郭 銳，李 虹，楊 宇，牛 睿，熊紅權(quán)，王玉榮，徐殊凝

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原030024)

在資源相對(duì)緊缺的現(xiàn)在，人們?cè)絹碓街匾曎Y源的消耗，特別是能源。熱量表是可測(cè)量熱量變化的一種儀表，可用于住房用戶以測(cè)取暖氣消耗量，方便用戶自己調(diào)節(jié)暖氣的供應(yīng)。用戶可按暖氣使用量來繳費(fèi)，這樣可以鼓勵(lì)用戶減少熱能的浪費(fèi)并且使得暖氣收費(fèi)更合理。為了能更準(zhǔn)確地計(jì)量熱量損耗，用戶對(duì)熱量表的精度要求有所提高。其中，超聲波熱量表是現(xiàn)在市場(chǎng)上興起的一種熱量表，它通過對(duì)水溫、水的流速測(cè)量及計(jì)算，來反映暖氣熱量的變化。本文首先說明超聲波熱量表的工作原理，然后介紹硬件電路，最后總結(jié)提高儀表測(cè)量精度的方法。

1 系統(tǒng)原理

超聲波熱量表涉及超聲波、溫度、時(shí)間、控制等方面。在不同溫度的水中，超聲波的傳播速度不同，通過對(duì)超聲波在水中傳播時(shí)間的測(cè)量和水的溫度差，計(jì)算出暖氣的熱損耗[1]。超聲波只用于測(cè)量水的流速，而水的溫度測(cè)量則使用高精度熱敏電阻。

1.1 熱損耗測(cè)量基本原理

在實(shí)際暖氣管道上，超聲波傳感器的安裝如圖1所示。

圖1 超聲波流量計(jì)工作示意圖Fig.1 Working principle of ultrasonic flow meter

換能器A、B為一對(duì)超聲波傳感器，斜向安裝在同一段管道兩側(cè)。用來測(cè)量超聲波在水中傳播時(shí)間，間接計(jì)算出水的流速。

假設(shè)水充滿管內(nèi)，水體積變化量計(jì)算如式(1)。

式中，v——水的流速(假設(shè)v在測(cè)量區(qū)域內(nèi)保持不變);D——管內(nèi)直徑。

v和vc的計(jì)算公式如式(2)和式(3):

其中，vc——超聲波在水中的傳播速度;

θ——超聲波傳播方向與液體流向的夾角;

vo——0℃ 時(shí)超聲波聲速;

T——進(jìn)水口處的溫度;

△t——超聲波在水中的傳播時(shí)間差(△t=|t1-t2|，t1和t2分別為超聲波順流和逆流的傳播時(shí)間，可用下文介紹的時(shí)間測(cè)量方法測(cè)出)。

水所釋放的熱量計(jì)算公式為:

其中，V——熱量表測(cè)量的流經(jīng)熱交換系統(tǒng)的水的體積;

Vo——測(cè)量開始時(shí)水的體積;

Vt——測(cè)量結(jié)束時(shí)水的體積;

K——熱系數(shù);

△T——進(jìn)出口處水溫度差。

以上先求出超聲波聲速vc，再求水的流速v，帶入式(1)后，再將式(1)帶入式(4)，最后用單片機(jī)計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)水的散熱量。

1.2 時(shí)間測(cè)量原理

測(cè)量時(shí)間的方法有:直接法、時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換法、游標(biāo)法、延遲線法等[2]。由于熱量表應(yīng)用于細(xì)口徑的管道中，適合采用游標(biāo)法實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量，所以在設(shè)計(jì)中采用游標(biāo)法進(jìn)行時(shí)間擴(kuò)展。

游標(biāo)法因其工作原理類似于游標(biāo)卡尺而得名，它本質(zhì)上是一種數(shù)字?jǐn)U展法。如圖2所示。

圖2 游標(biāo)法測(cè)時(shí)間的時(shí)序圖Fig.2 Sequence chart of nonius time-measuring method

