基于溫差發電的改進W型反射式超聲波熱量表設計

摘 要： 隨著超聲波熱量表在市場上應用的增多，對超聲波熱量表的運行穩定性以及測量精度的要求也越來越高。從節約能源的角度出發，設計選取高精度時間轉換芯片TDC?GP22，配合具有超低功耗特點的MSP430系列單片機作為MCU，同時采用超聲波換能器和Pt1000溫度傳感器形成流量溫度測量系統，并采用改進W型反射式基表結構提高流量測量精度。為了延長超聲波熱量表的使用周期，設計基于TEG1?241系列溫差芯片的發電裝置，并實現剩余電量為鋰離子電池充電。考慮到環境中電磁干擾對測溫精度影響較大，采用均值濾波的方法減小因干擾帶來的誤差。最后在A類環境下對多組熱量表進行測試，實驗結果表明，該熱量表準確度高， 靜態工作電流低，性能穩定，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： 超聲波熱量表； TDC?GP22； 改進W型反射式結構； 溫差發電

中圖分類號： TN?61； TH701 文獻標識碼： A 文章編號： 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

我國傳統的供暖方式往往是按照建筑面積來收取取暖費用，不能做到按需供暖，造成了資源的巨大浪費，不符合我國建設資源節約型社會的要求，因此按需所供的熱量表計量收費將會變的普遍，而機械式熱量表存在諸多缺點，因此超聲波熱量表在未來一段時間將會占據中國大部分市場[1]。而目前市場上超聲波熱量表在計量準確性以及運行穩定性等方面有許多不足。針對現有不足，基于時差法測量原理[2]，采用高精度時間轉換芯片TDC?GP22，配合低功耗微處理器MSP430，設計了一款具有低功耗、高精度的超聲波熱量表，針對使用周期短問題，采用溫差發電芯片將供熱管道內外的溫差轉化成電能供給系統使用，并且在發電量剩余的情況下利用系統自帶充電裝置為系統中鋰離子電池充電，此設計將大大延長熱量表的使用壽命。設計完成后對系統進行了整體調試，并在A類環境條件下對多組熱量表進行了測試。測試結果表明，此產品精度高且穩定性好，因此具有很好的市場前景。

1 超聲波熱量表工作原理

超聲波熱量表具有精度高、對水質要求低、可靠性好的特點，其工作原理是在超聲波流量計的基礎上添加溫度傳感器實現溫度的測量[3]。通過液體流過熱交換系統，依據流量傳感器與溫度傳感器Pt1000的測量分別計算出液體的體積流量和進出水溫度，通過高精度計時芯片TDC?GP22測出超聲波在順逆水流中的傳播時間差來計算水流速度進而求出水流的體積流量，然后低功耗的單片機MSP430接收到由芯片TDC?GP22發送的溫度差值信號和液體流速信號后以此計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構設計圖如圖1所示。

用戶消耗熱量的計算[4]依據行業行為標準CJ128?2007給出的熱量計算公式：

[Q=τ0τ1qm?Δhdτ=τ0τ1ρ ? qv? Δhdτ] （1）

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

超聲波流量表對流量的測量是通過時差法來實現的，因此不同的基表結構，測量精度將有很大的差別。通過查找文獻[5?6]可知，V型結構雖然能精準地測量不同流層的水流狀態，但是壁面氣泡和微小顆粒等現象都會對流量計的測量造成不好的影響，以及由于管道材質生銹等表面光滑度原因，使超聲波在通過管壁反射時有可能會在反射面處發生折射、散射等情況干擾測量，所以導致精度不高；U型結構能夠準確測試中間速度，但是由于加入反射立柱裝置，妨礙了液體的流動，污垢容易在上面滋生，長期的使用將會導致靈敏度和精度降低。

