CN201540267U - 墙体热阻现场测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及墙体热阻现场测量仪，属于物理量测量技术领域，该测量仪包括：温度测头和热流传感器的输出端与转换电路的输入端相连，转换电路的输出端与放大器的输入端相连；第一电源控制模块分别与转换电路、放大器、电压基准模块、外部存储器相连；第二电源控制模块输出端连接无线通讯模块输入端；微处理器分别与放大器、电压基准模块、外部存储器、无线通讯模块、按键、第一和第二电源控制模块、液晶显示模块、USB转RS232模块13和外部晶振15相连；电池分别与第一和第二电源控制模块、按键及微处理器相连。本实用新型具有通讯速率高、可靠性好，电能消耗低，安装及测量成本低、无需人工读取数据，测量误差和人为测量误差低等优点。

Description

墙体热阻现场测量仪

技术领域

本实用新型属于物理量测量技术领域，特别涉及一种电池供电的智能化微型无线测量仪器的设计。

背景技术

已有墙体热阻现场测量仪包括室内机和室外机，室外机和室内机通过物理连线进行通讯。这要求实际的现场环境必须有条件安装室内机和室外机，如果之间没有空间走线，那么测试将无法完成，这大大束缚了测试范围。

另一方面，墙体热阻测量仪需要对墙体表面热流及温度进行一段连续时期监测，在不影响通讯前提下省电是此类技术的关键。由于数据需要通过微机读取，但在没有连接USB时，也需要使整机省电。而现有技术中墙体热阻测量仪均采用单时钟系统时钟，而采用单时钟系统的缺点是墙体热阻测量仪只有一种或两种工作模式，一旦开始工作，控制系统CPU和大多数元件都在运行，实际上也浪费了不少电源，达不到省电的目的。

现有技术中墙体热阻测量仪另一种实施方案是将被测墙体材料的一部分放入仪器设备进行检测。对于实际建筑墙体来说，必须对墙体进行有破坏的取样是不现实的；另外实际的墙体材料可能会是几种材料的复合材料，致使现有检测方式受到制约，不能满足实际需要。对于实际的围护结构，非破坏测量是必要的。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种墙体热阻现场测量仪，具有通讯速率高、可靠性好，电能消耗低，安装及测量成本低、无需人工读取数据，测量误差和人为测量误差低等优点。

为了达到上述的目的，本实用新型的技术方案以如下方式实现：一种墙体热阻现场测量仪，其特征在于，它包括温度测头、热流传感器、转换电路、放大器、电池、第一和第二电源控制模块、电压基准模块、外部存储器、无线通讯模块、按键、液晶显示模块、USB转RS232模块、微处理器和外部晶振；其中，温度测头和热流传感器的输出端与转换电路的输入端相连，转换电路的输出端与放大器的输入端相连；第一电源控制模块分别与转换电路、放大器、电压基准模块、外部存储器相连；第二电源控制模块输出端连接无线通讯模块输入端；微处理器分别与放大器、电压基准模块、外部存储器、无线通讯模块、按键、第一和第二电源控制模块、液晶显示模块、USB转RS232模块13和外部晶振15相连；电池分别与第一和第二电源控制模块、按键及微处理器相连。

所述微处理器中含有：中央处理单元CPU，以及分别与中央处理单元相连的转换器ADC、接口I/O、内部随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、电源管理、液晶驱动电路及串行异步通讯SCI以及可控制时钟低速或高速运行的时钟控制电路。

本实用新型的特点及效果：

本实用新型的热流传感器及温度测头感受热流及温度后，经转换电路转换成电压信号，再经放大器对电压进行幅度放大，然后进入到微处理器内的ADC中进行AD变换，变换的结果保存到外部存储器中并通过一定算法对数据的合理性做分析，不合理的数据将被删除。

同现有技术相比，本实用新型不仅减少了电池的电能消耗，提高了通讯速率。而且还提高了通讯的可靠性。从实际测量来看，仪表没有冗长的连线，数据通讯使用无线完成，这大大降低了安装及测量成本。墙体热阻现场测量仪无需人工读取数据，所有记录工作全部由微处理器完成，这样减小了测量误差和人为测量误差，有广泛的使用价值及广阔的市场前景。

本测量仪表能节省大量的人工监测时间，而且还可以应用到目前人工无法监测的危险场合以及空间有限的场合，同时可有效地降低人为操作带来的测量误差。广泛地应用于墙体保温性能测试、供暖效果测试、墙体节能性能分析、维护结构热阻测试等各种需要测量热阻的场合，也可以单独测量记录热流及温度变化的场合。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构框图。

