在對超聲波熱量測量原理進行理論研究的基礎上，結(jié)合行業(yè)標準，利用超聲波流量測量技術(shù)和熱量測量技術(shù)研制了一種熱量表，并給出了系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的設計方法。研究內(nèi)容包括熱量表的測量原理、超聲波換能器的工作原理、樣機的研制、測試和驗證。

總體方案設計

本方案設計的超聲波熱量表是一個整體熱量表。將低功耗單片機技術(shù)、數(shù)字溫度流量測量技術(shù)、超聲波流量測量技術(shù)和遠程集中抄表技術(shù)有效結(jié)合。

本設計中的超聲波熱量表主要由三部分組成:TDC-GP21設計的溫度和流量計、MSP430F4481設計的積分器及相關(guān)外圍電路、TSS721A設計的M-BUS系統(tǒng)。圖1是TDC-GP21測得的超聲波熱量表方案原理框圖。

與其他測量芯片相比，TDC-GP21非常適合低成本的超聲波熱量表設計。TDC-GP21性能優(yōu)異(包括高精度時間測量、精確時鐘校準、自動測量模式和低功耗測量方案)，因此只需簡單的微處理器和很少的外部電路就可以構(gòu)成完整的超聲波熱量表方案，大大降低了成本。

GP21溫度和流量測量

TDC-GP21提供了與TDC-GP2引腳完全兼容的功能，以及一些改進的功能和額外的擴展功能。如圖2所示，內(nèi)部集成了時鐘電路、溫度測量單元、脈沖發(fā)生器、上止點測量電壓、簡單算術(shù)單元ALU和模擬分量比較器。集成模擬開關(guān)將大大簡化外圍電路的設計。同時，測量質(zhì)量將得到提高，測量功耗將得到降低。

為了測量進水口和出水口之間的溫差，TDC-GP21采用了其集成的微微應變測量方法，提供了一種高精度、低功耗的溫度測量方案。由于溫度傳感器的電阻值與溫度有一定的關(guān)系，芯片會通過直接測量溫度傳感器RTD電阻的變化來獲得相應的溫度值，這個過程是通過內(nèi)部非常精確的時間測量來完成的。測量時，傳感器的測量電阻和基準穩(wěn)溫電阻將分別對同一電容進行充放電，因此放電時間將由內(nèi)部TDC測量單元以高精度ps時間分辨率進行測量。圖3示出了GP21溫度測量的原理和典型的充放電曲線。

只有通過單片機將相應的操作代碼傳輸?shù)紾P21，才能自動高效地完成GP21的溫度測量。TDC-GP21通過發(fā)送操作碼“Start_Temp”快速測量一次溫度，TDC-GP21通過發(fā)送操作碼“Start_Temp_Restart”快速測量兩次溫度，兩次測量之間的時間延遲為50Hz或60Hz的整數(shù)倍。這將降低50赫茲或60赫茲的噪聲。與單次快速測溫相比，TDC-GP21首先會根據(jù)配置進行多次預熱測量，然后根據(jù)pt4的順序進行

當傳感器電阻相對于溫度穩(wěn)定時，電阻的變化會通過放電的時間比來反映。放電時間的計算公式為:

根據(jù)RRTD值，通過計算相應的公式或查詢相應傳感器的溫度表，可以得到傳感器測得的溫度信息。

PT1000是一種鉑熱電阻，電阻值會隨著溫度的變化而變化，屬于正電阻系數(shù)熱敏電阻。它的命名意義是:PT后的1000表示其電阻在0℃時為1000ω，20℃時為1097.347ω，300℃時為2120.515ω。其工作原理:當PT1000處于0℃時，其電阻值為1000ω。它的電阻會隨著溫度的升高而勻速增加，這是一個線性關(guān)系。等式(3)是溫度和PT1000電阻值之間的關(guān)系:

(3)

R(t)是溫度t時鉑熱電阻的阻值(ω)；(t)是溫度(℃)；R0為鉑熱電阻在0℃時的電阻值(ω)；a和b是刻度常數(shù)；

刻度常數(shù):

a = 3.9083×10-3℃--1，B =-5.775×10-7℃--2；

PT1000厚膜鉑電阻溫度傳感器的電阻值與溫度之間的關(guān)系偏離給定分度表的公差不超過((0.30+0.005∣t∣·t·∣).