基于上述基表結構問題，采用改進W型安裝方式。這種安裝方式聲波傳播距離長，測量精度高，可以反應不同截面的流速，能夠有效地減少立柱式結構等阻擋部件對水流形態造成的影響。考慮到壁面微小顆粒、壁面生銹或氣泡等對測量的影響，在測試前端和中間安裝渦發生器來對反射信號的壁面進行沖刷，同時在管道進出口位置加裝整流片使水流平穩流動，以減少激流對超聲波測量的影響。通過多次試驗對比矩形翼、梯形翼和三角翼對測量結果的影響，文中選擇三角翼，實驗表明渦發生器與整流片的安裝能夠有效減少液體流過中心時產生的偏差，不易堵塞，壓力損失小，超聲波信號能夠實現穩定發射和接收，保證了測量精度，具有很好的使用價值。超聲波熱量表基表結構示意圖如圖2所示，換能器1、換能器2相向收發超聲波信號，由計時芯片測量出超聲波在水中順流和逆流時傳播時間計算出水流的速度，然后通過流速計算出水流的體積流量，為了進一步減小誤差，逆順流時間計算時通過采集多組數據，然后采用均值濾波對數據進行處理。

[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]為渦發生器；[B1，B2]為整流片；管道橫截面積為S；超聲波信號在流體中的傳播速度為C；液體流速為V。從換能器1發出信號到進入液面和信號由液面進入換能器2的時間為[t0]，則超聲波信號順流的傳播時間[tp]為：

[tp=t0+L（C+Vcosθ）] （2）

逆流的傳播時間[tu]為：

[tu=t0+L（C-Vcosθ）] （3）

則時差[Δt]為：

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

相應的，流體的流速[V]與[Δt]的關系為：

[V=C2Δt2Lcosθ=C2Δttan θ16Sπ] （5）

由于超聲波測量得出的速度[V]是線速度，而根據體積流計算方法需要計算面速度[V]，引入校準系數[k]，即[V=kV，]則流體的瞬時流量[q]的計算公式為：

[q=SkV=kC2ΔttanθπS16] （6）

2 硬件電路的設計

硬件電路包括溫度和流量數據測量模塊、通信模塊、穩壓模塊、數據處理模塊以及熱量的計算和相關數據的存儲和顯示模塊等。

微處理器CPU采用TI （Texas Instruments）公司的MSP430系列單片機，其具有較高集成度，豐富片內外設，運行穩定可靠性高，且有保護模塊，并且最大的優勢是超低功耗，因此是核心部件的最佳選擇。高精度計時芯片選用ACAM公司生產的TDC?GP22芯片[7]，TDC?GP22的脈沖發生器在小管徑的流量測量中可直接驅動超聲波換能器，無需另外增加驅動芯片，簡化了設計并降低了成本。高精度的時間測量、簡潔的外部電路、集成的內部信號處理算法、超低的整體功耗測量特性使其相對于普通芯片在超聲波熱表中的應用占據非常大的優勢，同時TDC?GP22新增的智能第一回波檢測功能，使時間窗口不再受時差變化的影響，從而實現脈沖間隔的精確測量。這些特殊功能使其相對于FPGA或者分立元器件更能適合熱量和流量檢測方面的應用。同時配合超聲波換能器和Pt1000溫度傳感器測量流速和水溫，最后將測量結果在液晶屏上顯示。

2.1 基于TDC?GP22的外圍電路設計

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

芯片上的FIRE_UP和FIRE_DOWN用來發送和接收超聲波信號，通過對信號的采集，計算液體的流動速度。溫度測量是基于引腳PT3和PT4上連接的電阻對電容的充放電時間得到的，該電容分別對參考電阻和Pt1000放電。并且這個溫度測量單元的精度可達16位有效精度，相當于0.004 ℃，更為重要的是，進行一次完整的溫度測量，其功耗小于[2.5 μA]，完全符合功耗低，精度高的要求。

2.2 電源電路的設計

超聲波熱量表的設計雖然實現了低功耗，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溫度之間存在很大的溫差，所以可以采用溫差發電技術[10]，將熱能轉化為電能。只要管道內水溫與室溫存在一定溫差，溫差發電片就可以產生直流電壓，當溫差達到1 ℃可產生約70 mV的電壓，可靠性較高，適合作為發電裝置，并且實現剩余電量給鋰離子電池充電功能。溫差發電系統的結構圖如圖4所示，本文采用TEG1?241系列溫差芯片，由于溫差發電片產生的電壓很低，同時還摻雜著干擾信號，因此，不能將電壓直接給熱量表供電或給鋰離子電池充電。所以需要先通過升壓變壓器升壓，然后通過穩壓系統穩壓后供給系統使用。