假設(shè)時(shí)間間隔為△t，用START作起始信號(hào)，用STOP作停止信號(hào)。START啟動(dòng)一個(gè)周期為T1的振蕩器，用STOP啟動(dòng)一個(gè)周期為T2的振蕩器，其中T1＞T2，然后對(duì)兩個(gè)時(shí)鐘分別計(jì)數(shù)。假設(shè)T1計(jì)數(shù)到n1，T2計(jì)數(shù)到n2時(shí)兩者重合，則有:

一種采用游標(biāo)法來實(shí)現(xiàn)的芯片，能在312.5 MHz下達(dá)到50 ps的分辨率。另一種用游標(biāo)法芯片，在700 MHz下達(dá)到2.3 ps的分辨率。進(jìn)一步改進(jìn)有望將分辨率提高到1 ps，而如此高的分辨率，關(guān)鍵是保證兩個(gè)可啟動(dòng)振蕩器的高精度與高可靠性。另外，高精度的重合檢測(cè)電路也是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量不可或缺的部分。商用的HP5370B是采用游標(biāo)法測(cè)量的典型例子，測(cè)量精度可達(dá)20 ps，是迄今為止最好的商用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器。

1.3 溫度測(cè)量原理

暖氣中熱損耗的計(jì)算，涉及管道內(nèi)水的溫度變化，并且溫度對(duì)超聲波的速度影響很大，必須對(duì)超聲波聲速計(jì)算進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度可利用熱敏電阻PT1000和溫度變送器ADT70測(cè)量。熱敏電阻PT1000可以隨溫度不同而改變自身阻值，ADT70再將PT1000的阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓變化傳送給單片機(jī)，再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。

在熱敏電阻中，由于PT1000具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓而且線性度好的優(yōu)點(diǎn)，因此在該設(shè)計(jì)中選用 PT1000做為測(cè)溫傳感器探頭。PT1000是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的1000即表示它在0℃時(shí)阻值為1 000 Ω，在100℃時(shí)它的阻值約為1 385 Ω.

ADT70為鉑電阻提供激勵(lì)源和信號(hào)整形電路，專為PT1000型鉑熱電阻設(shè)計(jì)使用，其測(cè)量溫度范圍寬。ADT70-PRTD系統(tǒng)的精確測(cè)量范圍可以從-200℃～+1 000℃并取決于鉑熱電阻的質(zhì)量。其典型應(yīng)用電路可在滿量程內(nèi)使誤差減小到±1℃，并且此誤差可通過修正減小到±0.1℃.

2 主要電路

超聲波熱量表主要電路有:超聲波收發(fā)電路及其換能電路、溫度測(cè)量電路、單片機(jī)外圍電路、顯示電路等。下面主要介紹超聲波收發(fā)電路及其換能電路和溫度測(cè)量電路。

2.1 超聲波電路

超聲波電路可以分為三部分，有超聲波發(fā)射電路、接收電路和切換超聲波收發(fā)電路[3]。

圖3是超聲波發(fā)射電路。由NE555構(gòu)成多諧振蕩器，來使超聲波發(fā)射器中的壓電晶片產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生超聲波，NE555輸出波的頻率應(yīng)與壓電晶片的固有頻率相同。由式子T=2RC17ln2=1/f可以確定電路中電阻、電容的大小[4]。

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 The circuit of porducing ultrasonic

圖4是超聲波接收電路。在本電路中，NE5532主要組成一個(gè)反向比例電路以及帶通濾波，超聲波接收器輸出的微弱信號(hào)放大并且濾去不需要的頻率。R1和C5構(gòu)成低通濾波部分，R5和C6構(gòu)成高通濾波部分。經(jīng)過圖4電路后產(chǎn)生的信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行處理，形成計(jì)時(shí)的停止信號(hào)。

