基于溫差發(fā)電的改進(jìn)W型反射式超聲波熱量表設(shè)計(jì)

摘 要： 隨著超聲波熱量表在市場(chǎng)上應(yīng)用的增多，對(duì)超聲波熱量表的運(yùn)行穩(wěn)定性以及測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)選取高精度時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片TDC?GP22，配合具有超低功耗特點(diǎn)的MSP430系列單片機(jī)作為MCU，同時(shí)采用超聲波換能器和Pt1000溫度傳感器形成流量溫度測(cè)量系統(tǒng)，并采用改進(jìn)W型反射式基表結(jié)構(gòu)提高流量測(cè)量精度。為了延長(zhǎng)超聲波熱量表的使用周期，設(shè)計(jì)基于TEG1?241系列溫差芯片的發(fā)電裝置，并實(shí)現(xiàn)剩余電量為鋰離子電池充電?？紤]到環(huán)境中電磁干擾對(duì)測(cè)溫精度影響較大，采用均值濾波的方法減小因干擾帶來(lái)的誤差。最后在A類(lèi)環(huán)境下對(duì)多組熱量表進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該熱量表準(zhǔn)確度高， 靜態(tài)工作電流低，性能穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 超聲波熱量表； TDC?GP22； 改進(jìn)W型反射式結(jié)構(gòu)； 溫差發(fā)電

中圖分類(lèi)號(hào)： TN?61； TH701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）16?0163?04

Abstract： With the application increase of the ultrasonic heat meters in the market， the requirements for higher running stability and measuring accuracy of the ultrasonic heat meter are presented. Proceeding from the energy saving， the high?precision time conversion chip TDC?GP22 matching with the ultra?low power consumption MSP430 serial microcontroller is selected as the MCU， the ultrasonic transducer and Pt1000 temperature sensor are adopted to form the flow and temperature measurement system， and the improved W?type reflective basic meter structure is used to improve the measuring accuracy of flow. In order to prolong the use cycle of the ultrasonic heat meter， a power generating set based on TEG1?241 series temperature difference chip was designed， by which the lithium?ion battery can be charged up with its remaining capacitance. In consideration that the electromageric interference in surrounding environment can affect on the temperature measurement accuracy greatly， the mean filtering method is adopted to reduce the error caused by interference. The multigroup ultrasonic heat meters were tested in A class environment. The results show that the heat meter has the characteristics of high accuracy， low static working current， good stability， and wide application prospect .

Keywords： ultrasonic heat meter； TDC?GP22； improved W?type reflective structure； thermoelectric power generation

0 引 言

我國(guó)傳統(tǒng)的供暖方式往往是按照建筑面積來(lái)收取取暖費(fèi)用，不能做到按需供暖，造成了資源的巨大浪費(fèi)，不符合我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，因此按需所供的熱量表計(jì)量收費(fèi)將會(huì)變的普遍，而機(jī)械式熱量表存在諸多缺點(diǎn)，因此超聲波熱量表在未來(lái)一段時(shí)間將會(huì)占據(jù)中國(guó)大部分市場(chǎng)[1]。而目前市場(chǎng)上超聲波熱量表在計(jì)量準(zhǔn)確性以及運(yùn)行穩(wěn)定性等方面有許多不足。針對(duì)現(xiàn)有不足，基于時(shí)差法測(cè)量原理[2]，采用高精度時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片TDC?GP22，配合低功耗微處理器MSP430，設(shè)計(jì)了一款具有低功耗、高精度的超聲波熱量表，針對(duì)使用周期短問(wèn)題，采用溫差發(fā)電芯片將供熱管道內(nèi)外的溫差轉(zhuǎn)化成電能供給系統(tǒng)使用，并且在發(fā)電量剩余的情況下利用系統(tǒng)自帶充電裝置為系統(tǒng)中鋰離子電池充電，此設(shè)計(jì)將大大延長(zhǎng)熱量表的使用壽命。設(shè)計(jì)完成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體調(diào)試，并在A類(lèi)環(huán)境條件下對(duì)多組熱量表進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，此產(chǎn)品精度高且穩(wěn)定性好，因此具有很好的市場(chǎng)前景。

