气体流量装置（JB/T 12961-2016）等标准编制组成员

周福根（1970-），男，浙江温岭人，本科，工程师，一直从事膜式燃气表的产品研发、生产管理工作。