图2是本实用新型的电源控制模块6电路实施例组成图。

图3是本实用新型的温度测量电路实施例组成图。

图4是本实用新型的热流测量电路实施例组成图。

图5是本实用新型的电压基准模块电路实施例组成图。

图6是本实用新型的外部存储器电路实施例组成图。

图7是本实用新型的电源控制模块7和无线模块电路实施例组成图。

图8是本实用新型的按键电路实施例组成图。

图9是本实用新型的液晶显示模块电路实施例组成图。

图10是本实用新型的USB转RS232模块电路实施例组成图。

图11是本实用新型的外部晶振电路实施例组成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步描述。

本实用新型设计的墙体热阻现场测量仪如图1所示，包括温度测头1、热流传感器2、转换电路3、放大器4、电池5、电源控制模块6和7、电压基准模块8、外部存储器9、无线通讯模块10、按键11、液晶显示模块12、USB转RS232模块13、微处理器14和外部晶振15；其中，温度测头1和热流传感器2的输出端与转换电路3的输入端相连，转换电路的输出端与放大器4的输入端相连，电源控制模块6分别与转换电路3、放大器4、电压基准模块8、外部存储器9相连，电源控制模块7输出端连接无线通讯模块10输入端，微处理器14分别与放大器4、电压基准模块8、外部存储器9、无线通讯模块10、按键11、电源控制模块6、7、液晶显示模块12、USB转RS232模块13和外部晶振15相连，电池5分别与电源控制模块6和7，按键11及微处理器14相连。

所述微处理器14中含有：中央处理单元CPU，以及分别与中央处理单元相连的转换器ADC(也可以是设在微处理器(14)外的独立芯片)、接口I/O、内部随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、电源管理、液晶驱动电路及串行异步通讯SCI(也可以使用软件UART)。另外，微处理器14中还设有与中央处理器相连的可控制时钟低速或高速运行的时钟控制电路。

本实用新型的工作过程：

温度测头1感受温度后，热流传感器2感受热流后，经转换电路3转换成电压，再经放大器4对电压进行幅度放大，然后进入到微处理器14的转换器ADC中进行AD变换，变换的结果输入到外部存储器9中保存。转换电路3和放大器4是由受微处理器14控制的电源控制模块6间歇供电。电源控制模块6同时还为电压基准模块供电，使微处理器得到基准电压参考。外部存储器9的供电也是由电源控制模块6提供的。这一过程采用间歇工作方式，可降低仪表功耗。微处理器14、电源控制模块6和7、按键11均是由电池5供电的。这时微处理器14控制电源控制模块7为无线通讯模块10供电。供电后，微处理器14可通过内部的接口I/O控制无线模块进行无线通讯。当用户在测量过程中需要实时查看相关测量数据时，可以通过按键11告知微处理器14，微处理器14通过液晶显示模块12的数据更新告知用户相关参数信息。当一次间歇测量完成后，除保存数据以外，微处理器14通过内部的液晶驱动定期更新液晶显示模块12。在测量过程中，每一次间隔采样微处理器都会对数据做分析，如果数据是完全不可能出现的情况，则认为采集过程中遇到干扰，并紧接着进行一次新的采集，以更新采集数据。这一过程需要对各种环境下的温度及热流做记录，并将此数据作为历史数据供每一次测量参考，以达到智能分析的目的。

在测量完成之后，用户可使用本仪器的USB转RS232模块13与微机USB口相连，这时微机通过USB接口与微处理器14的硬件SCI通讯，可以将测量数据上传给计算机。为了降低功耗。在间歇采集和微机通讯时使用高速时钟，在平常使用低速时钟，这样做可以进一步降低功耗。

本实用新型实际使用时可采用设置在室内和室外的两台墙体热阻现场测量仪设备，室内机测量墙体内侧的温度及热流信号，室外机只测量墙体外侧温度信号。室内机与室外机之间通过无线传输数据。所述的无线传输应符合国家相关规定的民用频段，可以是任何形式的无线传输。室内机无线接收的频率较高，室外机无线发射的频率较低。这样可以有效降低功耗的同时保证不丢失室外机发出的数据。对于室内机而言，需要定期与室外机通讯，室外机将自己测量到的室外墙体表面温度告知室内机。室内机保存这些测量数据，并对测试数据做分析，将不合理的测量值删除。在测量完毕后，将数据通过USB导入计算机，供专业人员分析使用。

