目前，傳統(tǒng)的熱能表主要為機(jī)械式的，是在普通的葉輪式流量計(jì)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，雖然其應(yīng)用比較廣泛，但是它有以下缺點(diǎn)：對(duì)水質(zhì)要求高、壓損大，由于內(nèi)部有可動(dòng)部件，儀表易磨損、使用壽命短等[1]。近年來(lái)，利用超聲測(cè)量流量的技術(shù)已被廣泛應(yīng)用[2]，超聲流量計(jì)具有內(nèi)部無(wú)阻礙流體運(yùn)動(dòng)的部件、無(wú)壓損、對(duì)水質(zhì)要求不是很高、可測(cè)量高粘度或高腐蝕性流體、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
筆者根據(jù)熱能積算的基本原理，結(jié)合有關(guān)供暖系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，采用MSP430系列低功耗單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種低功耗超聲熱能表。它不但克服了傳統(tǒng)熱能表的缺點(diǎn)，且功耗低，符合我國(guó)熱能表相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。
1 基本原理
熱能表是用于測(cè)量及顯示熱交換回路中載熱液體所釋放的熱量的計(jì)量器具。它一般由流量傳感器、配對(duì)溫度傳感器和計(jì)算器組成[5]。其工作原理是：將配對(duì)溫度傳感器分別安裝在熱交換回路的入口和出口的管道上，將流量傳感器安裝在人口或出口管上；流量傳感器發(fā)出流量信號(hào)，配對(duì)溫度傳感器給出人口和出口的溫度信號(hào)，計(jì)算器采集流量信號(hào)和溫度信號(hào)；經(jīng)過(guò)計(jì)算，顯示出載熱液體從人口至出口所釋放的熱量值。
圖1 熱能表基本結(jié)構(gòu)框圖
熱能的計(jì)算公式為：
（1）
式（1）中：Q—釋放的熱量，kJ；V—載熱液體流過(guò)的體積流量，m3/h；ρ—載熱液體密度，kg/m3；Δθ—熱交換回路中載熱液體入口處和出口處溫度的焓值差，kJ/kg；t—時(shí)間，s；焓值差可由與載熱液體溫度相相應(yīng)的焓值表查得。因此，得到體積流量和溫度差是計(jì)算熱量的關(guān)鍵。
1.1 流量測(cè)量
通過(guò)測(cè)量超聲波在流動(dòng)的流體中，順流傳播時(shí)與逆流傳播時(shí)的速度之差來(lái)得到被測(cè)流體的流速。超聲波由超聲波換能器產(chǎn)生，經(jīng)信號(hào)處理后將兩個(gè)超聲波換能器的時(shí)差信號(hào)分辨出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量功能，管道的公稱直徑為DN15。
本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是超聲波的時(shí)差法流量測(cè)量原理，時(shí)差法是在被測(cè)流體內(nèi)建立由兩路超聲波發(fā)射和接收器構(gòu)成的超聲波通道，分別在順流方向和逆流方向發(fā)射超聲波脈沖，測(cè)量其傳播的時(shí)間差Δt。
順流方向發(fā)射超聲脈沖的傳播時(shí)間為
（2）
逆流方向發(fā)射超聲脈沖的傳播時(shí)間為
（3）
式（2）（3）中：L—超聲波發(fā)射與接收器之間的距離，即聲程（m）；c—被測(cè)流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度（m/s）；u—被測(cè)流體的速度（m/s）。
則在順流和逆流情況下超聲波的傳播時(shí)間差為：
（4）
因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣萩遠(yuǎn)大于流體的流速u，所以下式成立：
（5）
因此時(shí)差可簡(jiǎn)化為：
（6）
即：
（7）
1.2 溫度測(cè)量
按照鉑電阻Pt-1000，在0～850℃隨溫度變化的關(guān)系計(jì)算溫度：
（8）
其中，
通過(guò)采集進(jìn)水溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，出水溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電阻阻值，再根據(jù)式（8）即可求得對(duì)應(yīng)的溫度，溫度范圍為0～100℃。
根據(jù)《中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-熱量表CJ128-2007》的規(guī)定[6]，公稱直徑小于或等于DN40的熱能表，應(yīng)采用內(nèi)置電池，且電池的使用壽命應(yīng)大于5年；且累計(jì)流量的顯示分辨力為0.01m3，溫度的分辨力為0.1℃，因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮功耗因素。
2 硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)以上基本原理所設(shè)計(jì)的熱能表系統(tǒng)的基本組成如圖2，它主要由處理器電路、流量測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊、信號(hào)處理模塊和按鍵、顯示及電源模塊組成。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
處理器選擇了TI公司的MSP430系列的單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)算核心，它是16位的單片機(jī)，與其它類型的處理器相比較，具有低功耗、高精度、高可靠性以及高集成度等明顯優(yōu)勢(shì)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[7]。選用的單片機(jī)型號(hào)為MSP430F435，該型號(hào)單片機(jī)是具有5種低功耗模式的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，供電電壓在1.8～3.6V之間變化，其自帶16K的FLASH區(qū)用于應(yīng)用程序的存放和重要數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)，具有LCD、看門狗、定時(shí)器等片外圍設(shè)備接口[8]。
