高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)

田海軍，劉煒明，王 霞

(1.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132012)

高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)

田海軍1，劉煒明1，王 霞2

(1.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 2.東北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132012)

采用反射式結(jié)構(gòu)，利用時(shí)差法原理，基于STM32F103單片機(jī)和計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22設(shè)計(jì)出了一種高精度的新型超聲波熱量表，并對其進(jìn)行了測試.結(jié)果表明：該熱量表精度高，能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二級要求，擁有廣闊的應(yīng)用前景.

超聲波；熱量表；TDC-GP22；STM32F103；低功耗；高精度

機(jī)械式和電磁式熱量表受流體影響嚴(yán)重，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確.而伴隨著超聲波流量測量技術(shù)興起的超聲波熱量表，修繕了以上兩種熱量表的缺陷[1].本文利用時(shí)差法原理，擇取意法超低功耗的STM32F103單片機(jī)配合德國產(chǎn)高測量精度的計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22，設(shè)計(jì)出了一種使用壽命長、精度高、功耗小、成本低的超聲波熱量表.它是利用一對超聲波換能器收發(fā)超聲波信號，通過計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22測量出超聲波在水中順著水流和逆著水流傳播的時(shí)間差來間接測算水速和水流量.[1-2]用k系數(shù)法對流量和溫度差進(jìn)行積分求出熱量.

1 測量原理

1.1 熱量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

載熱水流在不同的壓力和溫度下，熱量系數(shù)k是變化的.在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中由于熱量表安放在水管內(nèi)，壓力幾乎恒定不變，所以只需要對照溫度這一變量即可從熱系數(shù)表中找到相對應(yīng)的熱系數(shù).也就是說，能夠準(zhǔn)確測量管道進(jìn)出口的水溫差和水流量是非常重要的.[3]

超聲波熱量表(Ultrasonic Heat meter)是通過對測得的水溫差和流量進(jìn)行積分而計(jì)算出供給用戶的熱能.[4]流量測量采取間接測量的方法，溫度測量通過引腳PT3和PT4上連接的1 kΩ的電阻對電容放電時(shí)間來確定.

1.2 流量計(jì)量數(shù)學(xué)模型

流量計(jì)算是利用時(shí)差法間接求取的.借助一對超聲波換能器測出超聲波在順?biāo)湍嫠袀鞑サ臅r(shí)間差求出水流的速率，然后根據(jù)水流量與流速的推導(dǎo)公式求出流量.[5]不同結(jié)構(gòu)的超聲波熱量表其測量精度不同，根據(jù)在管道的不同位置安放超聲波換能器，可以分成直射式、斜射式和反射式3種結(jié)構(gòu)[4].本文選用反射式結(jié)構(gòu)，反射式結(jié)構(gòu)沒有改變水流方向，此結(jié)構(gòu)的管道內(nèi)水流流動(dòng)方向與超聲波在管道內(nèi)的傳遞方向相同，減小了誤差，并且，超聲波傳遞的距離足夠長，為時(shí)差法提供了更加精準(zhǔn)的測量條件.超聲波熱量表流量計(jì)量原理如圖1所示.

圖1 超聲波熱量表流量計(jì)量原理

假設(shè)測量管道直徑為D，超聲波換能器A和B間的直線長度為L，超聲波換能器與反射柱之間的距離為S，水流速率為V，超聲波的傳播速率為C[6].

從換能器A到B，超聲波傳輸(順流)的時(shí)間為

(1)

從換能器B到A，超聲波傳輸(逆流)的時(shí)間為

(2)

超聲波在順?biāo)骱湍嫠鱾鞑ミ^程的時(shí)間差為

(3)

在水中超聲波傳播的速率是1 500 m/s，然而水流本身的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波在水中傳播的速率，因此公式(3)可簡化為

(4)

最終可得水流速率為

(5)

瞬時(shí)流量為

(6)

其中k為流速修正系數(shù).

1.3 測溫?cái)?shù)學(xué)模型

根據(jù)補(bǔ)償公式可以得到對應(yīng)的溫度為

、

其中RRatio為電阻比率.

