基于超聲波技術的戶用低功耗熱量表的研究

引言：超聲波熱量表是用于劑量熱費的新型計量工具，被廣泛地運用在各種住宅小區，居民局，寫字樓和事業單位蘇浙集中供熱、空調、供暖等熱量消耗的計量，本文結合實際，討論了低耗能超聲波的熱量表的設計研究，從基本工作原理到軟硬件的設計入手，探討了熱量表的組成原理，基礎軟硬件的穩定性論述了溫度測量原理，流量測量原理，針對原有的儀器設備存在的問題，提出改進措施，提出一種新型熱量表的軟、硬件設計方案，從軟件和硬件兩個方面考慮低耗能設計。

一、引言

隨著科學技術的發展,超聲波熱量表伴隨先進的測量技術的發展應運而生.由于其自身具有的精度高、安裝方式方便、使用壽命長等特點，逐漸取代傳統的、落后的測量儀器，成為熱量表中的主流產品。成本和功耗是市場競爭中產品方面的首要考慮因素，因此，一款既滿足客戶要求，又能降低成本和耗能的超聲波熱量表，具有重要的現實意義。因此，本文從工作原理和硬件設計、軟件設計方面，提出了一種低成本、耗能低的超聲波熱量表的設計方案。

二、超聲波熱量表的測量原理

本文提出的低耗能超聲波熱量表主要是模擬美國IT公司的MSP430F448微控

制器，并以此作為主控制器，檢測芯片采取德國GP21芯片，用以檢測介質的溫度和流量。并通過電路實現紅外通信，以便于遠程和現場抄表以及實施監控調整。采用液晶顯示器，表現方式方便、直觀。采用單按鍵控制，單節電池供電。以下是本測量表的具體熱量計算公式、熱量測量、流量測量。

1、熱量計算方法

目前測量表中主要有兩種測量方法，一種是焓差法，另外一種是K 系數法。本文采用的是前者——焓差法。利用焓差法計測量出液體的流量和溫度，計算出熱量，溫度和流量測量的具體表達方式為：

注：Q——為吸收或釋放的熱量，單位為J；ρ為流

Qv——流經熱量表的水體積流量，單位為 m3/h；△h——進出口焓值差，單位為 J/Kg；

2、流量測量方法

質量流量和體積流量是最常見的兩種測量方法，質量流量的主要特點是不受到來自密度流體和溫度的制約，但是不易測量，因此，一般測量的是體積流量。本文涉及的低耗能超聲波熱量表是基于 愛用U型安裝的測量表，直接確定管道的直徑，通過流量檢測和介質流速檢測計算結構，并通過采用超聲波時差法測量。檢測芯片體內各國發送脈沖，通過GP21芯片檢測脈沖，計算從發送到接受的時間間隔，上下游獨立檢測一次，公國上下游檢測的時間差、傳輸的距離，計算出介質速度超聲波的順流傳播時間，即td和逆流傳播時間，即tu，計算公式為：

注：v 為介質速度，c 為超聲波在介質中的速度，L傳輸距離。

最終，管道瞬時流量為：

注：△t 為時間差。

3、溫度測量方法

通過阻值不同的電阻對電容放電或充電到電壓值所需要時間不同的原理，見解反應電阻阻值大小，即用電泳放電充電法檢測溫度。

三、超聲波熱量表電路設計

在低功耗的熱量表電路設計中，首先，要考慮的是單片機的型號的選擇。選擇單片機主要考慮因素是開發環境和功能，低功耗系統設計中首要關注的功能是單片機本身的提供的節能措施和耗能因素。其次，在低功耗超聲波熱量表電路設計中，應盡量減少外圍擴展的器件，以降低整個系統消耗的功率。在傳統熱量表產品中，系統在休眠時處于斷電狀態，為了喚醒單片機，需要通過外部的程序中斷進行定時喚醒，因此，傳統熱量表產品多數設計了10s 的外部中斷喚醒電路，其框圖如圖所示。但是在單片機休眠過程中，此部分電路耗能也是相當可觀的。

表1：外部中斷喚醒電路框圖

四、智能低功耗熱量表軟件設計

降低耗能，除了從硬件設計方面著手以外，還要結合相應的軟件系統設計配合。軟件系統主要有中斷服務器程序、主程序、子程序組成。中斷服務器是軟件系統的核心設計，主要負責信號采集、處理數據、保存數據，這些都是在中斷服務程序中完成操作的，主程序主要包含有等待中斷喝單片機的初始化。軟件設計的功能主要有幾個部分，例如中斷服務子程序、主程序、測量計算子程序，通訊子程序等等。中斷服務器的主要功能是通過中斷服務字程序控制真個系統的工作時序，通過定時器分配熱量表各個功能的執行事件，給各功能木塊的軟件標志激活相應的處理模塊。主程序的功能是對各個子程序協調處理，完成對單片機和外部電子器件的初始化處理，讀取存儲的數據顯示給相關的技術人員，然后在操作下進入功耗狀態，最后等待響應服務器。主程序受MCU調用，上電后即時開始進入運行轉臺，首先完成系統初始化，然后初始化各個板塊，進而執行對應的功能指令。最后，是計算及測量的子程序。系統的溫度測量以及流量信號的測量工作主要由GP21 芯片來完成，GP21芯片的功能處理模塊主要有有控制器、運算器、寄存器和數據處理模塊。

五、結束語

在完成超聲波熱量表的整體設計后，筆者通過對比驗證了本文的超聲波熱量表在流量的檢測精確度和穩定性上更符合大眾的需求，和社會的需要。該款超聲波熱量表的設計基本上已經完善了全部的功能，通過優化使得耗能進一步降低，具有成本低、耗能低、智能化程度高等特點，可以用電池供電，供電方式方便，適用于廣大住宅區、商業區、寫字樓、企事業單位的供暖計量和計費，具有很好的推廣使用前景。

參考文獻

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作者簡介

伊文君（1984.06—），男，浙江人，通信工程本科學歷，研發工程師；研究方向：電子研發方面，儀器儀表類。