流量測(cè)量模塊采用超聲波時(shí)差法實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，本系統(tǒng)選用的是頻率為1MHz的超聲波換能器，時(shí)差測(cè)量選用德國(guó)ACAM公司推出的TDC系列時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化器件。
溫度測(cè)量模塊的傳感器采用Pt-1000鉑熱電阻傳感器.因其線性度相對(duì)較好，耐氧化能力很強(qiáng)，并且溫度范圍寬，其測(cè)溫的范圍從-200℃～+650℃，目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到廣泛使用，本系統(tǒng)的溫度范圍只需0～100℃。
顯示模塊選用液晶顯示屏，通過(guò)兩個(gè)按鍵可實(shí)現(xiàn)進(jìn)水溫度、出水溫度、溫差、瞬時(shí)流量、累積流量、累積熱量的依次顯示以及儀表系數(shù)等參數(shù)的修正。
系統(tǒng)電源采用3.6V、2AH的鋰電池進(jìn)行供電。
由于采用電池供電，因此除了在器件選型中選擇功耗低的產(chǎn)品外，更為重要的是軟件的低功耗設(shè)計(jì)。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3。由于處理器是控制核心，因此可以通過(guò)引入各種中斷來(lái)達(dá)到降低功耗的目的，在處理器無(wú)需運(yùn)行的時(shí)間段讓其進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，在需要時(shí)及時(shí)喚醒。具體措施為：以2s為周期，2s中50ms進(jìn)行流量、溫度、熱量的計(jì)算與累積，其余時(shí)間進(jìn)入低功耗狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)顯示模塊實(shí)行顯示的延時(shí)熄滅功能，對(duì)大限度的降低系統(tǒng)的整體功耗。
圖3 系統(tǒng)的軟件流程圖
由于超聲波在25℃時(shí)的波速為1500m/s，在其他溫度下的速度略有不同，為了減小誤差，具體可以相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]求得其他溫度下的波速，提高系統(tǒng)的精度。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程-熱能表（JJG225-2001）》標(biāo)準(zhǔn)中的“熱能表的各分量準(zhǔn)確度等級(jí)及最大允許誤差表”，如表1，qp為常用流量，又稱額定流量，表示熱能表在不超過(guò)最大允許誤差的情況下可連續(xù)運(yùn)行的最大流量；q表示流量；Δθvmin表示最小允許溫差；Δθ表示溫差。對(duì)設(shè)計(jì)的熱能表的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分量標(biāo)定。在流量測(cè)量方面應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)表法[9]，采用兩臺(tái)KROHNE公司生產(chǎn)的準(zhǔn)確度為0.2級(jí)的IFM4080F型電磁流量計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行流量標(biāo)定，量程分別為2.5m3/h和16m3/h.在溫度測(cè)量方面采用標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)定。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。
根據(jù)“熱量表的各分量準(zhǔn)確度等級(jí)及最大允許誤差表”，計(jì)算誤差如表3，取額定流量為2m3/h，流量的2級(jí)表誤差限Eq均小于5%，表4為溫度傳感器誤差限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程-熱能表（JJG225-2001）》標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到2級(jí)指標(biāo)。
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的流量范圍超過(guò)200∶1，溫度范圍為0～100℃；在誤差方面，瞬時(shí)流量絕對(duì)誤差小于±0.5%，相對(duì)誤差小于±3%，累計(jì)流量小于±2%在系統(tǒng)功耗方面，整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)電流為25～30μA，工作電流為350～400μA，并以2s為周期，2s中50ms為工作狀態(tài)，其余為低功耗模式，平均電流為35μA該系統(tǒng)采用容量為2AH的鋰電池供電，根據(jù)電池額定容量值的80%作為參考數(shù)據(jù)[6]，理論工作壽命為：
（9）
5 結(jié)論
本系統(tǒng)根據(jù)熱能表的基本原理，選用MSP430系列單片機(jī)，設(shè)計(jì)了由超聲波時(shí)差法測(cè)流量、鉑電阻測(cè)溫差的超聲熱能表，所實(shí)現(xiàn)的熱能積算功能在達(dá)到了國(guó)家有關(guān)規(guī)程的技術(shù)指標(biāo)的前提下，進(jìn)行了低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)熱能表計(jì)量精度較低、損耗大等缺陷，具有功耗低、壓損小、檢測(cè)精度高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo).消費(fèi)者可以根據(jù)能源的消費(fèi)量支付費(fèi)用，避免能源浪費(fèi)，符合我國(guó)供熱體制改革的計(jì)量技術(shù)政策，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
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