CN102401705A - 单温度传感器超声波热量测量方法及其装置 - Google Patents

单温度传感器超声波热量测量方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单温度传感器超声波热量测量方法及其装置。装置包括由第一换能器、第二换能器、第一信号调理电路和第二信号调理电路组成的流量及进水温度采集电路；由一个铂电阻PT1000和第三信号调理电路组成的出水温度采集电路；以GP21为核心的高速时间及温度转换电路以及单片机。本发明采用PT1000和超声波换能器作为测量元件：利用超声波换能器测出声波的顺逆流时间，并以此算出水在管道内的流速以及此时的声速，通过声速与温度的关系得到进水水温；利用PT1000测得回水温度；最后由单片机算出热量。采用本方法测量热量，简化了热能表电路，降低了系统功耗以及生产成本。

Description

单温度传感器超声波热量测量方法及其装置
技术领域
本发明属于流体检测技术领域，涉及一种单温度传感器超声波热量测量方法及其装置。
背景技术
我国幅员辽阔，在北方冬季需要供暖，为了节约能源，减少烟尘，大部分地区采用热网集中供热。但是目前居民家还没有安装热能表，所以只能按居住面积来收费，显然这是不合理的。自动累计热量的仪器并非没有，但是其价格高昂，无法普及到每个家庭。因此，开发一款低成本实用型的热能表，具有很好的市场前景。
热能表按照基表结构和原理不同，可分为机械式（其中包括：涡轮式、孔板式、涡街式）、电磁式、超声波式等种类。其中，机械式热能表由于摩损大，使用年限短，其市场化受到一定的限制；电磁式热能表虽然精度高，但是其成本极高，而且需要外加电源，所以很少采用电磁式热能表；超声波式热能表由于其对介质要求不高，温度、压力、密度等因素对其影响不大，且成本较低，具有良好的市场前景。目前，市场上出现的超声波热能表，其结构一般为一个超声波流量计加上在进水管道和出水管道上安装的2个温度传感器，为了进一步降低成本，提高市场竞争力，本发明在不降低测量准确度的基础上，采用一个温度传感器实现热量的测量，该方法简化了装置结构，降低了生产成本，并降低了系统功耗，提高了产品的性价比。
发明内容
本发明的目的是提供一种单温度传感器超声波热量测量方法及其装置，以降低超声热能表的成本和功耗。
单温度传感器超声波热量测量方法，首先采用一对超声波换能器测得超声波在管道内的顺流时间t1和逆流时间t2：
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE002
       
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE004
      (1)
其中，t1为顺流时间，t2为逆流时间，C为超声波在静水中的流速，V为管道内水流速，L为两个超声波换能器之间的距离，θ为声程与管道轴线的夹角，由式(1)消去C得到水流速：
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE006
                 (2)
由式(1)消去V得到此时超声波的速度：
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE008
                  (3)
由声学知识，对于盐度为0的纯水，声速与温度的关系式：
                  (4)
其中，为水温，C0为T=0℃时的声速，Vt=0.00707为常数，那么由式(4)可以得到此时的水温T1：
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE014
                 (5)
将式(3)带入式(5)得到：
  
