一種基于TDC—GP21的無線熱量采集終端設(shè)計(jì)
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能源問題是關(guān)系到整個(gè)社會穩(wěn)定、國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重大問題，隨著當(dāng)前能源緊缺形勢的加劇，我國越來越重視節(jié)能工作。目前，我國很多地區(qū)的供暖依舊采用按建筑面積收費(fèi)，即包費(fèi)制，這種“大鍋飯”式的收費(fèi)方式嚴(yán)重地抑制了用戶的節(jié)能意識。而且隨著人民生活水平的提高，商品意識不斷加強(qiáng)，這種舊體制已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的無線熱量采集終端可以實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)按供熱量收費(fèi)，一戶一表，達(dá)到公平、公正的原則，提高了用戶的節(jié)能意識，節(jié)能約20～30％。
目前熱量計(jì)量設(shè)備的種類很多，按照流量計(jì)的不同可分為機(jī)械式(渦輪式、渦街式、孔板式)、電磁式、超聲波式等。機(jī)械式流量計(jì)對水質(zhì)的要求較高，微量的鐵屑或細(xì)沙等都會急劇降低測量精度甚至致使流量表短期內(nèi)損壞。電磁式流量計(jì)對水流的導(dǎo)電率有要求，需要220V的高壓電源供電，功耗大，對電磁干擾敏感。而超聲波流量計(jì)克服了上述兩種流量計(jì)的缺點(diǎn)，超聲波探頭的材料為非磁性材料，不存在吸引鐵銹等問題，對水質(zhì)要求較低、使用壽命長、不易損壞，屬于非接觸測量，具有安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們設(shè)計(jì)的熱量采集終端采用超聲波法測量流量。
獲得熱量數(shù)據(jù)的方法有以下幾種，傳統(tǒng)的人工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且缺乏可靠性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；有線抄表需要專門的網(wǎng)絡(luò)布線，復(fù)雜且傳輸距離短，不適合當(dāng)今社會和科技的發(fā)展；無線抄表解決了上述問題，ZigBee技術(shù)是近年來發(fā)展起來的現(xiàn)代無線通信技術(shù)，它具有低速率、低功耗、低成本、短時(shí)延、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、近距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移動通信系統(tǒng)(GSM)移動電話可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它非常適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
綜上所述，我們設(shè)計(jì)了用時(shí)間測量芯片TDC-GP21實(shí)現(xiàn)流量測量，用ZigBee無線單片機(jī)CC2430實(shí)現(xiàn)管理和短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線熱量采集終端。結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸即可方便地組成遠(yuǎn)程無線熱量抄表系統(tǒng)。該無線熱量采集終端具有測量準(zhǔn)確、功耗低、實(shí)時(shí)性好、能夠遠(yuǎn)程抄表等優(yōu)點(diǎn)。
1 無線熱量采集終端的工作原理
熱量表主要用于測量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所吸收或釋放的熱能量，是供熱體系中按熱量計(jì)量收費(fèi)的關(guān)鍵儀表。熱量表設(shè)計(jì)的依據(jù)是熱力學(xué)吸熱定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比熱容，m是質(zhì)量，(t2-t1)是溫度差。超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測量，由流體的流量和進(jìn)、出水溫差來計(jì)算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分的工作原理是由超聲波在順流和逆流時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間差得出水的流速，再由水的流速推導(dǎo)出瞬時(shí)流量，累積后得到流量信息。在工作過程中應(yīng)用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，首先通過適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動，超聲波以一定的角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。
如圖1所示，在管道上裝有換能器1和換能器2，流體速度為v，換能器用于發(fā)射和接收超聲波。由于流體的流動，超聲波的順流傳播時(shí)間小于逆流傳播時(shí)間，從而產(chǎn)生時(shí)間差。
其中：△t為順、逆流的時(shí)間差，單位為s；t1、t2為順、逆流的傳播時(shí)間，單位為s：D為管道直徑，單位為m；L為兩個(gè)換能器間的距離，單位為m；c為超聲波在流體中的傳播速度，m／s；v為介質(zhì)平均流速，m／s；τ為超聲波在液體以外傳播的附加時(shí)間，包括超聲波在換能器的傳播時(shí)間、管壁內(nèi)的傳播時(shí)間及電路測試的延時(shí)時(shí)間，單位為s。
因?yàn)閷?shí)際流速一般遠(yuǎn)小于聲速(vc)，所以式(3)可化簡為：
式(5)所求的流體速度v為線平均流速，最終所需測量的是面平均流速v’，二者比值K=v／v’，稱為流量修正系數(shù)，則體積流量為：
由式(7)可以看出：在管道情況確定時(shí)，流體流量與順、逆流時(shí)間差成正比，通過測量時(shí)差可達(dá)到測量流量的目的，而在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)差的測量是比較容易實(shí)現(xiàn)的。
最終，得到熱量的計(jì)算公式：
其中，Q為熱交換系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，單位為J；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量，單位為kg／h；△h為熱交換系統(tǒng)中進(jìn)口和出口溫度下的比差，單位為J／kg；t為時(shí)間，單位為s；ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，單位為kg／m3；qv為流經(jīng)熱量表的水的體積，單位為m3。
當(dāng)水流經(jīng)供熱系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)測得的流量值和進(jìn)、出水溫度以及供熱時(shí)間，就能計(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)供熱系統(tǒng)所釋放的熱量，從而為管理系統(tǒng)提供收費(fèi)依據(jù)。
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