高正中，郭金建，李世光，桑志峰，姚秀勇

(1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，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計與實現(xiàn)

高正中1，郭金建1，李世光1，桑志峰2，姚秀勇1

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

本文設計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；時間測量芯片選用了高精度計時芯片TDC-GP22，配合超聲波換能器測量水的流速，配合Pt1000測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、基表設計、硬件電路以及軟件方面對設計進行了詳細的闡述，最后通過測試結果說明了所設計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制度過去是以按面積收費的形式，這種只與供暖面積有關而與用戶實際使用量無關的收費方式日益顯得不合理。按照我國建設節(jié)約型社會的要求,冬季取暖實行熱能計量收費顯得越來越重要。然而目前市場上的熱量計量產(chǎn)品的質量存在著諸多問題，如:功耗較大，精度不高[1]等問題。

針對上述問題，本文提出了關于小口徑的符合我國國情的熱量計量技術方案。通過查閱文獻和分析比較,本方案最終選擇了超聲波測量傳感器進行設計，利用時差法原理進行測量。對于時間的測量選用ACAM公司最新推出的專業(yè)高精準的時間數(shù)字轉換芯片TDC-GP22。對溫度的測量選用熱量表專用的配對溫度傳感器(DS型)鉑電阻Pt1000。數(shù)據(jù)運算方面選用了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)境條件下對多組熱表進行了測試。

1 工作原理

1.1 熱量表工作原理及數(shù)學模型

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

用戶的進、出水端分別安裝配對溫度傳感器Pt1000，對管道水溫進行測量。在進水溫度傳感器與用戶管道之間安裝超聲波傳感器，對管道內流量進行測量。數(shù)據(jù)運算處理器根據(jù)超聲波傳感器和配對溫度傳感器測出的數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出用戶所消耗的熱量，并對數(shù)據(jù)存儲且可通過LCD液晶進行顯示。

數(shù)據(jù)處理器對用戶消耗熱量的計算依據(jù)為行業(yè)標準CJ 128-2007給出的熱量計算公式[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為時間，h。

1.2 時差法測流量原理及其數(shù)學模型

利用超聲波在管道內順水和逆水的不同傳播速度而得出的時間差可以計算出流經(jīng)熱量表的水的質量流量。

圖1為時差法原理圖，其中A、B為超聲波換能器。

圖1 時差法原理圖

當A向B發(fā)送超聲波時測出的順流傳播時間為：

t0=L/(c+vsinθ)

當B向A發(fā)送超聲波時測出的逆流傳播時間為：

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 硬件結構設計

2.1 基表的設計

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度，特別是小流量狀態(tài)下的精準度，還影響熱量表的持久性。文獻[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的反映不同流層的水流狀態(tài)，因而測量精度較高，然而由于管道材質、表面光滑度等原因，超聲波在通過管壁反射時有可能會在反射面處發(fā)生折射、散射等情況，對測量造成干擾；另一方面由于中國水質原因，管壁上很容易結垢、結晶[4]，這樣逐漸積累會嚴重影響超聲波的反射。文獻[1]選用的是Z型安裝方式,該方式可以解決水質和反射的問題,但由于傳播距離較短,不利于時差法的測量。文獻[5]選用的是市場上最常用的U型安裝方式，該方案能夠解決折射、散射、結垢以及傳播距離的問題，而且經(jīng)校準后在中、大流量的測量效果非常好,然而由于加入了立柱作為反射裝置，導致了流體壓力損失[1]，影響了水流形態(tài)，小流量測量誤差較大。針對上述問題本文設計了如圖2所示的方形管道的W型安裝方式基表。

圖2 基表結構圖

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

管道內的超聲波反射面選用材質為不銹鋼，相對于使用黃銅材質的管道壁作為反射面，該種方案對超聲波具有更強的反射作用，而且光滑的反射面處也不容易產(chǎn)生結垢、結晶的現(xiàn)象，也不會發(fā)生散射、折射干擾測量。

