超声波热量表的设计及实现

　　0 引言

　　热量表是供热体系中按热量计量收费的一个关键仪表和重要依据，其测量精度、工作稳定性等技术指标是非常重要的。以热(冷)水为媒介的集中供热(供冷)系统中用户所消耗的热(冷)量，与热(冷)水流量和供、回水烩值有关。热能值的物理学含义是热功率与时间的乘积，按照热力学定义可表达为热能载体的质量与进回水温度的热烩的差值的乘积，热能值无法直接测量，只能通过其他的物理学参数确定。通过热能表可以测定体积用以替代质量，然后通过查水的烩值和密度表来计算热能值，或测定温度用以替代热烩差。

　　本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波检测技术的基础上，进行系统软硬件设计，开发了超声波热量表。

　　1 超声波热量表测量原理

　　超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法[2]，如图 1 所示。

　　式(7)中，为热交换系统输出热量，单位J;t为流量累积时间，单位h;η为热焙修正系数，单位J/m3(温度变化对流速的影响：超声波的传播速度随流体的温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。因此，流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自动补偿);Q为瞬时热水流量，单位m3/h; T为进出水的温度差，单位℃。

　　这样，通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而由公式(7)获得消耗的热量了。

　　2 系统方案

　　2.1 MSP430F447 单片机

　　MSP430F447是16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;具有高效的查表处理指令;有较高的处理速度。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

　　MSP430F447 单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。

　　MSP430F447 单片机集成了较丰富的片内外设：看门狗、模拟比较器、定时器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位 ADC、I2C总线直接数据存取(DMA)、I/O口等外围模块的不同组合。