GP21的流量測量是基于超聲波上下游之間的非常時間。兩個超聲波換能器將分別連接到GP21的上游和下游測量端口，這兩個換能器可以用作接收端或發(fā)射端。圖4是基于時間間隔測量的超聲波流量測量的示意圖。

GP21中有一個脈沖發(fā)生器，它可以交替發(fā)射1兆赫茲的脈沖，驅(qū)動兩個換能器，然后測量這個脈沖從換能器A到換能器B的飛行時間，再反過來測量從換能器B到換能器A的飛行時間。超聲波在下游的飛行時間比在上游短。假設聲音路徑是S，S=L+S1+S2。T1:超聲波從換能器a發(fā)射到換能器b接收的時間。T2:超聲波從換能器b發(fā)射到換能器a接收的時間。測量完成后，測量結(jié)果將由外部單片機處理。第一步，單片機會計算上下游的飛行時差。

Flow_sum為累計流量(單位:l)；

在累計流量的基礎上，通過水的焓系數(shù)和溫差可以得到累計熱量:

(10)

T2是入口溫度(單位:℃)；T1為出口溫度(單位:℃)；k為水的焓系數(shù)(單位:kJ/kg)；流量總和是累計流量(單位:升)。

總線的應用設計

對于RS485總線，目前大多是工業(yè)控制系統(tǒng)，RS485通信接口電路需要DC/DC電源，不僅增加了系統(tǒng)的成本，也增加了智能傳感器的功耗，無法滿足電力終端設備的供電要求。M-Bus接口電路可以從總線上獲取電能，其低功耗可以滿足終端設備的供電要求。結(jié)合M-Bus可任意分支、通信速率高的功能，最終確定M-Bus用于智能傳感器網(wǎng)絡。它可以大大簡化住宅小區(qū)和辦公樓的復雜布線，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點。

M-Bus是電表專用的總線架構(gòu)，是由主機控制，由主、從、雙線電纜連接的分層通信系統(tǒng)。不同的從機不直接交換信息，而是通過主機。M-BUS是一種新型的國際標準儀表總線，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等特點。線路連接方式采用雙絞線，連接方式與拓撲和極性無關(guān)，便于管理和維護。雙絞線不僅可以實現(xiàn)300 ~ 9600 bps的半雙工異步通信，還可以同時完成信息數(shù)據(jù)通信和儀器供電。

M-Bus的主要特點:兩條無極傳輸線在供電的同時發(fā)送串行數(shù)據(jù)進行通信，每個從機(用不同的ID區(qū)分)可以并行安裝在M-Bus上。

(1)主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)。通過改變主機的端電壓發(fā)送到終端(從機)的電壓。電壓用36V脈沖序列的信號集表示邏輯“1”，用+24 V表示邏輯“0”，穩(wěn)態(tài)時線路會保持“1”狀態(tài)；

(2)從機向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。通過改變總線上的電流來傳輸信號。1.5毫安的電流值代表邏輯“1”。當“0”被發(fā)送時，電流增加到11?20毫安。在穩(wěn)定狀態(tài)下，總線保持在“1”狀態(tài)；

M-Bus的傳輸原理如圖5所示。主機使用電壓調(diào)制方法來改變總線電壓，但保持總線電流不變，從而向從機發(fā)送數(shù)據(jù)。主機發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時，輸出主驅(qū)動獲得高電壓。當主機發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”時，輸出主驅(qū)動器獲得低電壓。m總線從機通過檢測總線電壓變化識別數(shù)據(jù)“1”或“0”。因為總線上總有電壓，從機可以從總線上獲取功率，但電流消耗是恒定的。從站使用總線電流調(diào)制向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，而總線保持較高的電壓。當從機發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時，從機消耗恒定電流。當從機發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時，從機控制電流調(diào)制，增加一定的電流消耗值。主機通過電流檢測電路檢測調(diào)制電流，并輸出增益數(shù)據(jù)“1”或“0”。

如圖6所示，在該傳感器網(wǎng)絡中，通信站是主設備，各種傳感器是輔助設備。同時只有一個傳感器在工作，其他的都是閑置的。只有當變電站發(fā)送地址與傳感器匹配時，傳感器才會被調(diào)用并改變到工作狀態(tài)。

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孫大鵬，立達科技集團有限公司