无线温压补偿式燃气表*

宣芳黎，毛谦敏，刘志辉

（中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018）

0 引言

随着我国能源结构从煤炭、燃油向天然气的转变，天然气的应用在近年来得到了迅猛的发展，工业和家用燃气表的需求量不断上升。目前，大多数使用的燃气表都是根据进出表的燃气体积来测定其流量，作为一次检测仪表的流量计本身仅仅能够检测供气状态下的燃气体积量［1］，而气源单位的结算是以燃气的标准状态为依据的。在温度、压力的影响下，燃气体积的购气结算状态与供气状态的不同造成了燃气体积的计量误差。燃气表未对温度和压力进行修正，会给燃气贸易计量带来很大的不方便。

针对上述情况，本文设计了一种基于MSP430的低功耗燃气表，该燃气表检测到燃气工况条件下的体积量后，通过对温度、压力的修正，转换成燃气标准状态下的流量，并由液晶数字显示器显示，可通过无线通信模块发送数据，实现无线抄表。

1 温压补偿的基本原理

标准状况条件下的瞬时流量可按下式计算［1］

式中Qn为标准状态条件下的瞬时流量，m3/h;Qf为工况条件下的瞬时流量，m3/h;pn为标准状态条件下的绝对压力，其值为0.101 325 MPa;pf为工况条件下的绝对压力，MPa;Tn为标准状态条件下的热力学温度，其值为293.15 K;Tf为工况条件下的热力学温度，K;Zn为标准状态条件下的压缩因子;Zf为工况条件下的压缩因子。

天然气压缩因子的计算方法为AGA8—92DC，该计算方法利用已知气体的详细摩尔组成计算压缩因子［2］。由于实际气压和温度变化较小，认为详细摩尔组成基本不变，即Zn/Zf=1。

2 硬件设计

燃气表的结构如图1所示，主要包括温度压力采集模块、流量采集模块、存储器模块、无线收发模块、电源、液晶显示及按键组成。在燃气表内安装温压传感器用来测量瞬时温度和压力;流量传感器安装在进气口处用来测量燃气的体积流量;单片机将采集的温度压力和流量信号进行处理、计算后，记录数据到存储器，按需要显示。设置无线通信模块，每隔一段时间发送表内的历史数据，实现自动抄表。

图1 燃气表结构图Fig 1 Structure diagram of gas meter

本方案中的核心是采用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F435，它具有5种（lpm0～lpm4）低功耗模式，供电电压在1.8～3.6 V之间变化［3］。芯片具有强大的16位精简指令集，16位寄存器和常数发生器，可以实现最大代码的执行率。

2.1 温度与压力采集

温度与压力采集使用的是Intersema公司的MS5803—01BA压力传感器，是一种集成压力传感器。模块的供电电压为1.8～3.6 V，压力测量范围为1～130 kPa，分辨率可达1.2 Pa，温度测量范围为－40～+85℃，温度测量的分辨率小于0.01℃，压力精度为 ±250 Pa，温度精度为 0.8 ℃［4］。可采用四线SPI和I2C通信，本设计采用的是四线模拟SPI通信，电路图连接如图2所示。

图2 MS5803与MSP430的连接电路Fig 2 Connection circuit between MS5803 and MSP430

单片机从传感器中读到校准参数和温度、压力数据，计算温度、压力值，根据校准参数进行一次补偿。并按照一定的算法对压力进行二次温度补偿，得到精确的压力值。

2.2 流量采集

燃气表的流量计是借助于常用的机械计数器燃气表，选用干簧管对脉冲计数，实现燃气工况流量的计量。流量采集模块通过2个干簧管分别连接到MSP430单片机的2个具有中断功能的I/O口，当燃气工况流量达到1 m3时，2个干簧管依次吸合一次，2个单片机管脚分别产生一次跳变，从而依次触发中断，实现流量计量［5］。

2.3 存储器

系统的存储器采用FM24CL04，燃气表中诸如累积流量、瞬时流量等重要数据都存放在存储器中。由于FM24CL04是非易失性铁电存储器，在断电之后仍能把所存储的信息保存下来，这样可克服由电池长期维持RAM中信息所潜在的不可靠性，并且可以像RAM一样地快速读写，比EEPROM存储器可靠性更高，结构更简单［6］。

2.4 无线通信模块

与有线通信技术相比，无线通信技术可以减少布线和维护成本。无线通信采用符合Zig Bee标准的低功耗、高性能的无线网络模块来实现。CC2420是一种适用于Zig Bee产品的RF器件，性能稳定且功耗极低。它的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性［7］。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbit/s。在使用PCB天线的情况下，通信可视距离达60 m，可实现RFD、FFD和协调器的所有功能［8］。

