低功耗高精度超声波热量表的设计与实现

高正中，郭金建，李世光，桑志峰，姚秀勇

(1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590；2.青岛盘古电气有限公司 山东青岛 266200)



低功耗高精度超声波热量表的设计与实现

高正中1，郭金建1，李世光1，桑志峰2，姚秀勇1

(1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590；2.青岛盘古电气有限公司 山东青岛 266200)

本文设计了一款低功耗高精度的超声波热量表。热量表MCU选用低功耗MSP430系列芯片；时间测量芯片选用了高精度计时芯片TDC-GP22，配合超声波换能器测量水的流速，配合Pt1000测量入水口和出水口的水温;通信模块有红外通信和M_BUS两种通信方式。本文从原理、基表设计、硬件电路以及软件方面对设计进行了详细的阐述，最后通过测试结果说明了所设计的热表具有高的精确度，极低的功耗和良好的稳定性。

超声波热量表；基表；TDC-GP22；低功耗；高精度；小流量

0 引言

我国的冬季取暖收费制度过去是以按面积收费的形式，这种只与供暖面积有关而与用户实际使用量无关的收费方式日益显得不合理。按照我国建设节约型社会的要求,冬季取暖实行热能计量收费显得越来越重要。然而目前市场上的热量计量产品的质量存在着诸多问题，如:功耗较大，精度不高[1]等问题。

针对上述问题，本文提出了关于小口径的符合我国国情的热量计量技术方案。通过查阅文献和分析比较,本方案最终选择了超声波测量传感器进行设计，利用时差法原理进行测量。对于时间的测量选用ACAM公司最新推出的专业高精准的时间数字转换芯片TDC-GP22。对温度的测量选用热量表专用的配对温度传感器(DS型)铂电阻Pt1000。数据运算方面选用了MSP430系列超低功耗微处理器，该方案可使热表功耗大为降低。最后在A类[3]环境条件下对多组热表进行了测试。

1 工作原理

1.1 热量表工作原理及数学模型

热量表主要由3部分组成:进、出水温度测量模块、流量测量模块(超声波传感器)和数据运算模块(CPU)。

用户的进、出水端分别安装配对温度传感器Pt1000，对管道水温进行测量。在进水温度传感器与用户管道之间安装超声波传感器，对管道内流量进行测量。数据运算处理器根据超声波传感器和配对温度传感器测出的数据进行分析处理，计算出用户所消耗的热量，并对数据存储且可通过LCD液晶进行显示。

数据处理器对用户消耗热量的计算依据为行业标准CJ 128-2007给出的热量计算公式[2]：

式中：Q为用户消耗的热量，J；qm为流经热量表的水的质量流量，kg/h;qv为流经热量表的水的体积流量，m3；ρ为水的密度，kg/m3；Δh为水的焓差值，J/kg；τ为时间，h。

1.2 时差法测流量原理及其数学模型

利用超声波在管道内顺水和逆水的不同传播速度而得出的时间差可以计算出流经热量表的水的质量流量。

图1为时差法原理图，其中A、B为超声波换能器。

图1 时差法原理图

当A向B发送超声波时测出的顺流传播时间为：

t0=L/(c+vsinθ)

当B向A发送超声波时测出的逆流传播时间为：

t1=L/(c-vsinθ)

式中c为超声波在静水中的传播速度。

则：

Δt=t1-t0≈2Lvsinθ/c2

令t=(t0+t1)/2，则：

v=L·Δt/(2t2sinθ)

式中S为管道横截面积。

2 硬件结构设计

2.1 基表的设计

根据超声波反射装置不同的安装方式而形成了不同安装方法，市场上常见基表有V型、U型以及Z型等安装方法。安装方式的不同不仅影响着热量表的精准度，特别是小流量状态下的精准度，还影响热量表的持久性。文献[3]采用的V型安装方式，由于该方式无明显扰流部件且能精准的反映不同流层的水流状态，因而测量精度较高，然而由于管道材质、表面光滑度等原因，超声波在通过管壁反射时有可能会在反射面处发生折射、散射等情况，对测量造成干扰；另一方面由于中国水质原因，管壁上很容易结垢、结晶[4]，这样逐渐积累会严重影响超声波的反射。文献[1]选用的是Z型安装方式,该方式可以解决水质和反射的问题,但由于传播距离较短,不利于时差法的测量。文献[5]选用的是市场上最常用的U型安装方式，该方案能够解决折射、散射、结垢以及传播距离的问题，而且经校准后在中、大流量的测量效果非常好,然而由于加入了立柱作为反射装置，导致了流体压力损失[1]，影响了水流形态，小流量测量误差较大。针对上述问题本文设计了如图2所示的方形管道的W型安装方式基表。