圖2 TDC-GP22外圍電路溫度測量單元

由于采用單芯片溫度測量方案，避免了搭建傳統(tǒng)的恒流源電路和調(diào)理電路，提高了電路的穩(wěn)定性和精度，而且由于被測電阻和基準(zhǔn)電阻連接在同一個(gè)充放電電容上，克服了溫度漂移對電阻測量的影響，實(shí)現(xiàn)了電阻的高精度測量.[8]

2 熱量表的硬件設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)采用B2405-3W芯片和AMS1117-3.3V芯片，將24 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，為各個(gè)芯片提供供電電壓.系統(tǒng)帶有自檢功能，系統(tǒng)初始化后可以進(jìn)入自檢程序，檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對應(yīng)的故障指示燈亮起，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示.超聲波換能器和溫度傳感器與TDC-GP22相連，通過SPI接口與STM32單片機(jī)連接，STM32單片機(jī)通過SPI通信接口連接數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，通過I/O口連接液晶顯示器.熱量表的硬件系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 熱量表硬件系統(tǒng)

3 熱量表的軟件設(shè)計(jì)

圖4 熱量表程序流程

系統(tǒng)軟件主要是完成單片機(jī)對TDC-GP22的操控，并根據(jù)以上公式將TDC-GP22測得的超聲波傳播時(shí)間和測得的管道進(jìn)回水溫度數(shù)據(jù)計(jì)算后進(jìn)行處理.超聲波熱量表程序流程如圖4所示.

借助TDC-GP22能夠很簡單地對溫度和時(shí)差進(jìn)行測量.經(jīng)由SPI接口單片機(jī)把測量指令傳遞到TDC-GP22，然后根據(jù)指令TDC-GP22可以自動(dòng)測量各個(gè)電阻來自電容的充電時(shí)間以及超聲波傳遞的時(shí)間，最后經(jīng)由結(jié)果寄存器將結(jié)果存儲(chǔ).上述過程完成后，單片機(jī)會(huì)收到由TDC-GP22發(fā)出的中斷請求信號，最后單片機(jī)再完成對測量結(jié)果的處理.

TDC-GP22接收并配置來自STM32F103單片機(jī)的控制信號，包括時(shí)鐘設(shè)置、測量模式、通道采用次數(shù)及校準(zhǔn)設(shè)置等，繼而初始化.[9]芯片TDC-GP22的引腳FIRE-UP發(fā)射超聲波觸發(fā)信號經(jīng)START引腳接收后，TDC控制單元開始計(jì)數(shù)，當(dāng)TDC-GP22的引腳FIRE-DOWN接收到傳回來的超聲波觸發(fā)信號時(shí)，一個(gè)計(jì)時(shí)周期完成.在第一波檢測完成后，比較器自動(dòng)回到0點(diǎn)進(jìn)行下一次的測量.

4 測試與結(jié)果分析

用TDC-GP22超聲波熱量表和精準(zhǔn)測量儀器對溫度的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果見表1.

表1 溫度測試結(jié)果 ℃

流量測試是在熱量表檢定裝置上進(jìn)行的，二級表流量傳感器出廠測試準(zhǔn)確度公式為

其中qp為常用流量.我們選用公稱直徑DN20的測試管道，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128-2007，DN20對應(yīng)的qp值是2.5 m3/h，在50℃下的測試結(jié)果見表2.

表2 流量測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：在確定測量供熱管道后，發(fā)現(xiàn)基于TDC-GP22超聲波熱量表測量精度較高，測量誤差較小，能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128-2007關(guān)于二級表測量準(zhǔn)確度的要求.通過對此系統(tǒng)的功耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量和估算，熱量表休眠時(shí)的電流小于4.7 μA，工作平均電流小于8.5 μA，平均功耗小于0.09 mW.綜上所述，我們所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表不但在測量的精準(zhǔn)度上有了大幅度的提升，而且功率的消耗也較低.

5 結(jié)束語

采用反射式結(jié)構(gòu)，利用時(shí)差法原理，結(jié)合Acam公司出產(chǎn)的熱量表專用計(jì)時(shí)芯片TDC-GP22設(shè)計(jì)了一款高精度低功耗的新型超聲波熱量表.測試結(jié)果充分說明了該超聲波熱量表性能的優(yōu)越性，完美地解決了傳統(tǒng)熱量表使用周期短、成本高、功率損耗大和計(jì)量精確度較低等問題，同時(shí)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨于簡易化，適于廣泛的推廣和應(yīng)用.

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[4] 鞠文濤.超聲波熱量表的設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

Thedesignofprecisionultrasonicwaveheatmeter

TIAN Hai-jun1，LIU Wei-ming1，WANG Xia2

(1.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China； (2.School of Economics and Management，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

Adopting the reflection type structure and the method of time difference principle，on the basis of STM32F103 single chip and TDC-GP22 time keeping chip，to design a new type of ultrasonic heat meter with high resolution and carries on the test.The results show that the heat meter with high accuracy and can meet the requirements of heat meter industry standard grade 2，so it has a broad application prospect.

ultrasonic wave；heat meter；TDC-GP22；STM32F103；low power；high precision

1000-1832(2017)03-0078-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.03.017

2016-03-11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61304015).

田海軍(1971—)，男，副教授，碩士，主要從事過程檢測技術(shù)及層析成像技術(shù)研究；劉煒明(1990—)，男，碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)及自動(dòng)化裝置研究.

TP 212.9 [學(xué)科代碼] 510·10

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