易于批量生產的高精度超聲波熱量表設計

郭金建,桑志峰,卞媛媛

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

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易于批量生產的高精度超聲波熱量表設計

郭金建1,桑志峰2,卞媛媛1

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

從易于批量生產的角度設計了一款高精度超聲波熱量表。熱量表處理器選用低功耗CPU芯片MSP430F4371,時間測量芯片選用了高精度的TDC-GP21，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。基表設計為U型方案，此外系統留有紅外通信接口和M_BUS接口兩種通信方式。測試結果表明，熱量表通過批量生產依然可以保持較低的功耗，具有較高的精確度和良好的穩定性。

超聲波熱量表；批量生產；基表；TDC-GP21；高精度

引 言

按照我國建設節約型社會的要求,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品，由于生產工藝要求較為苛刻，使得所生產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角度提出了一套關于小口徑(DN25)的符合我國國情的高精度熱量計量技術方案。通過查閱文獻和分析比較,本方案最終選擇了超聲波，利用時差法原理進行測量。從易于生產和提高精準度的角度綜合考慮基表方案選擇U型設計，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字轉換芯片TDC-GP21和熱量表專用的配對溫度傳感器(DS型)鉑電阻Pt1000。數據處理器選用了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[3]環境條件下對多組熱量表進行了測試。

1 工作原理及數學模型

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據處理芯片(CPU)。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

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根據超聲波傳感器和配對溫度傳感器測出的數據，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行業標準CJ 128-2007給出的熱量計算公式[1]：

其中：Q為用戶消耗的熱量，單位為J；qh為流經熱量表的水的質量流量單位為kg/h;qv為流經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;Δh為水的焓差值，單位為J/kg;τ為時間，單位為h。

2 基表的設計

圖2 基表結構圖

根據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[2]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，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、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生折射、散射等情況干擾測量，為避免這些情況的發生就需要對基表的材質以及內表面光滑度的生產工藝提出較高要求，這些要求無疑會提高生產成本，拖延生產進度。參考文獻[3]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。

圖4 TDC-GP21電路圖

基表采用漸縮通道[4]設計，這樣在不增加生產難度的前提下可以很好地對水流起到整流[5]的作用，使水流形態更加穩定，有利于提高熱量表的精準度。

超聲波的反射裝置為結構圖中的兩立柱，其設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，材質為不銹鋼。該設計方案，一方面，因只有立柱為不銹鋼，基表其他部分材質為普通基表材質，降低了生產成本；另一方面，不銹鋼材質的反射面對超聲波有很強的反射作用，不會產生折射、散射的現象，而且只需將立柱的反射面單獨生產成為光滑的反射面(平的)，因而該方案既解決了反射面的問題，又降低了對生產工藝的要求，易于批量生產。

3 核心芯片硬件電路設計

熱量表的核心芯片選用的是德國ACAM公司生產的高精度計時芯片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應用領域。

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，因此一個穩定可靠的電源電路設計對時間數字轉換芯片的測量效果具有非常大的影響。為此，設計了如圖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。

圖3 電源電路

TDC-GP21的外圍電路設計如圖4所示。

芯片TDC-GP21的引腳5和引腳6用來接收和發送超聲波信號，由于芯片內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1kΩ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 ℃[2]的鉑電阻Pt1000。為實現溫度的高精度測量,在此選取了100nF的放電電容，即圖中的C1。

4 系統軟件設計

系統軟件是在IARForMSP430環境下用C語言進行編寫的，系統流程圖如圖5所示。首先系統進行數據初始化，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據采集，并報警提示電壓過低。若檢測到按鍵中斷觸發，則進入按鍵處理程序，根據按下按鍵的次數，相應地在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，流量和溫度數據分別間隔1s和30s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，程序設計為自動將最近18個月的數據存入Flash中。

考慮到供暖只在冬季進行，為降低系統功耗，系統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1s和30s采集一次。在管道中無水流動時，系統進入工作模式2，此時系統30s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不必要的損耗。

5 測試條件及結果

從批量生產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FLUKE15B對熱量表進行測試，結果如表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 ℃。測試結果如表2所列。

圖5 系統流程圖

表號靜態電流/μA工作電流/μA16.010.126.19.8

表2 實際測量結果與真實值對比

結 語

針對社會需求以及市場上熱量表存在的一些問題，設計了易于批量生產的高精度超聲波熱量表。功耗測試結果表明，所設計熱量表功耗較低，通過流量測試結果表明，所設計熱量表精度較高，測量精度完全符合行業標準CJ128-2007對熱量表的2級精確度的要求。

[1] CJ128-2007.中華人民共和國城鎮建設行業標準熱量表[S].

[2] 陳曄.低功耗超聲波熱量表的研制[D].成都：電子科技大學，2012.

[3] 楊仁建.智能超低功耗超聲熱量表的研究與開發[D].濟南：山東大學，2006.

[4] 姜志成.超聲波反射裝置對超聲波流量計內水流特性影響的研究[D].濟南：山東大學，2010.

[5] 劉永輝，杜廣生.反射裝置對超聲波流量計水流特性影響的研究[J].儀器儀表學報，2011(5):1183-1188.

[6] 郭銀景，任現勇.低功耗超聲波熱量表的設計與實現[J].自動化與儀表，2012(10)：8-12.

[7] 趙穎慧，李冶.提高熱量表溫差測量精度的方法[J].吉林大學學報：信息科學版，2007(25):449-452.

郭金建(碩士研究生)，研究方向電力電子與電力傳動。

Design of Ultrasonic Heat Meter Easy to Batch Product

Guo Jinjian1,Sang Zhifeng2,Bian Yuanyuan1

(1.College of Electrical Engineering andAutomation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Qingdao Pangu Electrical Co.,Ltd.)

From the angle of easy to mass production,the high precision ultrasonic heat meter is designed.The heat meter MCU selects the low-power chip of MSP430F4371,the chip of time measurement chooses TDC-GP21 with high precision,which combined with ultrasonic transducer to measure the water flow, and while combined with Pt1000 to measure the inlet and outlet water temperature.The basic meter is designed as U-programmer,in addition,the system has two kinds of communication method such as infrared communication interface and M_BUS interface.The experimental results show that the heat meter has lower power consumption,high accuracy and good stability.

heat meter;batch production;basal meter;TDC-GP21;high precision

TH81

A

迪娜

2014-12-23)