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超声波热量表的技术分析
作者:天津华仪创展admin 发布时间:2020-05-13 15:35
        随着国家供热改革的推进,对热计量表系统产品的需求呈现出稳步增加。目前,热计量系统有时间通断面积法、温度面积法等各种测量方法,其中热量表能够正确测量用户使用热量的数据,为费用提供依据,在市场上占有较大比例。超声波热量表具有精度高、性能稳定、无磨损等优点,是热量表今后发展的主要方向,重点阐述超声波热量表的整体结构设计和各部分的分解。
 
        本文阐述了基于美国Tl公司低功耗CPUMSP430F448设计的超声波热量表的研制,包括超声波热量表的总体结构设计:超声波热量表、红外和MBUS抄表系统的设计;超声波热量表控制及与上位机通信系统的软件程序设计;超声波热量表系统的低功耗设计、抗干扰设计。
        超声波热量表是由流量传感器配对温度传感器和积算器三部分构成的,同时必须具备数据通信接口。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。配对温度传感器测量供、回水的温度。积算器采用美国TI公司设计的低功耗单片机配合时间数字转换器(GP21)将通过流量传感器、温度传感器采集到的信号转换成流量及温度,通过计算公式计算出热消耗。

        一、超声波热量表的测量原理

        本文设计的超声波热量表以美国TI公司的MSP430F448微控制器为主控制器,以德国ACAM公司针对超声波计量领域所设计的专用芯片GP21为主要检测芯片,检测介质的流量和温度。通过Tl公司的TSS721A实现M--BUS通信,通过电路实现红外通信,便于现场和远程抄表或参数设置与校正。使用液晶显示,方便直观。单按键显示控制,单节电池供电。具体热量计算公式、流量测量、热量测量如下。

        二、热量计算方法

        目前通用的热量计量方法有两种,K系数法和焓差法。本文采用焓差法进行计算,测量出液体流量及温度,计算出热量,流量测量及温度。

        三、流量测量

        流量测量有两种方法,体积流量和质量流量。质量流量不受温度或密度等流体诸条件的影响,但由于不容易测定,一般是测定体积流量。本超声波热量表基表超声波换能器采用U型安装,当管道直径确定,流量的检测等效成介质流速的检测,进而采用超声波时差法来测量。检测芯片GP21通过发送一列脉冲,经换能器转换成超声波在介质中传播,换能器接收超声波后发脉冲,GP21检测脉冲,计算从发送脉冲到接受脉冲的时间间隔。上下游各检测一次。根据上下游时间差、传播距离即可计算出介质速度超声波顺流传播时间和逆流传播时间。

        四、温度测量

        使用电容充放电法检测温度。即利用通过不同阻值的电阻对同一电容充电或放电到某一电压值所需时间不同的原理,来间接反映电阻阻值大小的方法。

        五、超声波热量表软件设计

        软件设计从功能上分为几部分:主程序、中断服务子程序、测量及计算子程序通信子程序等。
        主程序:主程序的功能是对各个子程序进行协调处理并完成一些对单片机及外部电子器件的初始化设置,读取存储设备原有数据并显示给操作人员,然后进入低功耗状态等待响应服务程序。主程序由MCU调用,上电后即开始运行,首先完成系统初始化、参数初始化、显示和按键初始化等操作,然后初始化各个功能模块,以执行相应的功能。
        中断服务子程序:中断服务子程序控制整个系统的工作时序,通过定时器的定时功能来分配热量表各个功能模块的执行事件,通过给各功能模块的软件标志位置位来激活该模块。
        测量及计算子程序:系统的流量信号测量及温度测量功能主要是由GP21芯片来完成,该芯片具有运算器、控制器、寄存器以及数据处理等功能模块。MCU与GP21之间通过SPI的方式进行通信,实现MCU对GP21的控制并读取GP21的测量结果,MCU根据GP21测量结果进行计算,并将计算结果保存。

        六、结论

        超声热量表是一种分户测量热费的仪器,广泛应用于住宅区、办公楼和企业部门集中供热、供暖、空调等热量的计量,文章结合实际,探讨超声热量表的设计研究。超声波热量表,比传统热量表具有计量精度提高、外围器件少、可靠性高、成本低等特点。超声波热量表可配合集中器,完成远程数据抄收,满足系统集抄功能,提高供热企业管理水平,实现按用户的用热量进行收费,使收费更加科学合理。
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