1 超聲波熱量表工作原理

超聲波熱量表具有精度高、對(duì)水質(zhì)要求低、可靠性好的特點(diǎn)，其工作原理是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上添加溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[3]。通過(guò)液體流過(guò)熱交換系統(tǒng)，依據(jù)流量傳感器與溫度傳感器Pt1000的測(cè)量分別計(jì)算出液體的體積流量和進(jìn)出水溫度，通過(guò)高精度計(jì)時(shí)芯片TDC?GP22測(cè)出超聲波在順逆水流中的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算水流速度進(jìn)而求出水流的體積流量，然后低功耗的單片機(jī)MSP430接收到由芯片TDC?GP22發(fā)送的溫度差值信號(hào)和液體流速信號(hào)后以此計(jì)算出用戶消耗的熱量，最后在液晶屏幕上顯示。超聲波熱量表整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

用戶消耗熱量的計(jì)算[4]依據(jù)行業(yè)行為標(biāo)準(zhǔn)CJ128?2007給出的熱量計(jì)算公式：

[Q=τ0τ1qm?Δhdτ=τ0τ1ρ ? qv? Δhdτ] （1）

式中：[Q]表示用戶消耗的熱量，單位為[J]；[qm]表示流經(jīng)熱量表水的質(zhì)量流量，單位為kg/h；[qv]表示流經(jīng)熱量表水的體積流量，單位為m3/h；[ρ]表示流經(jīng)熱量表的水的密度，單位為kg/m3；[Δh]表示進(jìn)出口溫度下水的焓差值，單位為J/kg；[τ]表示時(shí)間，單位為h。

超聲波流量表對(duì)流量的測(cè)量是通過(guò)時(shí)差法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此不同的基表結(jié)構(gòu)，測(cè)量精度將有很大的差別。通過(guò)查找文獻(xiàn)[5?6]可知，V型結(jié)構(gòu)雖然能精準(zhǔn)地測(cè)量不同流層的水流狀態(tài)，但是壁面氣泡和微小顆粒等現(xiàn)象都會(huì)對(duì)流量計(jì)的測(cè)量造成不好的影響，以及由于管道材質(zhì)生銹等表面光滑度原因，使超聲波在通過(guò)管壁反射時(shí)有可能會(huì)在反射面處發(fā)生折射、散射等情況干擾測(cè)量，所以導(dǎo)致精度不高；U型結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確測(cè)試中間速度，但是由于加入反射立柱裝置，妨礙了液體的流動(dòng)，污垢容易在上面滋生，長(zhǎng)期的使用將會(huì)導(dǎo)致靈敏度和精度降低。

基于上述基表結(jié)構(gòu)問(wèn)題，采用改進(jìn)W型安裝方式。這種安裝方式聲波傳播距離長(zhǎng)，測(cè)量精度高，可以反應(yīng)不同截面的流速，能夠有效地減少立柱式結(jié)構(gòu)等阻擋部件對(duì)水流形態(tài)造成的影響。考慮到壁面微小顆粒、壁面生銹或氣泡等對(duì)測(cè)量的影響，在測(cè)試前端和中間安裝渦發(fā)生器來(lái)對(duì)反射信號(hào)的壁面進(jìn)行沖刷，同時(shí)在管道進(jìn)出口位置加裝整流片使水流平穩(wěn)流動(dòng)，以減少激流對(duì)超聲波測(cè)量的影響。通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比矩形翼、梯形翼和三角翼對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，文中選擇三角翼，實(shí)驗(yàn)表明渦發(fā)生器與整流片的安裝能夠有效減少液體流過(guò)中心時(shí)產(chǎn)生的偏差，不易堵塞，壓力損失小，超聲波信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定發(fā)射和接收，保證了測(cè)量精度，具有很好的使用價(jià)值。超聲波熱量表基表結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，換能器1、換能器2相向收發(fā)超聲波信號(hào)，由計(jì)時(shí)芯片測(cè)量出超聲波在水中順流和逆流時(shí)傳播時(shí)間計(jì)算出水流的速度，然后通過(guò)流速計(jì)算出水流的體積流量，為了進(jìn)一步減小誤差，逆順流時(shí)間計(jì)算時(shí)通過(guò)采集多組數(shù)據(jù)，然后采用均值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

[P1，P2，P3]為超聲波反射板；[θ]為超聲波的反射角；傳播距離[L=L1+L2+L3+L4]；[A1，A2]為渦發(fā)生器；[B1，B2]為整流片；管道橫截面積為S；超聲波信號(hào)在流體中的傳播速度為C；液體流速為V。從換能器1發(fā)出信號(hào)到進(jìn)入液面和信號(hào)由液面進(jìn)入換能器2的時(shí)間為[t0]，則超聲波信號(hào)順流的傳播時(shí)間[tp]為：

