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    超聲波熱量表的技術分析
    作者:天津華儀創展admin 發布時間:2020-05-13 15:35
            隨著國家供熱改革的推進,對熱計量表系統產品的需求呈現出穩步增加。目前,熱計量系統有時間通斷面積法、溫度面積法等各種測量方法,其中熱量表能夠正確測量用戶使用熱量的數據,為費用提供依據,在市場上占有較大比例。超聲波熱量表具有精度高、性能穩定、無磨損等優點,是熱量表今后發展的主要方向,重點闡述超聲波熱量表的整體結構設計和各部分的分解。
     
            本文闡述了基于美國Tl公司低功耗CPUMSP430F448設計的超聲波熱量表的研制,包括超聲波熱量表的總體結構設計:超聲波熱量表、紅外和MBUS抄表系統的設計;超聲波熱量表控制及與上位機通信系統的軟件程序設計;超聲波熱量表系統的低功耗設計、抗干擾設計。
            超聲波熱量表是由流量傳感器配對溫度傳感器和積算器三部分構成的,同時必須具備數據通信接口。流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發超聲波,通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速,再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。配對溫度傳感器測量供、回水的溫度。積算器采用美國TI公司設計的低功耗單片機配合時間數字轉換器(GP21)將通過流量傳感器、溫度傳感器采集到的信號轉換成流量及溫度,通過計算公式計算出熱消耗。

            一、超聲波熱量表的測量原理

            本文設計的超聲波熱量表以美國TI公司的MSP430F448微控制器為主控制器,以德國ACAM公司針對超聲波計量領域所設計的專用芯片GP21為主要檢測芯片,檢測介質的流量和溫度。通過Tl公司的TSS721A實現M--BUS通信,通過電路實現紅外通信,便于現場和遠程抄表或參數設置與校正。使用液晶顯示,方便直觀。單按鍵顯示控制,單節電池供電。具體熱量計算公式、流量測量、熱量測量如下。

            二、熱量計算方法

            目前通用的熱量計量方法有兩種,K系數法和焓差法。本文采用焓差法進行計算,測量出液體流量及溫度,計算出熱量,流量測量及溫度。

            三、流量測量

            流量測量有兩種方法,體積流量和質量流量。質量流量不受溫度或密度等流體諸條件的影響,但由于不容易測定,一般是測定體積流量。本超聲波熱量表基表超聲波換能器采用U型安裝,當管道直徑確定,流量的檢測等效成介質流速的檢測,進而采用超聲波時差法來測量。檢測芯片GP21通過發送一列脈沖,經換能器轉換成超聲波在介質中傳播,換能器接收超聲波后發脈沖,GP21檢測脈沖,計算從發送脈沖到接受脈沖的時間間隔。上下游各檢測一次。根據上下游時間差、傳播距離即可計算出介質速度超聲波順流傳播時間和逆流傳播時間。

            四、溫度測量

            使用電容充放電法檢測溫度。即利用通過不同阻值的電阻對同一電容充電或放電到某一電壓值所需時間不同的原理,來間接反映電阻阻值大小的方法。

            五、超聲波熱量表軟件設計

            軟件設計從功能上分為幾部分:主程序、中斷服務子程序、測量及計算子程序通信子程序等。
            主程序:主程序的功能是對各個子程序進行協調處理并完成一些對單片機及外部電子器件的初始化設置,讀取存儲設備原有數據并顯示給操作人員,然后進入低功耗狀態等待響應服務程序。主程序由MCU調用,上電后即開始運行,首先完成系統初始化、參數初始化、顯示和按鍵初始化等操作,然后初始化各個功能模塊,以執行相應的功能。
            中斷服務子程序:中斷服務子程序控制整個系統的工作時序,通過定時器的定時功能來分配熱量表各個功能模塊的執行事件,通過給各功能模塊的軟件標志位置位來激活該模塊。
            測量及計算子程序:系統的流量信號測量及溫度測量功能主要是由GP21芯片來完成,該芯片具有運算器、控制器、寄存器以及數據處理等功能模塊。MCU與GP21之間通過SPI的方式進行通信,實現MCU對GP21的控制并讀取GP21的測量結果,MCU根據GP21測量結果進行計算,并將計算結果保存。

            六、結論

            超聲熱量表是一種分戶測量熱費的儀器,廣泛應用于住宅區、辦公樓和企業部門集中供熱、供暖、空調等熱量的計量,文章結合實際,探討超聲熱量表的設計研究。超聲波熱量表,比傳統熱量表具有計量精度提高、外圍器件少、可靠性高、成本低等特點。超聲波熱量表可配合集中器,完成遠程數據抄收,滿足系統集抄功能,提高供熱企業管理水平,實現按用戶的用熱量進行收費,使收費更加科學合理。
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