根據(jù)流體力學可知，流體在管道內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)，所以不能準確的反映出其它層流的狀態(tài)。此外該方案測出的線速度極易受溫度影響，對校表帶來了復雜性。相對于此，W和V型方案優(yōu)點較為突出，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量時受溫度影響較小。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V型方案路徑較長，根據(jù)時差法測量原理，這使得W型比V型測量方案精度高。

2.2 TDC-GP22的電源電路及外圍電路設計

TDC-GP22是最新一代高精度計時芯片。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功能，使得該芯片非常適合低成本的超聲波熱量表的應用。

芯片對時間的測量主要是利用兩脈沖電流之間的間隔時間，因此一個可靠的高質量的供電電源對時間數(shù)字轉換芯片的測量效果顯得尤為重要。為此設計了如圖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外圍電路設計如圖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。由于芯片內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計，僅通過電阻和電容連接到換能器一端。對流量的測量是利用芯片的第一波檢測功能，該芯片測量脈沖的時間是相關的第一回波的時間，而與水流溫度以及水流速度無關，因此可以避免一些錯誤的零點檢測和零點識別。

芯片TDC-GP22有一以PICOSTAIN為基礎的溫度測量單元，其可提供高精度、低功耗的溫度測量。芯片對溫度測量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻R1對電容的放電時間來確定的。因此電容會分別對參考電阻和Pt1000進行放電。對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量精度可達0.004 ℃[2]的鉑電阻Pt1000。為實現(xiàn)溫度的高精度測量,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計

為方便對熱量表的校對以及對數(shù)據(jù)的采集和處理，系統(tǒng)設計了紅外通訊接口和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。供電方式選用遠程供電。電路設計中加入了光耦，使的電路設計更加穩(wěn)定、可靠。

圖4 M_BUS電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

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

考慮到北方供暖只在冬季進行，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)在檢測到管道中有水流動時，進入工作模式1，即流量和溫度分別1 s和30 s采集1次。在管道中無水流動時，系統(tǒng)進入工作模式2，此時系統(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時才進入工作模式1，這樣減少了系統(tǒng)不必要的損耗，有效的實現(xiàn)熱量表的長期工作。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4 測試條件及結果

通過FLUKE 15B對熱量表進行功耗測試，結果如表1所示。

表1 熱量表功耗測試數(shù)據(jù)

溫度測試設備選用精密數(shù)字溫度儀SPI1602A，其溫度測量準確度0 ℃時為0.010 ℃，100 ℃時為±0.012 ℃，測試結果按真實值處理；加熱設備選用恒溫槽HWC-R-L。溫度測試結果如表2所示。

流量測試是在熱量表檢定裝置RJZ15-25Z上進行；超聲波熱量表公稱口徑為DN20；測試流量點是按照行業(yè)標準CJ128-2007對出廠測試的要求選取。測試結果如表3所示。

表2 實際溫度測量與真實值對比

表3 實際測量結果與真實值對比

5 結束語

針對社會需求以及市場上熱量表存在的一些問題，本文設計了基于時差法測量原理的低功耗高精度熱量表。通過測試，所設計熱量表功耗較低，若配以9 000 mA鋰電池作為電源可正常使用9年以上；在測量精度方面完全符合行業(yè)標準CJ128-2007對熱量表的2級準確度的要求；對小流量的測試結果表明，所設計熱量表準確度高，誤差值能控制在較小范圍內。由此可知所設計熱量表能夠較好的解決市場上一些現(xiàn)存熱量表功耗大、持久性低以及小流量狀態(tài)下測量精度低等問題，具有較高的推廣以及實用價值。

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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

山東省中青年科學家獎勵基金項目(No.BS2013DX012)；青島市開發(fā)區(qū)重點科技發(fā)展計劃項目(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，碩士生導師，研究方向:計算機檢測與控制、PLC與工廠自動化、智能電網(wǎng)技術、智能儀器與儀表技術等。 郭金建(1990—)，碩士研究生，研究方向:電力電子與電力傳動。