高正中，郭金建，李世光，桑志峰，姚秀勇

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590；2.青島盤古電氣有限公司 山東青島 266200)

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低功耗高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高正中1，郭金建1，李世光1，桑志峰2，姚秀勇1

(1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590；2.青島盤古電氣有限公司 山東青島 266200)

本文設(shè)計(jì)了一款低功耗高精度的超聲波熱量表。熱量表MCU選用低功耗MSP430系列芯片；時(shí)間測(cè)量芯片選用了高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22，配合超聲波換能器測(cè)量水的流速，配合Pt1000測(cè)量入水口和出水口的水溫;通信模塊有紅外通信和M_BUS兩種通信方式。本文從原理、基表設(shè)計(jì)、硬件電路以及軟件方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，最后通過測(cè)試結(jié)果說明了所設(shè)計(jì)的熱表具有高的精確度，極低的功耗和良好的穩(wěn)定性。

超聲波熱量表；基表；TDC-GP22；低功耗；高精度；小流量

0 引言

我國的冬季取暖收費(fèi)制度過去是以按面積收費(fèi)的形式，這種只與供暖面積有關(guān)而與用戶實(shí)際使用量無關(guān)的收費(fèi)方式日益顯得不合理。按照我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求,冬季取暖實(shí)行熱能計(jì)量收費(fèi)顯得越來越重要。然而目前市場(chǎng)上的熱量計(jì)量產(chǎn)品的質(zhì)量存在著諸多問題，如:功耗較大，精度不高[1]等問題。

針對(duì)上述問題，本文提出了關(guān)于小口徑的符合我國國情的熱量計(jì)量技術(shù)方案。通過查閱文獻(xiàn)和分析比較,本方案最終選擇了超聲波測(cè)量傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用時(shí)差法原理進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于時(shí)間的測(cè)量選用ACAM公司最新推出的專業(yè)高精準(zhǔn)的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP22。對(duì)溫度的測(cè)量選用熱量表專用的配對(duì)溫度傳感器(DS型)鉑電阻Pt1000。數(shù)據(jù)運(yùn)算方面選用了MSP430系列超低功耗微處理器，該方案可使熱表功耗大為降低。最后在A類[3]環(huán)境條件下對(duì)多組熱表進(jìn)行了測(cè)試。

1 工作原理

1.1 熱量表工作原理及數(shù)學(xué)模型

熱量表主要由3部分組成:進(jìn)、出水溫度測(cè)量模塊、流量測(cè)量模塊(超聲波傳感器)和數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊(CPU)。

用戶的進(jìn)、出水端分別安裝配對(duì)溫度傳感器Pt1000，對(duì)管道水溫進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)水溫度傳感器與用戶管道之間安裝超聲波傳感器，對(duì)管道內(nèi)流量進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)運(yùn)算處理器根據(jù)超聲波傳感器和配對(duì)溫度傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出用戶所消耗的熱量，并對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)且可通過LCD液晶進(jìn)行顯示。

數(shù)據(jù)處理器對(duì)用戶消耗熱量的計(jì)算依據(jù)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128-2007給出的熱量計(jì)算公式[2]：

式中：Q為用戶消耗的熱量，J；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h;qv為流經(jīng)熱量表的水的體積流量，m3；ρ為水的密度，kg/m3；Δh為水的焓差值，J/kg；τ為時(shí)間，h。

1.2 時(shí)差法測(cè)流量原理及其數(shù)學(xué)模型

利用超聲波在管道內(nèi)順?biāo)湍嫠牟煌瑐鞑ニ俣榷贸龅臅r(shí)間差可以計(jì)算出流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量。

圖1為時(shí)差法原理圖，其中A、B為超聲波換能器。

圖1 時(shí)差法原理圖

當(dāng)A向B發(fā)送超聲波時(shí)測(cè)出的順流傳播時(shí)間為：

t0=L/(c+vsinθ)

