目前，傳統(tǒng)的熱能表主要為機械式的，是在普通的葉輪式流量計的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，雖然其應(yīng)用比較廣泛，但是它有以下缺點：對水質(zhì)要求高、壓損大，由于內(nèi)部有可動部件，儀表易磨損、使用壽命短等[1]。近年來，利用超聲測量流量的技術(shù)已被廣泛應(yīng)用[2]，超聲流量計具有內(nèi)部無阻礙流體運動的部件、無壓損、對水質(zhì)要求不是很高、可測量高粘度或高腐蝕性流體、便于維護等優(yōu)點。
筆者根據(jù)熱能積算的基本原理，結(jié)合有關(guān)供暖系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，采用MSP430系列低功耗單片機，設(shè)計了一種低功耗超聲熱能表。它不但克服了傳統(tǒng)熱能表的缺點，且功耗低，符合我國熱能表相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。
1 基本原理
熱能表是用于測量及顯示熱交換回路中載熱液體所釋放的熱量的計量器具。它一般由流量傳感器、配對溫度傳感器和計算器組成[5]。其工作原理是：將配對溫度傳感器分別安裝在熱交換回路的入口和出口的管道上，將流量傳感器安裝在人口或出口管上；流量傳感器發(fā)出流量信號，配對溫度傳感器給出人口和出口的溫度信號，計算器采集流量信號和溫度信號；經(jīng)過計算，顯示出載熱液體從人口至出口所釋放的熱量值。
圖1 熱能表基本結(jié)構(gòu)框圖
熱能的計算公式為：
（1）
式（1）中：Q—釋放的熱量，kJ；V—載熱液體流過的體積流量，m3/h；ρ—載熱液體密度，kg/m3；Δθ—熱交換回路中載熱液體入口處和出口處溫度的焓值差，kJ/kg；t—時間，s；焓值差可由與載熱液體溫度相相應(yīng)的焓值表查得。因此，得到體積流量和溫度差是計算熱量的關(guān)鍵。
1.1 流量測量
通過測量超聲波在流動的流體中，順流傳播時與逆流傳播時的速度之差來得到被測流體的流速。超聲波由超聲波換能器產(chǎn)生，經(jīng)信號處理后將兩個超聲波換能器的時差信號分辨出來，以實現(xiàn)流量測量功能，管道的公稱直徑為DN15。
本設(shè)計運用的是超聲波的時差法流量測量原理，時差法是在被測流體內(nèi)建立由兩路超聲波發(fā)射和接收器構(gòu)成的超聲波通道，分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，測量其傳播的時間差Δt。
順流方向發(fā)射超聲脈沖的傳播時間為
（2）
逆流方向發(fā)射超聲脈沖的傳播時間為
（3）
式（2）（3）中：L—超聲波發(fā)射與接收器之間的距離，即聲程（m）；c—被測流體靜止時的超聲波傳播速度（m/s）；u—被測流體的速度（m/s）。
則在順流和逆流情況下超聲波的傳播時間差為：
（4）
因為超聲波傳播速度c遠(yuǎn)大于流體的流速u，所以下式成立：
（5）
因此時差可簡化為：
（6）
即：
（7）
1.2 溫度測量
按照鉑電阻Pt-1000，在0～850℃隨溫度變化的關(guān)系計算溫度：
（8）
其中，
通過采集進(jìn)水溫度對應(yīng)的電壓信號，出水溫度對應(yīng)的電壓信號就可以計算出對應(yīng)的電阻阻值，再根據(jù)式（8）即可求得對應(yīng)的溫度，溫度范圍為0～100℃。
根據(jù)《中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-熱量表CJ128-2007》的規(guī)定[6]，公稱直徑小于或等于DN40的熱能表，應(yīng)采用內(nèi)置電池，且電池的使用壽命應(yīng)大于5年；且累計流量的顯示分辨力為0.01m3，溫度的分辨力為0.1℃，因此在系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)考慮功耗因素。
2 硬件設(shè)計
根據(jù)以上基本原理所設(shè)計的熱能表系統(tǒng)的基本組成如圖2，它主要由處理器電路、流量測量模塊、溫度測量模塊、信號處理模塊和按鍵、顯示及電源模塊組成。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
處理器選擇了TI公司的MSP430系列的單片機作為整個系統(tǒng)的控制和運算核心，它是16位的單片機，與其它類型的處理器相比較，具有低功耗、高精度、高可靠性以及高集成度等明顯優(yōu)勢的工業(yè)級產(chǎn)品，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[7]。選用的單片機型號為MSP430F435，該型號單片機是具有5種低功耗模式的工業(yè)級產(chǎn)品，供電電壓在1.8～3.6V之間變化，其自帶16K的FLASH區(qū)用于應(yīng)用程序的存放和重要數(shù)據(jù)的掉電保護，具有LCD、看門狗、定時器等片外圍設(shè)備接口[8]。
流量測量模塊采用超聲波時差法實現(xiàn)流量測量，本系統(tǒng)選用的是頻率為1MHz的超聲波換能器，時差測量選用德國ACAM公司推出的TDC系列時間數(shù)字轉(zhuǎn)化器件。