3 软件设计

该燃气表的软件采用C语言编制。软件的设计以测量的准确性和低功耗为主要目标。软件主要由1个主程序和3个中断服务子程序以及若干实现各个功能的子程序组成。

主程序工作流程如图3所示，以循环的方式工作，完成初始化、中断的初始设置及子程序的调用。初始化包括未使用端口、液晶端口、按键、脉冲输出端口、温度压力供电控制端口、流量采集、定时器、WDT的初始化。

图3 主程序流程图Fig 3 Flow chart of main program

单片机根据传感器的通信协议，发送相应的指令，读取传感器中相应的压力、温度及校正参数值，计算温度压力值，并显示;每隔2s更新一次温度压力的值;实时检测流量是否更新，如更新，读取流量，并进行温度压力补偿计算处理，将最新的数据写入存储器;若有通信要求，可与计算机进行数据通信，并处理通信数据;按键可切换不同的显示模式。

中断服务子程序包括定时器中断服务子程序、流量采集端口中断服务子程序和按键端口中断服务子程序。

定时器中断流程图如图4（a）所示，每2 s中断一次，单片机从传感器采集温度、压力信号，计算温度和温度补偿后的压力值;无线通信模块通常处于休眠模式，燃气表可每隔一段时间向管理计算机发送一次数据。

流量采集端口中断流程图如图4（b）所示。流量采集有两个端口，当燃气表的传感器有信号来的时候，根据流量脉冲的顺序，对流量对应的脉冲数的进行累计，判断是正转还是翻转，并计数流量脉冲值。

按键端口中断流程图如图4（c）所示。若有按键按下，置按键标志位、赋按键值，退出低功耗模式并返回主程序，根据按键值切换不同的显示模式。

图4 中断流程图Fig 4 Flow chart of interruption

4 实验数据与分析

一般天然气供气压力为2500～3000 Pa［9］，温度为管道内供气温度。燃气表在介质为空气的状态，进行实验，得到实验数据，见表1。

表1 燃气表实验数据Tab 1 Gas meter test data

由表1中的数据和式（1）可知，在压力增大的情况下，温度升高才能保证气体体积不变。一般供气压力下，当温度25.8～28.7℃时，气体体积变化不大;当温度高于28.7℃，对大多数的使用者来说是体积减少的;温度低于25.8℃，对大多数的经营者来说是减少的。

设Vn为标况体积流量，即气源结算状态体积;Vf为工况体积流量，即供气状态体积，则体积损失百分率为（1－Vf/Vn）×100%。

2007 年，北京年平均温度为 14.0℃，年平均气压101.26 kPa，杭州年平均温度为 18.4℃，年平均气压101.09 kPa。若取供气压力为 2.5 kPa，则计算其损失见表2。

表2 燃气损失计算表Tab 2 Sheet of gas loss calculation

5 结论

本文采用的温压补偿式燃气表可实现燃气的准确计量，并可无线发送表内数据至管理计算机。随着我国天然气消费量的增加，因计量误差带来的经济损失将变大。为保证用户和经营者的合法利益，对燃气表进行温度、压力的修正是必要的。

［1］郑永军，赵伟国，李文军，等.在线补偿天然气流量积算仪［J］.仪表技术与传感器，2009（12）:38－40.

［2］GB/T 17747.1—1999，天然气压缩因子的计算—1 导论和指南［S］.

［3］李智奇，白小平，陈小龙，等.MSP430系统超低功耗单片机原理与系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008:26.

［4］Intersema MS5801—01BA Altimeter Module ［EB/OL］.（2010—06—15）［2011—04—10］.http:// www.intersema.ch/products/guide/calibrated/ms5803 －01ba/.

［5］崔 洋，姜 宇，钟丽鸿，等.数字远传燃气表的低功耗设计与实现［J］.传感技术学报，2010，23（2）:209 －214.

［6］吴鸿霞，皮大能.FM24 CL04在ZLT—S1型脱扣器动作一致测试仪中的应用［J］.黄石理工学院学报，2008，24（2）:15 －19.

［7］王水璋，闫文娟.基于MSP430与CC2420的自组织无线传感器网络设计［J］.科技情报开发与经济，2008，18（33）:134－136.

［8］郛 丹，李傻芳.Zig Bee无线网络技术在抄表系统中的应用［J］.过程自动化，2009，30（4）:20 －23.

［9］杨玉玲.浅谈温度、压力对皮膜表计量误差及经营效益的影响［J］.城市煤气，2001，315（5）:13 －18.