[tp=t0+L（C+Vcosθ）] （2）

逆流的傳播時(shí)間[tu]為：

[tu=t0+L（C-Vcosθ）] （3）

則時(shí)差[Δt]為：

[Δt=2LVcos θ（C2-V2cos2θ）≈2LVcos θC2] （4）

相應(yīng)的，流體的流速[V]與[Δt]的關(guān)系為：

[V=C2Δt2Lcosθ=C2Δttan θ16Sπ] （5）

由于超聲波測(cè)量得出的速度[V]是線速度，而根據(jù)體積流計(jì)算方法需要計(jì)算面速度[V]，引入校準(zhǔn)系數(shù)[k]，即[V=kV，]則流體的瞬時(shí)流量[q]的計(jì)算公式為：

[q=SkV=kC2ΔttanθπS16] （6）

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路包括溫度和流量數(shù)據(jù)測(cè)量模塊、通信模塊、穩(wěn)壓模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及熱量的計(jì)算和相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示模塊等。

微處理器CPU采用TI （Texas Instruments）公司的MSP430系列單片機(jī)，其具有較高集成度，豐富片內(nèi)外設(shè)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠性高，且有保護(hù)模塊，并且最大的優(yōu)勢(shì)是超低功耗，因此是核心部件的最佳選擇。高精度計(jì)時(shí)芯片選用ACAM公司生產(chǎn)的TDC?GP22芯片[7]，TDC?GP22的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測(cè)量中可直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅(qū)動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了成本。高精度的時(shí)間測(cè)量、簡(jiǎn)潔的外部電路、集成的內(nèi)部信號(hào)處理算法、超低的整體功耗測(cè)量特性使其相對(duì)于普通芯片在超聲波熱表中的應(yīng)用占據(jù)非常大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)TDC?GP22新增的智能第一回波檢測(cè)功能，使時(shí)間窗口不再受時(shí)差變化的影響，從而實(shí)現(xiàn)脈沖間隔的精確測(cè)量。這些特殊功能使其相對(duì)于FPGA或者分立元器件更能適合熱量和流量檢測(cè)方面的應(yīng)用。同時(shí)配合超聲波換能器和Pt1000溫度傳感器測(cè)量流速和水溫，最后將測(cè)量結(jié)果在液晶屏上顯示。

2.1 基于TDC?GP22的外圍電路設(shè)計(jì)

TDC?GP22硬件電路模塊主要完成流量與溫度測(cè)量[8?9]，其外圍電路如圖3所示。

芯片上的FIRE_UP和FIRE_DOWN用來(lái)發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集，計(jì)算液體的流動(dòng)速度。溫度測(cè)量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻對(duì)電容的充放電時(shí)間得到的，該電容分別對(duì)參考電阻和Pt1000放電。并且這個(gè)溫度測(cè)量單元的精度可達(dá)16位有效精度，相當(dāng)于0.004 ℃，更為重要的是，進(jìn)行一次完整的溫度測(cè)量，其功耗小于[2.5 μA]，完全符合功耗低，精度高的要求。

2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

超聲波熱量表的設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了低功耗，但是畢竟電池容量有限，仍避免不了電池更換的麻煩，考慮到管道中的熱水溫度與室內(nèi)溫度之間存在很大的溫差，所以可以采用溫差發(fā)電技術(shù)[10]，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。只要管道內(nèi)水溫與室溫存在一定溫差，溫差發(fā)電片就可以產(chǎn)生直流電壓，當(dāng)溫差達(dá)到1 ℃可產(chǎn)生約70 mV的電壓，可靠性較高，適合作為發(fā)電裝置，并且實(shí)現(xiàn)剩余電量給鋰離子電池充電功能。溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，本文采用TEG1?241系列溫差芯片，由于溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓很低，同時(shí)還摻雜著干擾信號(hào)，因此，不能將電壓直接給熱量表供電或給鋰離子電池充電。所以需要先通過(guò)升壓變壓器升壓，然后通過(guò)穩(wěn)壓系統(tǒng)穩(wěn)壓后供給系統(tǒng)使用。

