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涡轮式气体流量计的温度压力补偿
发布时间:2021-7-12 08:52:25

摘要:介绍了一种涡轮式气体流量计的温度.压力补偿方法,该方法采用MS5535B传感器测量被测气体的温度和压力,采用软件方法进行补偿。
0引言.
  气体的流量通常用体积流量来表示,体积流量是指单位时间内通过管路任一截面的气体体积。但是由于气体分子排列松散,随着温度或压力的变化,分子间距会发生变化,体积也会发生相应的变化。体积与压力成反比,与温度成正比,在温度和压力变化的情况下,无法计量和比较气体的体积流量,需要将其统--转换为标准状态下的体积流量。工程上气体流量--般都以标准状态下的体积流量来表示。因此,需要对工作状态下测得的气体流量进行温度、压力补偿。
1涡轮式气体流量计的温度、压力补偿方法
  涡轮式气体流量计直接测量的是工作状态下气体的体积流量,标准状态下气体的体积流量为:
 
  式中qvn、qv-分别为标准状态和工作状态下的体积流量,m³/h;p、T、Z-分别为工.作状态下绝对压力(Pa),热力学温度(K)和气体压缩系数;pn、Tn、Zn一分别为标准状态下绝对压力(Pa),热力学温度(K)和气体压缩系数。
  由于被测气体所处状态压力较低,且温度大大高于临界温度,因此可以按理想气体计,这时气体压缩系数取为1甲。将测量得到的工作状态下的温度和压力数值带入(1)式,即可得到补偿后的气体流量数值。
2温度、压力测量用传感器
  工作状态下的温度、压力数值可采用型号为MS5535B的集成压力传感器来进行测量。MS5535B的主要功能是将从压阻式压力传感器输出的未经补偿模拟电压值转换为16位的数字量,同时提供-一个传感器温度的16位数字量。该芯片具有如下特点:
1)0一14bar的绝对压力范围
2)芯片中存有用于软件补偿的6个系数
3)15位的ADC
4)3线串行接口
5)1个系统时钟(32.768kHz)
6)低电压低能量消耗
7)供电电压在2.2V~3.6V
8)低电压电流
9)-40~+125℃工作温度
  MS5535B有8个引脚,引脚定义和功能如表1所示。
 
3温度、压力测量传感器与单片机的接口电路设计
  MS5535B与单片机MSP430F147的通信是通过3线同步的串行接口实现的。图1为压力传感器MS5535B和单片机MSP4320F147的硬件连接图。单片机MSP430F147的P2.1引脚输出同步串行时钟信号,P2.4引脚采样由MS5535B输出的数据,P2.2引脚输出数据给MS5535B,P2.0引脚向MS5535B输出32.768kHZ的主时钟信号。
 
4软件设计
  MS5535B输出的电压与温度和测量过程的误差有很大关系,所以需要补偿这些影响。补偿是通过单片机MSP430F147软件补偿来实现的。补偿用的校准数据Wordl到Word4存储在MS5535B的64位PROM中,可通过单片机MSP430F147的软件读出用于对16位的压力值(D1)和16位温度值(D2)进行补偿,得到用于涡轮式气体流量计温度、压力补偿的压力值和温度值。图2描述了读取压力值、温度值和软件补偿执行的过程。首先,通过串行接口读出wordl到word4。下一一步,用位方式逻辑和移位操作取出补偿系数Cl到C6(wordl到word4的位模式参考表2)。然后单片机MSP430F147通过串行接口读取16位的压力值(D1)和16位温度值(D2)。最后,通过D1、D2和C1到C6运用图2所示的运算法则计算出补偿后的压力值。
 
 
  Wordl到Word4、D1和D2是通过3线同步串.行通信读取的。MS5535B在SCLK的上升沿采样一位,并且在上升沿发送一-位,以此来实现信号转换的同步。单片机MSP430F147在SCLK的下降沿采样从MS5535B的DOUT引脚输出的数据,并且在SCLK的下降沿将数据发送到MS5535B的DIN引脚,SCLK信号是由单片机MSP430F147产生的。输出数据的选择通过向MS5535B的DIN(数据输入)脚输入相应的指令来实现。
 
  如图3所示,MS5535B和单片机MSP430F147的每--次通讯都是以单片机MSP430F147向MS5535B芯片的DIN脚发送一-个指令序列开始的。在每一-个指令序列之前都有一一个开始序列(3个高电平1),每一个指令序列之后都有一-个停止序列(3位低电平0)。每一.条指令有四位组成,用于选择由M55535B的DOUT脚输出的是压力、温度或是校准数据。在输出压力和温度时,在停止序列的最后--位时,MS5535B的DOUT脚会输出-一个应答信号一低电平到高电平的转换,表示了--次转换的开始。应答信号之后,单片机MSP430F147向MS5535B的SCLK脚输人2个脉冲,然后再输出低电平,保持MS5535B的SCLK脚为低,直到在MS5535B的DOUT脚出现由高到低的信号,表示转换结束。单片机MSP430F147通过向MS5535B的SCLK脚输入另外的17脉冲读出MS5535B的DOUT脚输出的16位数字。
  如果单片机MSP430F147和MS5535B失去同步性,可以用通过复位指令来重新启动。在每--次转换指令之前先向MS5535B的DIN脚发送复位指令,以防止由于电气冲突协议长久挂起。
5结论
  气体涡轮流量计采用MS5535B检测工作状态下的气体温度和压力,用软件实现温度和压力自动补偿。试验证明实验样机实现了系统要求的主要技术指标。

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