图2 基表结构图

基表管道采用渐缩通道[6]设计，这样可以很好的对水流起到整流[5]的作用，使水流形态更加稳定。由于减少了过流面积，使管道内的流速加快，对管壁冲刷力度变大，因而管道壁上不易产生结垢。此外基表管道采用方形设计，加上管道为渐缩通道设计，因而在停止供暖时，管道内不会留有积水，近而不易结垢。

管道内的超声波反射面选用材质为不锈钢，相对于使用黄铜材质的管道壁作为反射面，该种方案对超声波具有更强的反射作用，而且光滑的反射面处也不容易产生结垢、结晶的现象，也不会发生散射、折射干扰测量。

根据流体力学可知，流体在管道内不同层面流速大小分布不同。其中，中轴线上的流速最大，越靠近管壁流速越小。U型方案测量的是中轴线上的线速度，且前面有立柱影响水流形态，所以不能准确的反映出其它层流的状态。此外该方案测出的线速度极易受温度影响，对校表带来了复杂性。相对于此，W和V型方案优点较为突出，两种方案都没有明显的扰流部件，皆能反映不同截面的流速且测量时受温度影响较小。由于W安装方案超声波经过3次反射，超声波传播路径相对V型方案路径较长，根据时差法测量原理，这使得W型比V型测量方案精度高。

2.2 TDC-GP22的电源电路及外围电路设计

TDC-GP22是最新一代高精度计时芯片。它不仅具有高的精度，低的功耗，小巧的尺寸以及低的成本，而且由于该芯片具有第一波检测功能，使得该芯片非常适合低成本的超声波热量表的应用。

芯片对时间的测量主要是利用两脉冲电流之间的间隔时间，因此一个可靠的高质量的供电电源对时间数字转换芯片的测量效果显得尤为重要。为此设计了如图3中所示供电电源电路。电源电路核心芯片选用了具有低功耗低压差的稳压芯片BL8503，配以滤波电容使电源电路具有高电容性和低电感性，为TDC-GP22提供了可靠的电源保证。

TDC-GP22外围电路设计如图3中所示。

图3 TDC-GP22的电源电路及外围电路

芯片TDC-GP22的引脚5和引脚6用来接收和发送超声波信号。由于芯片内部集成有一额外的模拟电路输入部分，因而超声波的外围电路无需过多的设计，仅通过电阻和电容连接到换能器一端。对流量的测量是利用芯片的第一波检测功能，该芯片测量脉冲的时间是相关的第一回波的时间，而与水流温度以及水流速度无关，因此可以避免一些错误的零点检测和零点识别。

芯片TDC-GP22有一以PICOSTAIN为基础的温度测量单元，其可提供高精度、低功耗的温度测量。芯片对温度测量是基于引脚PT3和PT4上连接的电阻R1对电容的放电时间来确定的。因此电容会分别对参考电阻和Pt1000进行放电。对此我们选用了高精度的阻值为1 kΩ的电阻R1。在引脚PT1和PT2连接的温度传感器我们选用了测量精度可达0.004 ℃[2]的铂电阻Pt1000。为实现温度的高精度测量,在此选取了100 nF的放电电容，即图中的C1。

2.3 通讯接口硬件电路设计

为方便对热量表的校对以及对数据的采集和处理，系统设计了红外通讯接口和M_BUS通讯接口，图4为M_BUS接口电路图。M_BUS接口电路芯片选用M_BUS总线的专用收发芯片TSS721A。供电方式选用远程供电。电路设计中加入了光耦，使的电路设计更加稳定、可靠。

图4 M_BUS电路图

3 系统软件设计

系统软件是在IAR FOR MSP430环境下用C语言进行编写。系统流程图如图5所示。首先系统进行数据初始化，包括TDC-GP22初始化、时钟初始化等。之后进入主程序，处理器进入低功耗LPM3模式，等待中断唤醒。若检测到电源电压较低，则进入欠压中断，停止对流量和温度的数据采集，并报警提示电压过低。若检测到按键中断触发，则进入按键处理程序，根据按下按键的次数，相应的在LCD上显示当前所用热量、进水温度以及出水温度等内容。从功耗和测量精度综合考虑，流量和温度数据分别1 s和30 s进行采集1次，为获得更好的测量精度，每次测量前都初始化一次TDC-GP22。

