基于超声波热量表的设计

　　供热节能已成为一个热点话题，其中供热计量更是大家所关注的焦点。近年来，热量计量装置在供热系统中得到初步的应用。但目前我国采用的热量表大 多是机械式热量表，存在使用寿命短、维修困难、与上位机通信不方便等问题，不适合大面积采用。超声波热量计量仪表较为合适，但我国超声波热量表的应用研究 还处于初级阶段，有待进一步的研究。本文设计了一种采用 MSP430 单片机和 TDC - GP2 为主体的超声波热量表，并从测量原理、硬件和软件方面进行了阐述。

　　1 时差法超声波流量测量原理

　　时差法超声波流量计(Transittimeultrasonicflow-meter)，其工作原理如图 1 所示。它是利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。

　　图 1 中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为 D，超声波行走的路径长度为 L, 超声波顺流时间为 tu, 逆流时间为 td, 超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为 。由于流体流动的原因，使超声波顺流传播 L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，顺流和逆流时间可表示为：

　　式中：

　　c 为超声波在非流动介质中的声速;

　　V 为流体介质的流动速度。

　　经过数学推导可得：

　　式中 X 是两个换能器在管线方向上的间距。

　　由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

　　流量 Q 可以表示为：

　　2硬件设计

　　根据系统设计整体要求，按模块化的电路设计思想，本热量表的硬件系统以单片机和外围功能电路组成，硬件电路逻辑框图如图 2 所示。

　　2.1 MSP430 单片机

　　为了降低功耗，延长电池工作时间，拟选择超低功耗的 16 位 MSP430 单片机。

　　MSP430 系列单片机是一个 16 位的超低功耗单片机，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;高效的查表处理指令;较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

　　2.2 利用 TDC GP2 实现流量和温度采集

　　为减小超声波热量表的流量计量误差，降低热量表的成本，选用性能优越、价格较低的 TDC GP2。