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE018
          (6)
此温度即是该热能表装置的进水温度；
然后由铂电阻PT1000测得回水温度T2，那么，供热系统释放的热量Q：
Figure 2011103643926100002DEST_PATH_IMAGE020
                (7)
其中，ρ为水的密度，c为水的比热容，ΔT= T1-T2为温差，t为水流时间。
单温度传感器超声波热量测量方法的装置，包括第一换能器，第二换能器，铂电阻PT1000，第一信号调理电路，第二信号调理电路，第三信号调理电路，第一驱动电路，第二驱动电路，高速时间及温度转换电路，单片机；第一换能器和第二换能器的输出信号分别经过第一信号调理电路和第二信号调理电路后，与高速时间及温度转换电路连接；第一换能器和第二换能器的输入端分别与第一驱动电路和第二驱动电路的一端连接；第一驱动电路和第二驱动电路的另一端分别与高速时间及温度转换电路连接；铂电阻PT1000的输出信号经过第三信号调理电路然后与高速时间及温度转换电路连接；高速时间及温度转换电路与单片机连接。
所述的第一换能器和第二换能器分别安装在供水管道上，铂电阻PT1000设置在回水管道上。
第一信号调理电路及第二信号调理电路均采用TLV3502芯片和SN74LVC1G02芯片。第三信号调理电路采用NC7S14芯片。高速时间及温度转换电路采用GP21芯片。单片机采用MSP430F437芯片。
本发明的有益效果在于：
本发明利用超声波的传播速度与温度的对应关系，通过安装在进水管道的一对超声波换能器，测得进水管道内水的流速和进水温度，利用安装在回水管道的温度传感器PT1000测得回水温度，最后积算出供热系统释放的热量。与传统的超声热能表相比，本发明减少了一个温度传感器，简化了结构，降低了生产成本。通过实验研究，本装置精度可达2%。
附图说明
图1是单温度传感器超声波热量测量装置系统结构图；
图2是超声波换能器在管道上得安装示意图；
图3是单温度传感器超声波热量测量装置一种具体电路实例。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，单温度传感器超声波热量测量方法的装置，包括由第一换能器、第二换能器、第一驱动电路、第二驱动电路、第一信号调理电路和第二信号调理电路组成的流量及入水温度测量模块；PT1000和第三信号调理电路组成的回水温度测量模块；高速时间及温度转换电路和单片机。第一换能器分别与第一驱动电路的一端和第一信号调理电路的一端连接，第一驱动电路的另一端和第一信号调理电路的另一端分别与高速时间及温度转换电路的fire1脚和stop1脚连接；第二换能器分别与第二驱动电路的一端和第二信号调理电路的一端连接，第二驱动电路的另一端和第二信号调理电路的另一端分别与高速时间及温度转换电路的fire2脚和stop2脚连接；PT1000与第三信号调理电路连接，然后与高速时间及温度转换电路连接；高速时间及温度转换电路与单片机连接。
图2是超声波换能器在管道上的安装示意图，一对超声波换能器对称的安装在过管道直径的连线上，声程与管道轴线的夹角θ一般取40°。
图3是单温度传感器热量测量装置一种具体电路实例，图例中，高速时间及温度转换电路采用了一块TDC-GP21芯片，第一驱动电路和第二驱动电路仅采用了330Ω的电阻R1和 R2，第一信号调理电路和第二信号调理电路都采用了芯片TLV3052和SN74LVC1G02，第三信号调理电路采用芯片NC7S14，单片机采用MSP430F437。第一换能器的一端和第二换能器的一端和地连接，第一换能器的另一端和R1的一端及C1的一端连接，第二换能器的另一端和R2的一端及C2的一端连接，R1的另一端和GP21的fire1脚连接，R2的另一端和GP21的fire2脚连接，C1的另一端和第一信号调理电路的TLV3052的2脚和3脚连接，TLV3052的第1脚接3V电压源，第4脚接1V电压源，第5脚接地，第8脚接VCC，第6脚和第7脚分别和芯片SN74LVC1G02的第1脚和第2脚连接，SN74LVC1G02的第3脚接地，第5脚接3V电压，第4脚和GP21的stop1脚连接，C2的另一端和第二信号调理电路的TLV3052的2脚和3脚连接，第二信号调理电路的其它部分连接和第一信号调理电路类似，除了SN74LVC1G02的第4脚，即信号输出脚与GP21的stop2连接。PT1000的一端和GP21的pt1脚连接，另一端与芯片NC7S14的第1脚连接，NC7S14的第3脚接地，第5脚接VCC，第4脚分别与GP21的LOADT脚、SENSET脚以及电容C5的一端连接，C5的另一端接地。GP21的SSN脚、SCK脚、SI脚以及SO脚分别与单片机MSP430F435的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7脚连接，实现单片机与测量模块的通讯。GP21的xin脚和xout脚和电阻R3的两端连接，R3的两端和4M陶瓷晶振的两端连接，晶振的两端分别接10pF的电容C3和C4，C3和C4的公共端接地，此为GP21的起振电路。
工作原理如下：
首先单片机控制GP21的fire1脚发射驱动信号，同时GP21开始计时，第一换能器受到驱动发射超声波，第二换能器接收该超声波信号并将其转换成电压信号，经过电容C2和TLV3052和SN74LVC1G02组成的窗口比较器滤去噪声，然后该信号送给GP21的stop2脚，GP21停止计时，测得到逆流时间t2，同理可测得到顺流时间t1，那么由式(2)、(6)所示的公式，得到管道内水流速V和进水温度T1。
然后利用PT1000测得回水温度T2，最后按照式(7)积算出供热系统释放的热量Q：
Figure 773859DEST_PATH_IMAGE020
                (7)
其中，ρ为水的密度，c为水的比热容，V为水流速，ΔT=T1-T2为温差，t为水流时间。

Claims (6)

1.单温度传感器超声波热量测量方法，其特征在于：首先采用一对超声波换能器测得超声波在管道内的顺流时间t1和逆流时间t2，
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE002
       
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE004
      (1)
其中，t1为顺流时间，t2为逆流时间，C为超声波在静水中的流速，V为管道内水流速，L为两个超声波换能器之间的距离，θ为声程与管道轴线的夹角，由式(1)消去C得到水流速：
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE006
                 (2)
由式(1)消去V得到此时超声波的速度：
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE008
                  (3)
由声学知识，对于盐度为0的纯水，声速与温度的关系式：
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE010
                  (4)
其中，
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE012
为水温，C0为=0℃时的声速，Vt=0.00707为常数，那么由式(4)可以得到此时的水温T1：
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE014
                 (5)
将式(3)带入式(5)得到：
    
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2011103643926100001DEST_PATH_IMAGE018
          (6)
此温度即是该热能表装置的进水温度；
然后由铂电阻PT1000测得回水温度T2，那么，供热系统释放的热量Q：
                (7)
其中，ρ为水的密度，c为水的比热容，ΔT= T1-T2为温差，t为水流时间。
2.实现权利要求1所述的单温度传感器超声波热量测量方法的装置，其特征在于：它包括第一换能器，第二换能器，铂电阻PT1000，第一信号调理电路，第二信号调理电路，第三信号调理电路，第一驱动电路，第二驱动电路，高速时间及温度转换电路，单片机；第一换能器和第二换能器的输出信号分别经过第一信号调理电路和第二信号调理电路后，与高速时间及温度转换电路连接；第一换能器和第二换能器的输入端分别与第一驱动电路和第二驱动电路的一端连接；第一驱动电路和第二驱动电路的另一端分别与高速时间及温度转换电路连接；铂电阻PT1000的输出信号经过第三信号调理电路然后与高速时间及温度转换电路连接；高速时间及温度转换电路与单片机连接；
所述的第一换能器和第二换能器分别安装在供水管道上，铂电阻PT1000设置在回水管道上。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：第一信号调理电路及第二信号调理电路均采用TLV3502芯片和SN74LVC1G02芯片。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：第三信号调理电路采用NC7S14芯片。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：高速时间及温度转换电路采用GP21芯片。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：单片机采用MSP430F437芯片。
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