考虑到北方供暖只在冬季进行，为降低系统功耗，系统在检测到管道中有水流动时，进入工作模式1，即流量和温度分别1 s和30 s采集1次。在管道中无水流动时，系统进入工作模式2，此时系统30 s采集1次水流，不采集温度，直到采集到管道中有水流流动时才进入工作模式1，这样减少了系统不必要的损耗，有效的实现热量表的长期工作。

图5 系统流程图

4 测试条件及结果

通过FLUKE 15B对热量表进行功耗测试，结果如表1所示。

表1 热量表功耗测试数据

温度测试设备选用精密数字温度仪SPI1602A，其温度测量准确度0 ℃时为0.010 ℃，100 ℃时为±0.012 ℃，测试结果按真实值处理；加热设备选用恒温槽HWC-R-L。温度测试结果如表2所示。

流量测试是在热量表检定装置RJZ15-25Z上进行；超声波热量表公称口径为DN20；测试流量点是按照行业标准CJ128-2007对出厂测试的要求选取。测试结果如表3所示。

表2 实际温度测量与真实值对比

表3 实际测量结果与真实值对比

5 结束语

针对社会需求以及市场上热量表存在的一些问题，本文设计了基于时差法测量原理的低功耗高精度热量表。通过测试，所设计热量表功耗较低，若配以9 000 mA锂电池作为电源可正常使用9年以上；在测量精度方面完全符合行业标准CJ128-2007对热量表的2级准确度的要求；对小流量的测试结果表明，所设计热量表准确度高，误差值能控制在较小范围内。由此可知所设计热量表能够较好的解决市场上一些现存热量表功耗大、持久性低以及小流量状态下测量精度低等问题，具有较高的推广以及实用价值。

[1] 杨仁建.智能超低功耗超声热量表的研究与开发：[学位论文].济南:山东大学,2006.

[2] C J128—2007 中华人民共和国城镇建设行业标准热量表.

[3] 陈晔.低功耗超声波热量表的研制：[学位论文].成都:电子科技大学,2012.

[4] 刘壮.一种超声波热量表束流管件设计与实现.中国仪器仪表，2014(4):20-22.

[5] 刘永辉，杜广生.反射装置对超声波流量计水流特性影响的研究.仪器仪表学报，2011(5):1183-1188.

[6] 姜志成.超声波反射装置对超声波流量计内水流特性影响的研究：[学位论文].济南:山东大学,2010.

[7] 郭银景，任现勇.低功耗超声波热量表的设计与实现.自动化与仪表，2012(10)：8-12.

[8] 李世光，孟强强.基于多串口的热量表系数修正软件.微型机与应用，2012(18)：1-4.

[9] JJG 225—2007 中华人民共和国国家计量检定规程.

[10] 柏久宇.基于超声波检测技术的热能表研究与实现：[学位论文].大连:大连交通大学,2005.

Design and Implementation of Low-power and High-precision Ultrasonic Heat Meter

GAO Zheng-zhong1，GUO Jin-jian1，LI Shi-guang1，SANG Zhi-feng2，YAO Xiu-yong1

(1.Shandong University of Science and Technology,College of Electrical Engineering and Automation,Qingdao 266590，China；2.Qingdao Pangu Electrical Co.,Ltd ,Qingdao 266200，China )

A low-power and high-precision ultrasonic heat meter was designed in this paper. Low-power MSP430 series IC was selected in heat meter MCU and heat meter MCU selected chip of time measurement and selected TDC-GP22 with high precision,which combined with ultrasonic transducer for measurement of water flow while with Pt1000 measured the inlet and outlet water temperature; Communication module had two kinds of communication modes,named infrared communication and M_BUS communication respectively. This article described the design of the circuit in detail from the principle,the basal meter,the hardware and software,and finally results from experiments show that the designed heat meters have very low power consumption,high accuracy and good stability.

ultrasonic heat meter; basal meter; TDC-GP22; low power; high-precision；small flow

山东省中青年科学家奖励基金项目(No.BS2013DX012)；青岛市开发区重点科技发展计划项目(2013-1-38，2013-1-61)

2014-12-05 收修改稿日期：2015-06-25

TH702

B

1002-1841(2015)09-0047-03

高正中(1971—)，副教授，硕士生导师，研究方向:计算机检测与控制、PLC与工厂自动化、智能电网技术、智能仪器与仪表技术等。 郭金建(1990—)，硕士研究生，研究方向:电力电子与电力传动。