超聲波熱量表的供電主要來(lái)源于兩部分：3.6 V，2 200 mA·h的可充電鋰電池和文中設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電系統(tǒng)。兩者通過(guò)MSP430內(nèi)部集成的電量監(jiān)控模塊SVS（Supply Voltage Supervisor）自動(dòng)切換電源模塊的供電順序，首先通過(guò)溫差發(fā)電片TEG1?241組成的溫差發(fā)電裝置為系統(tǒng)供電，當(dāng)SVS檢測(cè)到電壓低于所需值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部中斷，來(lái)自動(dòng)切換鋰離子電池供電，為了確保系統(tǒng)供電的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)警電路，當(dāng)電壓低于系統(tǒng)供電時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。圖5為系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路圖，通過(guò)穩(wěn)壓芯片LN1130_C將3.6 V鋰電池電壓和溫差發(fā)電片輸出電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V給系統(tǒng)供電。

在溫差發(fā)電系統(tǒng)電量充足時(shí)電源系統(tǒng)會(huì)通過(guò)由MAX1679組成的充電系統(tǒng)為鋰電池充電。具體電路如圖6所示，首先將溫差發(fā)電芯片的發(fā)電電壓通過(guò)升壓變壓器升壓后進(jìn)入由集成穩(wěn)壓芯片LM317組成的穩(wěn)壓電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)式（7）中的[R2]使LM317輸出6 V，850 mA供充電芯片MAX1679使用。

當(dāng)MAX1679檢測(cè)到鋰離子電池電壓低于2.3 V時(shí)，為了防止鋰離子蓄電池深度放電后進(jìn)行快充造成損壞，提供5 mA的電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充；當(dāng)電壓大于2.3 V小于3.6 V時(shí)，則MAX1679打開(kāi)外接的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)電池進(jìn)行快速充電；當(dāng)充電接近結(jié)束時(shí)，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的斷開(kāi)時(shí)間大大超過(guò)導(dǎo)通時(shí)間，充電結(jié)束。管腳 [CHG]與管腳 IN 之間連接作為充電指示狀態(tài)的發(fā)光二極管。沒(méi)有給電池供電時(shí)，發(fā)光二極管不亮；當(dāng)給電池快速充電或終止判斷時(shí)，發(fā)光二極管亮；充電結(jié)束時(shí)，發(fā)光二極管停止閃爍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，軟件設(shè)計(jì)的成功與否直接影響超聲波熱量表的性能以及測(cè)試的準(zhǔn)確性。超聲波熱量表的軟件流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主程序，處理器進(jìn)入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒，當(dāng)發(fā)生定時(shí)器中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入溫度與流量采集程序，發(fā)生外部中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入顯示或者按鍵程序。由于溫度變化不大，為了降低功耗，溫度采集程序30 s執(zhí)行1次，流量采集程序1 s執(zhí)行1次。

4 測(cè)試條件及結(jié)果

通過(guò)微安表PC5000對(duì)熱量表進(jìn)行功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過(guò)測(cè)試可知所設(shè)計(jì)熱量表功耗較低，靜態(tài)工作電流[≤9 μA]。

表1 熱量表功耗測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)熱量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件CJ128?2007中的規(guī)定，本文采用管徑為DN25的熱表，水溫在55 ℃左右，利用型號(hào)為RGZ15?25Z 的熱表檢測(cè)裝置，利用5個(gè)表分別在不同的位置進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中二級(jí)表流量傳感器出廠測(cè)試準(zhǔn)確度公式[Eq=±2+0.02qpq]，式中，[qp=3.5 m3/h]。累計(jì)流量實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖8所示，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)熱量表精確度高，誤差可控制在1%以內(nèi)。

5 結(jié) 論

針對(duì)市場(chǎng)上熱量表存在的一些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的超聲波熱量表具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用低功耗單片機(jī)MSP430作為MCU，配合高精度時(shí)間轉(zhuǎn)換芯片TDC?GP22，實(shí)現(xiàn)了超聲波熱量表功耗低精度高的要求；在基表結(jié)構(gòu)上采用改進(jìn)的W型反射式基表結(jié)構(gòu)，這種安裝方式傳播距離長(zhǎng)，測(cè)量精度高，并且安裝了渦發(fā)生器和整流片，避免了微小顆粒、氣泡和激流對(duì)測(cè)量的影響；采用溫差發(fā)電芯片和鋰離子電池雙電源供電，保證了系統(tǒng)供電的可靠性，相應(yīng)的延長(zhǎng)了電池的使用壽命，并且對(duì)資源進(jìn)行了最大化利用，符合資源節(jié)約型的國(guó)策；在數(shù)據(jù)采集時(shí)，為避免單次采集的隨機(jī)性，將數(shù)據(jù)采集多次，然后采用均值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精度。

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