1 超聲波熱量表測(cè)量原理

　　超聲波熱量表是在超聲波流量計(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測(cè)量，由流體的流量和供、回水溫差來計(jì)算出向用戶提供的熱量。其中流量測(cè)量部分是應(yīng)用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測(cè)量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法[2]，如圖 1 所示。

　　式（7）中，為熱交換系統(tǒng)輸出熱量，單位J;t為流量累積時(shí)間，單位h;η為熱焙修正系數(shù)，單位J/m3（溫度變化對(duì)流速的影響：超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高，因而會(huì)給測(cè)量帶來誤差。因此，流體溫度變化對(duì)精度的影響可以采用溫度補(bǔ)償方法通過測(cè)量流體的溫度和溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償）;Q為瞬時(shí)熱水流量，單位m3/h; T為進(jìn)出水的溫度差，單位℃。

　　這樣，通過超聲波傳播的時(shí)間差先求出瞬時(shí)流量，進(jìn)而由公式（7）獲得消耗的熱量了。

　　2 系統(tǒng)方案

　　2.1 MSP430F447 單片機(jī)

　　MSP430F447是16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;具有的查表處理指令;有較高的處理速度。這些特點(diǎn)保證了可編制出率的源程序。

　　MSP430F447 單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6us。

　　MSP430F447 單片機(jī)集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)：看門狗、模擬比較器、定時(shí)器、串口、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位 ADC、I2C總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、I/O口等外圍模塊的不同組合。

　　MSP430F447 單片機(jī)的片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。

　　2.2 TDC-GP2 時(shí)間測(cè)量芯片[3]

　　TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司的新一代產(chǎn)品，具有高精度時(shí)間測(cè)量，高速脈沖發(fā)生器，接收信號(hào)使能，溫度測(cè)量和時(shí)鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測(cè)量和熱量測(cè)量方面的應(yīng)用。該芯片利用現(xiàn)代數(shù)字化CMOS技術(shù)，將時(shí)間間隔的測(cè)量量化到65ps的精度，給超聲波流量測(cè)量及熱量測(cè)量提供了理想的解決方案。TDC-GP2的超高測(cè)量精度和小尺寸封裝特性，特別適合于低成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2.3 超聲波流量及熱量測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　超聲波熱量表測(cè)量系統(tǒng)方案如圖2所示[4~6]。系統(tǒng)的測(cè)量核心采用單片機(jī) MSP430F447，外圍電路由JTAG、電源、晶振、RS485串行通信接口、LCD液晶顯示屏，核心測(cè)量芯片TDC-GP2及其超聲波信號(hào)發(fā)送、接收及信號(hào)調(diào)理電路組成。此外，TDC-GP2還可通過外加Pt1000溫度傳感器，進(jìn)行溫度測(cè)量;JTAG調(diào)試接口用于程序調(diào)試及程序下載。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)是圍繞超聲波在流體中的傳播時(shí)間及流體溫度測(cè)量而設(shè)計(jì)的。由于TDC-GP2測(cè)量芯片具有測(cè)量時(shí)間差及流體溫度的功能，因此軟件設(shè)計(jì)通過圍繞單片機(jī)選通TDC-GP2測(cè)量芯片，通過SPI通信接口控制超聲波信號(hào)的發(fā)送、接收及流體的溫度測(cè)量而展開的。測(cè)量得到超聲波傳導(dǎo)時(shí)間的測(cè)量，通過前述的流體流量計(jì)算原理，間接獲得流體的流速，進(jìn)而得到流體的流量;同時(shí)，通過控制測(cè)量芯片TDC-GP2，進(jìn)行相關(guān)操作，獲得流體的瞬時(shí)溫度。

　　限于篇幅，本文只給出用TDC-GP2測(cè)量芯片的超聲波時(shí)差測(cè)量的軟件流程，如圖2 所示。系統(tǒng)上電后通過單片機(jī)觸發(fā)片選信號(hào)選通 TDC-GP2 測(cè)量芯片，并對(duì)TDC-GP2的寄存器進(jìn)行配置，接著初始化，在TDC-GP2接收到開始通道上的*個(gè)脈沖信號(hào)后開始工作，直到達(dá)到預(yù)先設(shè)置的采樣數(shù)或者遇到測(cè)量溢出后停止工作。然后，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行校準(zhǔn)（可以不校準(zhǔn)）后計(jì)算得到測(cè)量值，這樣就完成了一次測(cè)量。一次測(cè)量完成后觸發(fā)中斷，單片機(jī)讀取測(cè)量到的數(shù)據(jù)。下次測(cè)量前再進(jìn)行一次初始化后就可以開始第二次測(cè)量。

　　4 結(jié)束語

　　筆者開發(fā)的超聲波流量計(jì)經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試，取得了較好的測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)在提高測(cè)量精度的同時(shí)大大降低了功耗。從而表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，切實(shí)可行。該流量計(jì)可應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域，可作為工業(yè)過程自動(dòng)化系統(tǒng)控制的流量測(cè)量設(shè)備。

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