渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法研究

介紹了一種渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法，該方法采用 MS5535B 傳感器測量被測氣體的溫度和壓力，采用軟件方法進行補償。

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間內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，分子間距會發(fā)生變化，體積也會發(fā)生相應的變化。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，無法計量和比較氣體的體積流量，需要將其統(tǒng)一轉換為標準狀態(tài)下的體積流量。工程上氣體流量一般都以標準狀態(tài)下的體積流量來表示。因此，需要對工作狀態(tài)下測得的氣體流量進行溫度、壓力補償 。

1 .渦輪式氣體流量計的溫度、壓力補償方法

渦輪式氣體流量計直接測量的是工作狀態(tài)下氣體的體積流量，標準狀態(tài)下氣體的體積流量為

縮系數(shù) 。

由于被測氣體所處狀態(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，這時氣體壓縮系數(shù)取為 1[3]。將測量得到的工作狀態(tài)下的溫度和壓力數(shù)值帶入（1）式，即可得到補償后的氣體流量數(shù)值。

2.溫度、壓力測量用傳感器

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

1）0—14 bar 的壓力范圍

2）芯片中存有用于軟件補償?shù)?nbsp;6 個系數(shù)

3）15 位的 ADC

4）3 線串行接口

5）1 個系統(tǒng)時鐘（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，以此來實現(xiàn)信號轉換的同步。單片機 MSP430F147 在 SCLK 的下降沿采樣從 MS5535B 的 DOUT 引腳輸出的數(shù)據，并且在

SCLK 的下降沿將數(shù)據發(fā)送到 MS5535B 的 DIN 引腳， SCLK 信號是由單片機 MSP430F147 產生的。輸出數(shù)據的選擇通過向 MS5535B 的 DIN（數(shù)據輸入）腳輸入相應的指令來實現(xiàn)。

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

芯片的 DIN 腳發(fā)送一個指令序列開始的。在每一個指令序列之前都有一個開始序列（3 個高電平 1），每一個指令序列之后都有一個停止序列（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、溫度或是校準數(shù)據。在輸出壓力和溫度時，在停止序列的***后一位時，MS5535B的 DOUT 腳會輸出一個應答信號——低電平到高電平的轉換，表示了一次轉換的開始。應答信號之后，單片機 MSP430F147 向 MS5535B 的 SCLK 腳輸人 2 個脈沖，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，表示轉換結束。單片機 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 MSP430F147 和 MS5535B 失去同步性，可以用通過復位指令來重新啟動。在每一次轉換指令之前先向 MS5535B 的 DIN 腳發(fā)送復位指令，以防止由于電氣沖突協(xié)議長久掛起。

5.結論

氣體渦輪流量計采用 MS5535B 檢測工作狀態(tài)下的氣體溫度和壓力，用軟件實現(xiàn)溫度和壓力自動補償。試驗證明實驗樣機實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的主要技術指標。