TDC-GP21在超声波热量表中的应用

　　0 引言

　　超声波热量表是随着超声波测量流量技术的发展而出现的新型热量表，它克服了原有旋翼式热量表精度受水质影响严重和使用寿命不长等缺点，具有精度 高、安装方便、使用寿命长等突出优点，因此日益成为热量表的主流产品。在热量表的实际应用中，流量测量的准确性、仪表长期使用的可靠性以及产品的功耗和成 本，成为决定产品质量高低的关键因素。因此，设计一款高精度、低功耗、低成本的超声波热量表有重要的现实意义。

　　1 超声波热量表的测量原理

　　超声波热量表热量的计算采用欧洲流行的 k 系数法: 设测得载热体入口处的水温为 T1，回水口处的水温为 T2，则进回水的温度差为 ΔT; 利用超声波换能器对供水管道的瞬时热水流量 Q 进行计量，经过一定时间的累计，得到用户消耗的累积热量值，其计算公式[1]为

　　由于超声波的传播速度随流体温度的升高而升高，会给测量带来误差，但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[2]，因此，瞬时流量 Q 和进回水温差 ΔT 的测量就成为热量计量的关键参数。

　　1. 1 瞬时流量测量

　　超声波流量测量采用时差法，其原理如图 1 所示[2]。它利用声波在流体中顺流和逆流状态下传输速度不同的原理实现流体流速的测量。图 1 中，L 为两个换能器间的距离，v 为水的流速，c 为换能器发出的超声波在静止流体中传播速度，α 为两个换能器安装轴线与管渠轴线间的夹角。

式中: D 为管道直径; K 为流量修正系数。

　　可见，瞬时流量测量的关键是对超声波传播时间的准确测量。

　　1. 2 进回水温度测量

　　由式( 1) 可知，进回水温差 ΔT 的测量是热量测量另一重要参数。为了提高温度测量的灵敏度和准确性，可以采用严格配对的铂电阻 Pt1000 作为进回水温度传感器。

　　铂热电阻在 0 ～ 850 ℃ 范围内其阻值与温度变化关系为：

　　2 超声波热量表的硬件设计

　　为了实现流量和温度的准确测量，并满足热量表低功耗、低成本的要求，系统硬件以 MSP430F4152 单片机和 TDC -GP21 为核心，加上少数外围辅助电路构成，其硬件电路框图如图 2 所示。

　　MSP430F4152 通过 SPI 接口与 TDC - GP21 进行通讯，控制TDC - GP21 对超声波传播时间和进回水温度的测量，实现测量数据的存储、与外部设备的通信，以及通过 LCD 显示必要的信息。TDC - GP21 通过超声波换能器进行传播时间的测量，通过温度传感器 Pt1000 进行温度测量。外围电路由电源、晶振、RS- 485 串行通信接口、LCD 液晶显示屏、JTAG 程序调试及下载接口组成。