當(dāng)B向A發(fā)送超聲波時(shí)測(cè)出的逆流傳播時(shí)間為：

t1=L/(c-vsinθ)

式中c為超聲波在靜水中的傳播速度。

則：

Δt=t1-t0≈2Lvsinθ/c2

令t=(t0+t1)/2，則：

v=L·Δt/(2t2sinθ)

式中S為管道橫截面積。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基表的設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波反射裝置不同的安裝方式而形成了不同安裝方法，市場(chǎng)上常見基表有V型、U型以及Z型等安裝方法。安裝方式的不同不僅影響著熱量表的精準(zhǔn)度，特別是小流量狀態(tài)下的精準(zhǔn)度，還影響熱量表的持久性。文獻(xiàn)[3]采用的V型安裝方式，由于該方式無明顯擾流部件且能精準(zhǔn)的反映不同流層的水流狀態(tài)，因而測(cè)量精度較高，然而由于管道材質(zhì)、表面光滑度等原因，超聲波在通過管壁反射時(shí)有可能會(huì)在反射面處發(fā)生折射、散射等情況，對(duì)測(cè)量造成干擾；另一方面由于中國水質(zhì)原因，管壁上很容易結(jié)垢、結(jié)晶[4]，這樣逐漸積累會(huì)嚴(yán)重影響超聲波的反射。文獻(xiàn)[1]選用的是Z型安裝方式,該方式可以解決水質(zhì)和反射的問題,但由于傳播距離較短,不利于時(shí)差法的測(cè)量。文獻(xiàn)[5]選用的是市場(chǎng)上最常用的U型安裝方式，該方案能夠解決折射、散射、結(jié)垢以及傳播距離的問題，而且經(jīng)校準(zhǔn)后在中、大流量的測(cè)量效果非常好,然而由于加入了立柱作為反射裝置，導(dǎo)致了流體壓力損失[1]，影響了水流形態(tài)，小流量測(cè)量誤差較大。針對(duì)上述問題本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的方形管道的W型安裝方式基表。

圖2 基表結(jié)構(gòu)圖

基表管道采用漸縮通道[6]設(shè)計(jì)，這樣可以很好的對(duì)水流起到整流[5]的作用，使水流形態(tài)更加穩(wěn)定。由于減少了過流面積，使管道內(nèi)的流速加快，對(duì)管壁沖刷力度變大，因而管道壁上不易產(chǎn)生結(jié)垢。此外基表管道采用方形設(shè)計(jì)，加上管道為漸縮通道設(shè)計(jì)，因而在停止供暖時(shí)，管道內(nèi)不會(huì)留有積水，近而不易結(jié)垢。

管道內(nèi)的超聲波反射面選用材質(zhì)為不銹鋼，相對(duì)于使用黃銅材質(zhì)的管道壁作為反射面，該種方案對(duì)超聲波具有更強(qiáng)的反射作用，而且光滑的反射面處也不容易產(chǎn)生結(jié)垢、結(jié)晶的現(xiàn)象，也不會(huì)發(fā)生散射、折射干擾測(cè)量。

根據(jù)流體力學(xué)可知，流體在管道內(nèi)不同層面流速大小分布不同。其中，中軸線上的流速最大，越靠近管壁流速越小。U型方案測(cè)量的是中軸線上的線速度，且前面有立柱影響水流形態(tài)，所以不能準(zhǔn)確的反映出其它層流的狀態(tài)。此外該方案測(cè)出的線速度極易受溫度影響，對(duì)校表帶來了復(fù)雜性。相對(duì)于此，W和V型方案優(yōu)點(diǎn)較為突出，兩種方案都沒有明顯的擾流部件，皆能反映不同截面的流速且測(cè)量時(shí)受溫度影響較小。由于W安裝方案超聲波經(jīng)過3次反射，超聲波傳播路徑相對(duì)V型方案路徑較長，根據(jù)時(shí)差法測(cè)量原理，這使得W型比V型測(cè)量方案精度高。