圖4 超聲波接收電路Fig.4 The circuit of receiving ultrasonic

圖5為超聲波收發(fā)切換電路。由于計(jì)算中需要求出超聲波順流和逆流的傳播時(shí)間差，一般需要兩組超聲波收發(fā)電路，但兩組不是同時(shí)工作的，為了減少電路，降低成本故用一個(gè)固態(tài)繼電器進(jìn)行切換。圖5中，下邊是發(fā)射電路，上邊為接收電路，整個(gè)繼電器由一個(gè)線圈控制，當(dāng)CH-CUT為0，S2與接收電路相聯(lián)，S1與發(fā)射電路相聯(lián)。當(dāng)CH-CUT為1，則S2與發(fā)射電路相連，S1與接收電路相聯(lián)。這樣就完成了收發(fā)電路的切換。

圖5中的繼電器K采用固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。其體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高，轉(zhuǎn)換速度快，電磁干擾小。

2.2 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路主要是將鉑熱電阻PT1000的阻值轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)提供給單片機(jī)，借此轉(zhuǎn)換成溫度變化[5]。溫度測(cè)量電路主要由熱電阻PT1000及溫度變送器ADT70組成。

ADT70的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。內(nèi)部含有兩個(gè)1 mA的電流源，一個(gè)精密放大器，一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)源和一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，另外ADT70有一個(gè)關(guān)斷控制引腳以使它工作在低功耗模式，它可以使ADT70的電流由4 mA降到10 uA[6]。用 +5 V單電源或+/-5 V雙電源供電，傳感器用四線制方式，可消除由鉑熱電阻引線而造成的測(cè)溫誤差，提高表的精度[7]。

圖5 超聲波收發(fā)切換電路Fig.5 The switching circuit of transmit-receive ultrasonic

圖6 ADT70內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Internal structure diagram of ADT70

3 結(jié)論

本系統(tǒng)選用C8051F320單片機(jī)作為計(jì)算與控制部分，其工作電壓為2.7 V～3.6 V，主振頻率25 MHz時(shí)工作電流為5.8 mA，工作時(shí)平均電流約為3.132 uA[8]。屏蔽其它功能，系統(tǒng)靜態(tài)電流約為20 uA.而系統(tǒng)在測(cè)流量和溫度時(shí)工作電流分別約為8.423 uA、0.085 uA.則系統(tǒng)有效工作電流約為以上四個(gè)數(shù)據(jù)之和，為 31.640 uA.系統(tǒng)選用型號(hào)為EN14505的鋰電池供電，電池額定容量為2.7 Ah.若按電池額定容量的80%計(jì)算，電池可使用壽命約為7年。根據(jù)檢定規(guī)則的要求，熱量表電池的使用壽命應(yīng)大于6年，因此本設(shè)計(jì)符合低功耗的要求[9]。

設(shè)計(jì)的超聲波熱量表不僅可以保證測(cè)量的精確性，而且功耗低，在以下方面都有體現(xiàn):

(1)采用游標(biāo)時(shí)間測(cè)量法，提高單片機(jī)計(jì)時(shí)精度;

(2)采用固態(tài)繼電器，提高可靠性;

(3)使用測(cè)量精確度最高的鉑熱電阻PT1000;

(4)鉑熱電阻引線方式為四線制，消除導(dǎo)線電阻影響;

(5)熱量表工作電壓低，功耗低。

與傳統(tǒng)的機(jī)械式熱量表相比，超聲波熱量表具有對(duì)水狀態(tài)影響小、準(zhǔn)確度高、單片機(jī)計(jì)算高效率等特點(diǎn)，使得其得到普及[10]。但是，由于超聲波熱量表起步晚，仍有部分技術(shù)問題需要解決。如:直射式超聲波熱量表在小口徑管道的應(yīng)用中，相對(duì)于反射式超聲波熱量表壓損較大;普通的超聲波熱量表為了整流，在管道中設(shè)有整流支架，但我國(guó)水質(zhì)不高，這樣易造成管道堵塞;現(xiàn)有的換能器精度不高，易受水壓、靜電的影響，使用壽命低等。而隨著生產(chǎn)工藝成熟，超聲波熱量表將不失為一個(gè)節(jié)能型熱量表[11]。

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[6]Analog Devices公司.ADT70 使用手冊(cè)[EB/OL].[2004-04-01].http://www.analog.com/en/index.html.

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