溫度測量模塊的傳感器采用Pt-1000鉑熱電阻傳感器.因其線性度相對較好，耐氧化能力很強，并且溫度范圍寬，其測溫的范圍從-200℃～+650℃，目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用，本系統(tǒng)的溫度范圍只需0～100℃。
顯示模塊選用液晶顯示屏，通過兩個按鍵可實現(xiàn)進(jìn)水溫度、出水溫度、溫差、瞬時流量、累積流量、累積熱量的依次顯示以及儀表系數(shù)等參數(shù)的修正。
系統(tǒng)電源采用3.6V、2AH的鋰電池進(jìn)行供電。
由于采用電池供電，因此除了在器件選型中選擇功耗低的產(chǎn)品外，更為重要的是軟件的低功耗設(shè)計。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3。由于處理器是控制核心，因此可以通過引入各種中斷來達(dá)到降低功耗的目的，在處理器無需運行的時間段讓其進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，在需要時及時喚醒。具體措施為：以2s為周期，2s中50ms進(jìn)行流量、溫度、熱量的計算與累積，其余時間進(jìn)入低功耗狀態(tài)。同時，對顯示模塊實行顯示的延時熄滅功能，對大限度的降低系統(tǒng)的整體功耗。
圖3 系統(tǒng)的軟件流程圖
由于超聲波在25℃時的波速為1500m/s，在其他溫度下的速度略有不同，為了減小誤差，具體可以相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]求得其他溫度下的波速，提高系統(tǒng)的精度。
4 實驗結(jié)果及分析
根據(jù)《中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程-熱能表（JJG225-2001）》標(biāo)準(zhǔn)中的“熱能表的各分量準(zhǔn)確度等級及最大允許誤差表”，如表1，qp為常用流量，又稱額定流量，表示熱能表在不超過最大允許誤差的情況下可連續(xù)運行的最大流量；q表示流量；Δθvmin表示最小允許溫差；Δθ表示溫差。對設(shè)計的熱能表的各項指標(biāo)進(jìn)行分量標(biāo)定。在流量測量方面應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)表法[9]，采用兩臺KROHNE公司生產(chǎn)的準(zhǔn)確度為0.2級的IFM4080F型電磁流量計對系統(tǒng)進(jìn)行流量標(biāo)定，量程分別為2.5m3/h和16m3/h.在溫度測量方面采用標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)定。相關(guān)試驗數(shù)據(jù)如表2。
根據(jù)“熱量表的各分量準(zhǔn)確度等級及最大允許誤差表”，計算誤差如表3，取額定流量為2m3/h，流量的2級表誤差限Eq均小于5%，表4為溫度傳感器誤差限，實驗結(jié)果符合《中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程-熱能表（JJG225-2001）》標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到2級指標(biāo)。
由實驗數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的流量范圍超過200∶1，溫度范圍為0～100℃；在誤差方面，瞬時流量絕對誤差小于±0.5%，相對誤差小于±3%，累計流量小于±2%在系統(tǒng)功耗方面，整個系統(tǒng)的靜態(tài)電流為25～30μA，工作電流為350～400μA，并以2s為周期，2s中50ms為工作狀態(tài)，其余為低功耗模式，平均電流為35μA該系統(tǒng)采用容量為2AH的鋰電池供電，根據(jù)電池額定容量值的80%作為參考數(shù)據(jù)[6]，理論工作壽命為：
（9）
5 結(jié)論
本系統(tǒng)根據(jù)熱能表的基本原理，選用MSP430系列單片機，設(shè)計了由超聲波時差法測流量、鉑電阻測溫差的超聲熱能表，所實現(xiàn)的熱能積算功能在達(dá)到了國家有關(guān)規(guī)程的技術(shù)指標(biāo)的前提下，進(jìn)行了低功耗的系統(tǒng)設(shè)計，解決了傳統(tǒng)熱能表計量精度較低、損耗大等缺陷，具有功耗低、壓損小、檢測精度高和使用壽命長等優(yōu)點，有助于實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo).消費者可以根據(jù)能源的消費量支付費用，避免能源浪費，符合我國供熱體制改革的計量技術(shù)政策，對我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
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