渦輪式氣體流量計(jì)的溫度、壓力補(bǔ)償方法研究

介紹了一種渦輪式氣體流量計(jì)的溫度、壓力補(bǔ)償方法，該方法采用 MS5535B 傳感器測(cè)量被測(cè)氣體的溫度和壓力，采用軟件方法進(jìn)行補(bǔ)償。

0.引言

氣體的流量通常用體積流量來表示，體積流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過管路任一截面的氣體體積。但是由于氣體分子排列松散，隨著溫度或壓力的變化，分子間距會(huì)發(fā)生變化，體積也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。體積與壓力成反比，與溫度成正比，在溫度和壓力變化的情況下，無法計(jì)量和比較氣體的體積流量，需要將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。工程上氣體流量一般都以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量來表示。因此，需要對(duì)工作狀態(tài)下測(cè)得的氣體流量進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償 。

1 .渦輪式氣體流量計(jì)的溫度、壓力補(bǔ)償方法

渦輪式氣體流量計(jì)直接測(cè)量的是工作狀態(tài)下氣體的體積流量，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的體積流量為

縮系數(shù) 。

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，因此可以按理想氣體計(jì)，這時(shí)氣體壓縮系數(shù)取為 1[3]。將測(cè)量得到的工作狀態(tài)下的溫度和壓力數(shù)值帶入（1）式，即可得到補(bǔ)償后的氣體流量數(shù)值。

2.溫度、壓力測(cè)量用傳感器

作狀態(tài)下的溫度、壓力數(shù)值可采用型號(hào)為 MS5535B 的 集 成 壓 力 傳 感 器 來 進(jìn) 行 測(cè) 量。 MS5535B 的主要功能是將從壓阻式壓力傳感器輸出的未經(jīng)補(bǔ)償模擬電壓值轉(zhuǎn)換為 16 位的數(shù)字量，同時(shí)提供一個(gè)傳感器溫度的 16 位數(shù)字量。該芯片具有如下特點(diǎn) ：

1）0—14 bar 的壓力范圍

2）芯片中存有用于軟件補(bǔ)償?shù)?nbsp;6 個(gè)系數(shù)

3）15 位的 ADC

4）3 線串行接口

5）1 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘（32.768kHz）

6）低電壓低能量消耗

7）供電電壓在 2.2V  3.6V

8）低電壓電流

9）-40  +125℃工作溫度

MS5535B 有 8 個(gè)引腳，引腳定義和功能如表 1 所示。

Word1 到 Word4、D1 和 D2 是通過 3 線同步串行通信讀取的。MS5535B 在 SCLK 的上升沿采樣一位，并且在上升沿發(fā)送一位，以此來實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的同步。單片機(jī) MSP430F147 在 SCLK 的下降沿采樣從 MS5535B 的 DOUT 引腳輸出的數(shù)據(jù)，并且在

SCLK 的下降沿將數(shù)據(jù)發(fā)送到 MS5535B 的 DIN 引腳， SCLK 信號(hào)是由單片機(jī) MSP430F147 產(chǎn)生的。輸出數(shù)據(jù)的選擇通過向 MS5535B 的 DIN（數(shù)據(jù)輸入）腳輸入相應(yīng)的指令來實(shí)現(xiàn)。

如圖 3 所示，MS5535B 和單片機(jī) MSP430F147 的每一次通訊都是以單片機(jī) MSP430F147 向 MS5535B

芯片的 DIN 腳發(fā)送一個(gè)指令序列開始的。在每一個(gè)指令序列之前都有一個(gè)開始序列（3 個(gè)高電平 1），每一個(gè)指令序列之后都有一個(gè)停止序列（3 位低電平 0）。每一條指令有四位組成，用于選擇由 MS5535B 的 DOUT 腳輸出的是壓力、溫度或是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在輸出壓力和溫度時(shí)，在停止序列的***后一位時(shí)，MS5535B的 DOUT 腳會(huì)輸出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)——低電平到高電平的轉(zhuǎn)換，表示了一次轉(zhuǎn)換的開始。應(yīng)答信號(hào)之后，單片機(jī) MSP430F147 向 MS5535B 的 SCLK 腳輸人 2 個(gè)脈沖，然后再輸出低電平，保持 MS5535B 的 SCLK 腳為低，直到在 MS5535B 的 DOUT 腳出現(xiàn)由高到低的信號(hào)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。單片機(jī) MSP430F147 通過向 MS5535B 的 SCLK 腳輸入另外的 17 脈沖讀出

MS5535B 的 DOUT 腳輸出的 16 位數(shù)字。

如果單片機(jī) MSP430F147 和 MS5535B 失去同步性，可以用通過復(fù)位指令來重新啟動(dòng)。在每一次轉(zhuǎn)換指令之前先向 MS5535B 的 DIN 腳發(fā)送復(fù)位指令，以防止由于電氣沖突協(xié)議長(zhǎng)久掛起。

5.結(jié)論

氣體渦輪流量計(jì)采用 MS5535B 檢測(cè)工作狀態(tài)下的氣體溫度和壓力，用軟件實(shí)現(xiàn)溫度和壓力自動(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)。