2.2 TDC-GP22的電源電路及外圍電路設(shè)計(jì)

TDC-GP22是最新一代高精度計(jì)時(shí)芯片。它不僅具有高的精度，低的功耗，小巧的尺寸以及低的成本，而且由于該芯片具有第一波檢測(cè)功能，使得該芯片非常適合低成本的超聲波熱量表的應(yīng)用。

芯片對(duì)時(shí)間的測(cè)量主要是利用兩脈沖電流之間的間隔時(shí)間，因此一個(gè)可靠的高質(zhì)量的供電電源對(duì)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的測(cè)量效果顯得尤為重要。為此設(shè)計(jì)了如圖3中所示供電電源電路。電源電路核心芯片選用了具有低功耗低壓差的穩(wěn)壓芯片BL8503，配以濾波電容使電源電路具有高電容性和低電感性，為TDC-GP22提供了可靠的電源保證。

TDC-GP22外圍電路設(shè)計(jì)如圖3中所示。

圖3 TDC-GP22的電源電路及外圍電路

芯片TDC-GP22的引腳5和引腳6用來接收和發(fā)送超聲波信號(hào)。由于芯片內(nèi)部集成有一額外的模擬電路輸入部分，因而超聲波的外圍電路無需過多的設(shè)計(jì)，僅通過電阻和電容連接到換能器一端。對(duì)流量的測(cè)量是利用芯片的第一波檢測(cè)功能，該芯片測(cè)量脈沖的時(shí)間是相關(guān)的第一回波的時(shí)間，而與水流溫度以及水流速度無關(guān)，因此可以避免一些錯(cuò)誤的零點(diǎn)檢測(cè)和零點(diǎn)識(shí)別。

芯片TDC-GP22有一以PICOSTAIN為基礎(chǔ)的溫度測(cè)量單元，其可提供高精度、低功耗的溫度測(cè)量。芯片對(duì)溫度測(cè)量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻R1對(duì)電容的放電時(shí)間來確定的。因此電容會(huì)分別對(duì)參考電阻和Pt1000進(jìn)行放電。對(duì)此我們選用了高精度的阻值為1 kΩ的電阻R1。在引腳PT1和PT2連接的溫度傳感器我們選用了測(cè)量精度可達(dá)0.004 ℃[2]的鉑電阻Pt1000。為實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測(cè)量,在此選取了100 nF的放電電容，即圖中的C1。

2.3 通訊接口硬件電路設(shè)計(jì)

為方便對(duì)熱量表的校對(duì)以及對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了紅外通訊接口和M_BUS通訊接口，圖4為M_BUS接口電路圖。M_BUS接口電路芯片選用M_BUS總線的專用收發(fā)芯片TSS721A。供電方式選用遠(yuǎn)程供電。電路設(shè)計(jì)中加入了光耦，使的電路設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定、可靠。

圖4 M_BUS電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在IAR FOR MSP430環(huán)境下用C語言進(jìn)行編寫。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，包括TDC-GP22初始化、時(shí)鐘初始化等。之后進(jìn)入主程序，處理器進(jìn)入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒。若檢測(cè)到電源電壓較低，則進(jìn)入欠壓中斷，停止對(duì)流量和溫度的數(shù)據(jù)采集，并報(bào)警提示電壓過低。若檢測(cè)到按鍵中斷觸發(fā)，則進(jìn)入按鍵處理程序，根據(jù)按下按鍵的次數(shù)，相應(yīng)的在LCD上顯示當(dāng)前所用熱量、進(jìn)水溫度以及出水溫度等內(nèi)容。從功耗和測(cè)量精度綜合考慮，流量和溫度數(shù)據(jù)分別1 s和30 s進(jìn)行采集1次，為獲得更好的測(cè)量精度，每次測(cè)量前都初始化一次TDC-GP22。

