基于游標時間測量方法的超聲波熱量表系統

郭 銳，李 虹，楊 宇，牛 睿，熊紅權，王玉榮，徐殊凝

(太原科技大學電子信息工程學院，太原030024)

在資源相對緊缺的現在，人們越來越重視資源的消耗，特別是能源。熱量表是可測量熱量變化的一種儀表，可用于住房用戶以測取暖氣消耗量，方便用戶自己調節暖氣的供應。用戶可按暖氣使用量來繳費，這樣可以鼓勵用戶減少熱能的浪費并且使得暖氣收費更合理。為了能更準確地計量熱量損耗，用戶對熱量表的精度要求有所提高。其中，超聲波熱量表是現在市場上興起的一種熱量表，它通過對水溫、水的流速測量及計算，來反映暖氣熱量的變化。本文首先說明超聲波熱量表的工作原理，然后介紹硬件電路，最后總結提高儀表測量精度的方法。

1 系統原理

超聲波熱量表涉及超聲波、溫度、時間、控制等方面。在不同溫度的水中，超聲波的傳播速度不同，通過對超聲波在水中傳播時間的測量和水的溫度差，計算出暖氣的熱損耗[1]。超聲波只用于測量水的流速，而水的溫度測量則使用高精度熱敏電阻。

1.1 熱損耗測量基本原理

在實際暖氣管道上，超聲波傳感器的安裝如圖1所示。

圖1 超聲波流量計工作示意圖Fig.1 Working principle of ultrasonic flow meter

換能器A、B為一對超聲波傳感器，斜向安裝在同一段管道兩側。用來測量超聲波在水中傳播時間，間接計算出水的流速。

假設水充滿管內，水體積變化量計算如式(1)。

式中，v——水的流速(假設v在測量區域內保持不變);D——管內直徑。

v和vc的計算公式如式(2)和式(3):

其中，vc——超聲波在水中的傳播速度;

θ——超聲波傳播方向與液體流向的夾角;

vo——0℃ 時超聲波聲速;

T——進水口處的溫度;

△t——超聲波在水中的傳播時間差(△t=|t1-t2|，t1和t2分別為超聲波順流和逆流的傳播時間，可用下文介紹的時間測量方法測出)。

水所釋放的熱量計算公式為:

其中，V——熱量表測量的流經熱交換系統的水的體積;

Vo——測量開始時水的體積;

Vt——測量結束時水的體積;

K——熱系數;

△T——進出口處水溫度差。

以上先求出超聲波聲速vc，再求水的流速v，帶入式(1)后，再將式(1)帶入式(4)，最后用單片機計算出一段時間內水的散熱量。

1.2 時間測量原理

測量時間的方法有:直接法、時間間隔擴展法、時間-幅度轉換法、游標法、延遲線法等[2]。由于熱量表應用于細口徑的管道中，適合采用游標法實現高精度的時間測量，所以在設計中采用游標法進行時間擴展。

游標法因其工作原理類似于游標卡尺而得名，它本質上是一種數字擴展法。如圖2所示。

圖2 游標法測時間的時序圖Fig.2 Sequence chart of nonius time-measuring method

假設時間間隔為△t，用START作起始信號，用STOP作停止信號。START啟動一個周期為T1的振蕩器，用STOP啟動一個周期為T2的振蕩器，其中T1＞T2，然后對兩個時鐘分別計數。假設T1計數到n1，T2計數到n2時兩者重合，則有:

一種采用游標法來實現的芯片，能在312.5 MHz下達到50 ps的分辨率。另一種用游標法芯片，在700 MHz下達到2.3 ps的分辨率。進一步改進有望將分辨率提高到1 ps，而如此高的分辨率，關鍵是保證兩個可啟動振蕩器的高精度與高可靠性。另外，高精度的重合檢測電路也是實現精確測量不可或缺的部分。商用的HP5370B是采用游標法測量的典型例子，測量精度可達20 ps，是迄今為止最好的商用時間間隔計數器。

1.3 溫度測量原理

暖氣中熱損耗的計算，涉及管道內水的溫度變化，并且溫度對超聲波的速度影響很大，必須對超聲波聲速計算進行溫度補償。溫度可利用熱敏電阻PT1000和溫度變送器ADT70測量。熱敏電阻PT1000可以隨溫度不同而改變自身阻值，ADT70再將PT1000的阻值變化轉換成電壓變化傳送給單片機，再由單片機轉換成對應的溫度值。

在熱敏電阻中，由于PT1000具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓而且線性度好的優點，因此在該設計中選用 PT1000做為測溫傳感器探頭。PT1000是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的1000即表示它在0℃時阻值為1 000 Ω，在100℃時它的阻值約為1 385 Ω.

ADT70為鉑電阻提供激勵源和信號整形電路，專為PT1000型鉑熱電阻設計使用，其測量溫度范圍寬。ADT70-PRTD系統的精確測量范圍可以從-200℃～+1 000℃并取決于鉑熱電阻的質量。其典型應用電路可在滿量程內使誤差減小到±1℃，并且此誤差可通過修正減小到±0.1℃.

