易于批量生產(chǎn)的高精度超聲波熱量表設(shè)計
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按照我國建設(shè)節(jié)約型社會的要求，冬季取暖將逐步實行熱能計量收費制。目前市場上存在的一些高精度熱量計量產(chǎn)品，由于生產(chǎn)工藝要求較為苛刻，使得所生產(chǎn)的高精度熱量表在精度層次不齊，甚至相差很大。
針對上述問題，本文從易于批量生產(chǎn)角度提出了一套關(guān)于小口徑(DN25)的符合我國國情的高精度熱量計量技術(shù)方案。通過查閱文獻和分析比較，本方案最終選擇了超聲波，利用時差法原理進行測量。從易于生產(chǎn)和提高精準度的角度綜合考慮基表方案選擇U型設(shè)計，在時間測量和溫度測量方面分別選用了ACAM公司推出的高精度的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC—GP21和熱量表專用的配對溫度傳感器(DS型)鉑電阻Pt1000。數(shù)據(jù)處理器選用了TI公司推出的MSP430系列超低功耗微處理器，該芯片可使熱量表功耗大大降低。最后在A類環(huán)境條件下對多組熱量表進行了測試。
1 工作原理及數(shù)學(xué)模型
熱量表主要由3部分組成：進/出水溫度傳感器、超聲波測量傳感器和數(shù)據(jù)處理芯片(CPU)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
熱量表的進/出水端裝有配對的兩個溫度傳感器Pt1000，在進水溫度傳感器與用戶之間安裝了測定流量的超聲波換能器。處理器MSP430F4371根據(jù)超聲波傳感器和配對溫度傳感器測出的數(shù)據(jù)，通過計算最終將用戶消耗的熱量在LCD液晶屏上顯示。
處理器對熱量計算依據(jù)行業(yè)標準CJ 128—2007給出的熱量計算公式：
其中：Q為用戶消耗的熱量，單位為J;qh為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量單位為kg/h;qy為流經(jīng)熱量表的水的體積流量，單位為m3/h;ρ為水的密度，單位為kg/m3;△h為水的焓差值，單位為J/kg;τ為時間，單位為h。
2 基表的設(shè)計
根據(jù)超聲波所走過路徑的不同，基表有V型、Z型等安裝方法。安裝方式的不同對生產(chǎn)工藝的要求也不同，進而影響著熱量表的精準度、可靠性。參考文獻采用的是V型安裝方式，由于該方式能精準地測量不同流層的水流狀態(tài)，理論上該方案準確度較高。然而該方案是通過管道壁對超聲波信號進行反射，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有可能會在反射面處發(fā)生折射、散射等情況干擾測量，為避免這些情況的發(fā)生就需要對基表的材質(zhì)以及內(nèi)表面光滑度的生產(chǎn)工藝提出較高要求，這些要求無疑會提高生產(chǎn)成本，拖延生產(chǎn)進度。參考文獻選用的是Z型安裝方式，該方式可以解決反射的問題，而且生產(chǎn)工藝較為簡單，但由于傳播距離較短，不利于時差法的測量。針對上述問題，本文設(shè)計了如圖2所示的采用U型安裝方式的基表，其中A、B是超聲波的安裝位置。
基表采用漸縮通道設(shè)計，這樣在不增加生產(chǎn)難度的前提下可以很好地對水流起到整流的作用，使水流形態(tài)更加穩(wěn)定，有利于提高熱量表的精準度。
超聲波的反射裝置為結(jié)構(gòu)圖中的兩立柱，其設(shè)計為進水端立柱反射面與水平面夾角43.5°，出水端立柱反射面與水平面夾角46.5°，兩個立柱反射面的橢圓中心點高度一致，材質(zhì)為不銹鋼。該設(shè)計方案，一方面，因只有立柱為不銹鋼，基表其他部分材質(zhì)為普通基表材質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本;另一方面，不銹鋼材質(zhì)的反射面對超聲波有很強的反射作用，不會產(chǎn)生折射、散射的現(xiàn)象，而且只需將立柱的反射面單獨生產(chǎn)成為光滑的反射面(平的)，因而該方案既解決了反射面的問題，又降低了對生產(chǎn)工藝的要求，易于批量生產(chǎn)。
3 核心芯片硬件電路設(shè)計
熱量表的核心芯片選用的是德國ACAM公司生產(chǎn)的高精度計時芯片TDC—GP21。該芯片不僅具有低功耗、高精度，而且還有較強抗干擾能力，因此非常適合低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
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，因此一個穩(wěn)定可靠的電源電路設(shè)計對時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的測量效果具有非常大的影響。為此，設(shè)計了如圖3所示的電源電路。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VR1BL8503—36CT，配以濾波電容使電源電路具有高電容性和低電感性，為TDC—GP21提供了可靠的電源保證。
TDC—GP21的外圍電路設(shè)計如圖4所示。
芯片TDC—GP21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(nèi)部集成有模擬電路輸入部分，因而超聲波的外圍電路無需過多設(shè)計，僅通過電阻和電容就可連接到換能器一端。
芯片TDC-GP21擁有以PICOSTAIN為基礎(chǔ)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。為此，選用了高精度的阻值為1 kΩ的電阻R1。在引腳PT1和PT2連接的溫度傳感器選用了測量精度可達0.004℃的鉑電阻Pt10 00。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。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件是在IAR For MSP430環(huán)境下用C語言進行編寫的，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—GP21初始化、時鐘初始化等。之后進入主程序，CPU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(yīng)地在LCD上顯示當(dāng)前所用熱量、進水溫度以及出水溫度等內(nèi)容。從功耗和測量精度綜合考慮，流量和溫度數(shù)據(jù)分別間隔1 s和30 s采集一次，為獲得更好的測量精度，每次測量前都初始化一次TDC—GP21。為方便用戶查詢，程序設(shè)計為自動將最近18個月的數(shù)據(jù)存入Flash中。
考慮到供暖只在冬季進行，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采集一次。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采集一次水流，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，這樣大大減少了系統(tǒng)不必要的損耗。
5 測試條件及結(jié)果
從批量生產(chǎn)的熱量表中隨機抽取2套作為被測試的熱量表，超聲波熱量表公稱口徑為DN25。功耗的測量是通過FLUKE 15B對熱量表進行測試，結(jié)果如表1所列。流量測試是在熱量表檢定裝置RJZ15-25Z上進行的，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的，溫度點選取了55℃和70℃。測試結(jié)果如表2所列。
結(jié)語
針對社會需求以及市場上熱量表存在的一些問題，設(shè)計了易于批量生產(chǎn)的高精度超聲波熱量表。功耗測試結(jié)果表明，所設(shè)計熱量表功耗較低，通過流量測試結(jié)果表明，所設(shè)計熱量表精度較高，測量精度完全符合行業(yè)標準CJ128—2007對熱量表的2級精確度的要求。
對小流量的測試結(jié)果表明，所設(shè)計的熱量表精確度高，誤差值能夠控制在較小范圍內(nèi)。由此可知，本文所提出熱量表設(shè)計方法在批量生產(chǎn)時依然可以使熱量表具有較高的精度和較低的功耗，具備較高的推廣價值。
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