考慮到北方供暖只在冬季進(jìn)行，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)在檢測(cè)到管道中有水流動(dòng)時(shí)，進(jìn)入工作模式1，即流量和溫度分別1 s和30 s采集1次。在管道中無水流動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式2，此時(shí)系統(tǒng)30 s采集1次水流，不采集溫度，直到采集到管道中有水流流動(dòng)時(shí)才進(jìn)入工作模式1，這樣減少了系統(tǒng)不必要的損耗，有效的實(shí)現(xiàn)熱量表的長期工作。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 測(cè)試條件及結(jié)果

通過FLUKE 15B對(duì)熱量表進(jìn)行功耗測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 熱量表功耗測(cè)試數(shù)據(jù)

溫度測(cè)試設(shè)備選用精密數(shù)字溫度儀SPI1602A，其溫度測(cè)量準(zhǔn)確度0 ℃時(shí)為0.010 ℃，100 ℃時(shí)為±0.012 ℃，測(cè)試結(jié)果按真實(shí)值處理；加熱設(shè)備選用恒溫槽HWC-R-L。溫度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

流量測(cè)試是在熱量表檢定裝置RJZ15-25Z上進(jìn)行；超聲波熱量表公稱口徑為DN20；測(cè)試流量點(diǎn)是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128-2007對(duì)出廠測(cè)試的要求選取。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表2 實(shí)際溫度測(cè)量與真實(shí)值對(duì)比

表3 實(shí)際測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比

5 結(jié)束語

針對(duì)社會(huì)需求以及市場(chǎng)上熱量表存在的一些問題，本文設(shè)計(jì)了基于時(shí)差法測(cè)量原理的低功耗高精度熱量表。通過測(cè)試，所設(shè)計(jì)熱量表功耗較低，若配以9 000 mA鋰電池作為電源可正常使用9年以上；在測(cè)量精度方面完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128-2007對(duì)熱量表的2級(jí)準(zhǔn)確度的要求；對(duì)小流量的測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)熱量表準(zhǔn)確度高，誤差值能控制在較小范圍內(nèi)。由此可知所設(shè)計(jì)熱量表能夠較好的解決市場(chǎng)上一些現(xiàn)存熱量表功耗大、持久性低以及小流量狀態(tài)下測(cè)量精度低等問題，具有較高的推廣以及實(shí)用價(jià)值。

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Design and Implementation of Low-power and High-precision Ultrasonic Heat Meter

GAO Zheng-zhong1，GUO Jin-jian1，LI Shi-guang1，SANG Zhi-feng2，YAO Xiu-yong1

(1.Shandong University of Science and Technology,College of Electrical Engineering and Automation,Qingdao 266590，China；2.Qingdao Pangu Electrical Co.,Ltd ,Qingdao 266200，China )

A low-power and high-precision ultrasonic heat meter was designed in this paper. Low-power MSP430 series IC was selected in heat meter MCU and heat meter MCU selected chip of time measurement and selected TDC-GP22 with high precision,which combined with ultrasonic transducer for measurement of water flow while with Pt1000 measured the inlet and outlet water temperature; Communication module had two kinds of communication modes,named infrared communication and M_BUS communication respectively. This article described the design of the circuit in detail from the principle,the basal meter,the hardware and software,and finally results from experiments show that the designed heat meters have very low power consumption,high accuracy and good stability.

ultrasonic heat meter; basal meter; TDC-GP22; low power; high-precision；small flow

山東省中青年科學(xué)家獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(No.BS2013DX012)；青島市開發(fā)區(qū)重點(diǎn)科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013-1-38，2013-1-61)

2014-12-05 收修改稿日期：2015-06-25

TH702

B

1002-1841(2015)09-0047-03

高正中(1971—)，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向:計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制、PLC與工廠自動(dòng)化、智能電網(wǎng)技術(shù)、智能儀器與儀表技術(shù)等。 郭金建(1990—)，碩士研究生，研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。