低成本低功耗超声波热量表的研制

　　1 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，具有精度高、安装方便、使用寿命长等突出优点，日益成为热量表的主流产品。

　　在实际应用中，除了测量精度外，热量表产品的成本和功耗成为市场竞争的关键因素。设计一款既能满足测量精度要求，成本和功耗又比较低的超声波热量表，具有重要的现实意义。为此，本文提出了一种低成本、低功耗的超声波热量表设计方案。

　　2 超声波热量表的测量原理

　　超声波热量表热量的计算采用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△T;利用超生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，其计算公式为：

　　式中：E为热交换系统输出热量，单位为J;t为流量累积时间，单位为h;η为热焓修正系数，单位为J/m3;Q为瞬时热水流量，单位为m3/h ;△T为进回水的温度差，单位为℃。

　　由式(1)可以看出，瞬时流量Q和进回水温差△T的测量是热量计量的关键参数。

　　2.1 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(1)示。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，实现对流体流速的测量。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的传播速度，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。

　　2.2 进回水温度测量

　　由式(1)可知，进回水温差△T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：

　　式中：Rt为t℃时铂热电阻的阻值;R0为0℃时铂热电阻的阻值;

　　3 超声波热量表的硬件设计

　　为了保证流量和温度测量的精度，同时满足热量表低成本、低功耗的要求，系统硬件以M S P 4 3 0 F 4 1 5 2 单片机为核心 ，以数字电位器MCP41010构成可调增益超声波回波信号放大电路，实现流体流量的准确测量，其硬件电路框图如图2所示。

　　M S P43 0 F4152用以实现超声波传播时间和进回水温度的测量、测量数据的存储、与外部设备的通信，以及通过LCD显示必要的信息等。

　　MCP41010用于对超声波回波信号进行放大，并接收MSP430F4152的控制信号，实现放大倍数的动态调整，从而得到准确的时间测量信号。进回水温度通过温度传感器Pt1000来测量。外围电路由电源、晶振、RS485串行通信接口、LCD液晶显示屏、JTAG程序调试及下载接口组成。