超聲波熱量表的供電主要來源于兩部分：3.6 V，2 200 mA·h的可充電鋰電池和文中設計的溫差發電系統。兩者通過MSP430內部集成的電量監控模塊SVS（Supply Voltage Supervisor）自動切換電源模塊的供電順序，首先通過溫差發電片TEG1?241組成的溫差發電裝置為系統供電，當SVS檢測到電壓低于所需值時，產生一個內部中斷，來自動切換鋰離子電池供電，為了確保系統供電的準確性，本系統還設計了一個報警電路，當電壓低于系統供電時會觸發報警信號。圖5為系統的穩壓電路圖，通過穩壓芯片LN1130_C將3.6 V鋰電池電壓和溫差發電片輸出電壓轉化成3.3 V給系統供電。

在溫差發電系統電量充足時電源系統會通過由MAX1679組成的充電系統為鋰電池充電。具體電路如圖6所示，首先將溫差發電芯片的發電電壓通過升壓變壓器升壓后進入由集成穩壓芯片LM317組成的穩壓電路中，通過調節式（7）中的[R2]使LM317輸出6 V，850 mA供充電芯片MAX1679使用。

當MAX1679檢測到鋰離子電池電壓低于2.3 V時，為了防止鋰離子蓄電池深度放電后進行快充造成損壞，提供5 mA的電流對電池進行預充；當電壓大于2.3 V小于3.6 V時，則MAX1679打開外接的P溝道場效應管對電池進行快速充電；當充電接近結束時，P溝道場效應管的斷開時間大大超過導通時間，充電結束。管腳 [CHG]與管腳 IN 之間連接作為充電指示狀態的發光二極管。沒有給電池供電時，發光二極管不亮；當給電池快速充電或終止判斷時，發光二極管亮；充電結束時，發光二極管停止閃爍。

3 系統軟件設計

軟件設計是整個系統的一個重要部分，軟件設計的成功與否直接影響超聲波熱量表的性能以及測試的準確性。超聲波熱量表的軟件流程圖如圖7所示。

系統上電后，首先進行初始化，然后進入主程序，處理器進入低功耗LPM3模式，等待中斷喚醒，當發生定時器中斷時，系統進入溫度與流量采集程序，發生外部中斷時，系統進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執行1次，流量采集程序1 s執行1次。

4 測試條件及結果

通過微安表PC5000對熱量表進行功耗測試，測試結果如表1所示。通過測試可知所設計熱量表功耗較低，靜態工作電流[≤9 μA]。

表1 熱量表功耗測試數據

根據熱量表行業標準文件CJ128?2007中的規定，本文采用管徑為DN25的熱表，水溫在55 ℃左右，利用型號為RGZ15?25Z 的熱表檢測裝置，利用5個表分別在不同的位置進行測量，實驗結果如表2所示。其中二級表流量傳感器出廠測試準確度公式[Eq=±2+0.02qpq]，式中，[qp=3.5 m3/h]。累計流量實際值與標準數據對比圖如圖8所示，測試結果表明，所設計熱量表精確度高，誤差可控制在1%以內。

5 結 論

針對市場上熱量表存在的一些問題，本文設計的超聲波熱量表具有以下優點：采用低功耗單片機MSP430作為MCU，配合高精度時間轉換芯片TDC?GP22，實現了超聲波熱量表功耗低精度高的要求；在基表結構上采用改進的W型反射式基表結構，這種安裝方式傳播距離長，測量精度高，并且安裝了渦發生器和整流片，避免了微小顆粒、氣泡和激流對測量的影響；采用溫差發電芯片和鋰離子電池雙電源供電，保證了系統供電的可靠性，相應的延長了電池的使用壽命，并且對資源進行了最大化利用，符合資源節約型的國策；在數據采集時，為避免單次采集的隨機性，將數據采集多次，然后采用均值濾波對數據進行處理，進一步提高了系統的精度。

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