2 主要電路

超聲波熱量表主要電路有:超聲波收發電路及其換能電路、溫度測量電路、單片機外圍電路、顯示電路等。下面主要介紹超聲波收發電路及其換能電路和溫度測量電路。

2.1 超聲波電路

超聲波電路可以分為三部分，有超聲波發射電路、接收電路和切換超聲波收發電路[3]。

圖3是超聲波發射電路。由NE555構成多諧振蕩器，來使超聲波發射器中的壓電晶片產生共振，從而產生超聲波，NE555輸出波的頻率應與壓電晶片的固有頻率相同。由式子T=2RC17ln2=1/f可以確定電路中電阻、電容的大小[4]。

圖3 超聲波發射電路Fig.3 The circuit of porducing ultrasonic

圖4是超聲波接收電路。在本電路中，NE5532主要組成一個反向比例電路以及帶通濾波，超聲波接收器輸出的微弱信號放大并且濾去不需要的頻率。R1和C5構成低通濾波部分，R5和C6構成高通濾波部分。經過圖4電路后產生的信號在單片機中進行處理，形成計時的停止信號。

圖4 超聲波接收電路Fig.4 The circuit of receiving ultrasonic

圖5為超聲波收發切換電路。由于計算中需要求出超聲波順流和逆流的傳播時間差，一般需要兩組超聲波收發電路，但兩組不是同時工作的，為了減少電路，降低成本故用一個固態繼電器進行切換。圖5中，下邊是發射電路，上邊為接收電路，整個繼電器由一個線圈控制，當CH-CUT為0，S2與接收電路相聯，S1與發射電路相聯。當CH-CUT為1，則S2與發射電路相連，S1與接收電路相聯。這樣就完成了收發電路的切換。

圖5中的繼電器K采用固態繼電器。固態繼電器是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。其體積小、壽命長、可靠性高，轉換速度快，電磁干擾小。

2.2 溫度測量電路

溫度測量電路主要是將鉑熱電阻PT1000的阻值轉成電壓信號提供給單片機，借此轉換成溫度變化[5]。溫度測量電路主要由熱電阻PT1000及溫度變送器ADT70組成。

ADT70的內部結構框圖如圖6所示。內部含有兩個1 mA的電流源，一個精密放大器，一個2.5 V基準源和一個獨立的運算放大器，另外ADT70有一個關斷控制引腳以使它工作在低功耗模式，它可以使ADT70的電流由4 mA降到10 uA[6]。用 +5 V單電源或+/-5 V雙電源供電，傳感器用四線制方式，可消除由鉑熱電阻引線而造成的測溫誤差，提高表的精度[7]。

圖5 超聲波收發切換電路Fig.5 The switching circuit of transmit-receive ultrasonic

圖6 ADT70內部結構框圖Fig.6 Internal structure diagram of ADT70

3 結論

本系統選用C8051F320單片機作為計算與控制部分，其工作電壓為2.7 V～3.6 V，主振頻率25 MHz時工作電流為5.8 mA，工作時平均電流約為3.132 uA[8]。屏蔽其它功能，系統靜態電流約為20 uA.而系統在測流量和溫度時工作電流分別約為8.423 uA、0.085 uA.則系統有效工作電流約為以上四個數據之和，為 31.640 uA.系統選用型號為EN14505的鋰電池供電，電池額定容量為2.7 Ah.若按電池額定容量的80%計算，電池可使用壽命約為7年。根據檢定規則的要求，熱量表電池的使用壽命應大于6年，因此本設計符合低功耗的要求[9]。

設計的超聲波熱量表不僅可以保證測量的精確性，而且功耗低，在以下方面都有體現:

(1)采用游標時間測量法，提高單片機計時精度;

(2)采用固態繼電器，提高可靠性;

(3)使用測量精確度最高的鉑熱電阻PT1000;

(4)鉑熱電阻引線方式為四線制，消除導線電阻影響;

(5)熱量表工作電壓低，功耗低。

與傳統的機械式熱量表相比，超聲波熱量表具有對水狀態影響小、準確度高、單片機計算高效率等特點，使得其得到普及[10]。但是，由于超聲波熱量表起步晚，仍有部分技術問題需要解決。如:直射式超聲波熱量表在小口徑管道的應用中，相對于反射式超聲波熱量表壓損較大;普通的超聲波熱量表為了整流，在管道中設有整流支架，但我國水質不高，這樣易造成管道堵塞;現有的換能器精度不高，易受水壓、靜電的影響，使用壽命低等。而隨著生產工藝成熟，超聲波熱量表將不失為一個節能型熱量表[11]。

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[4]王遠.模擬電子技術[M].北京:機械工業出版社，2000.

[5]王魁漢.溫度測量技術的現狀及展望[J].基礎自動化，1997(1):1-6.

[6]Analog Devices公司.ADT70 使用手冊[EB/OL].[2004-04-01].http://www.analog.com/en/index.html.

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[8]單國建.基于單片機的熱量表[D].太原:太原科技大學，2011.

[9]鞠文濤.超聲波熱量表的設計與研發[D].杭州:浙江大學，2008.