本实用新型的各部件的具体实现电路及功能分别说明如下：

本实用新型的电源控制模块6实现电路如图2所示，由晶体管T1和电阻R1组成，其中电阻R1一端与微处理器相连，另一端与晶体管T1的基极相连，晶体管T1的发射极与电池正极相连，晶体管T1的集电极与相应其它模块相连。电源控制模块是受微处理器控制的，当需要给其他电路模块供电时，微处理使T1导通便可以为其他电路模块供电。其中T2的型号是8550。

本实用新型由温度测头1、转换电路3、放大器4组成温度测量单元，其实现电路如图3所示，由放大器A1、温敏电阻RT及电阻R5-R11组成，其中RT、R5-R9组成测量电桥，R10和R11与放大器A1形成负反馈电路，RT为温度测头。测量电桥输出端连接放大器A1输入端，放大器A1的供电由图2所示的电源控制模块提供，放大器的输出连接微处理器的ADC模块。经过ADC模块转换后，温度信号转换成数字信号，存入内部存储器。本实施例的放大器A1型号为OPA336，RT采用温敏电阻，型号为PT1000。温度测头在实际安装时应安装在墙体表面并保持紧密接触。

本实用新型热流传感器2、转换电路3、放大器4组成热流测量单元，其实现电路如图4所示，由放大器A2、电阻R13-R15和热流传感器Q1组成，其中R12-R14一端分别与热流传感器相连，R12、R13的另一端分别与放大器A2的正负输入端相连，电阻R15与放大器A2组成负反馈电路。放大器A2的供电由图2所示的电源控制模块提供。放大器A2的输出连接微处理器的ADC模块。经过ADC模块转换后，热流信号转换成数字信号，存入内部存储器。本实施例的放大器型号为OPA336；热流传感器是由多个热电偶串联组成的热电偶堆。热流传感器在实际安装时应安装在墙体表面并保持紧密接触。

本实用新型的电压基准模块电路的实现电路如图5所示，由稳压二极管W1和电阻R4组成，其中稳压二极管W1的一端与电阻R4相连，一端直接接地。电阻R4的一端由图2所示电路提供电源。在测量温度及热流后，电压基准模块为测量数据提供参考电压。本实施例的稳压二极管W1的型号为LM4041-1。

本实用新型的外部存储器的实现电路如图6所示，由非易失性存储器EEPROM、电阻R2和R3组成，其中EEPROM的通讯端分别由R2和R3上拉到电源，同时通讯端直接连接微处理器的I/O模块。R2、R3和EEPROM由图2所示电路提供电源。在测量温度及热流后，将测量数据通过通讯端依次存入EEPROM中，实现自动记录功能。本实施例的EEPROM的型号为AT24C256或者采用FLASH或者其他存储类芯片替代EEPROM。

本实用新型的另一个电源控制模块7和无线模块的实现电路如图7所示，电源控制模块7由电阻R16和晶体管T2组成，其中电阻R16一端与微处理器相连，另一端与晶体管T2的基极相连，晶体管T2的发射极与电池正极相连，晶体管T2的集电极连接无线模块，无线模块其他引脚与微处理器的I/O模块相连(无线传输模块可以是设在微处理14内部的无线模块)。当无线模块需要通讯时，微处理器可控制T2导通并为无限模块供电，同时微控制器的I/O模块与无线模块完成无线通讯的功能。本实施例的无线模块的芯片是CC1100，晶体管T2的型号是8550。

本实用新型的按键实现电路如图8所示，由按键K1和电阻R17组成，其中按键K1的一端与电池正极连接，另一端连接电阻R17一端，电阻R17另一端接地。按键K1和R17的公共端连接微处理器I/O模块。微处理定时扫描电平变化以达到感知按键是否按下的目的。本实施例的按键采用常规产品。

本实用新型的液晶显示模块实现电路如图9所示，此液晶模块只有液晶本身，液晶直接与微处理器内部的液晶驱动电路相连，微处理器内部的液晶驱动电路直接控制液晶显示，当仪表处于不同模式下时，液晶显示信息相应得到更新。本实施例的液晶的型号是TS1872-3。

本实用新型的USB转RS232模块实现电路如图10所示，由USB插座和USB转RS232电路组成，其中USB插座与USB转RS232电路相连，USB转RS232电路直接与微控制器内部的硬件串行异步通讯SCI相连。本实施例的USB转RS232电路其核心芯片为CP2102。

本实用新型的外部晶振实现电路如图11所示，外部晶振X1两个引脚直接与微控制器相连。为微处理器内部的高速时钟和低速时钟提供参考，微处理器内部的低速时钟只作为计时使用，高速时钟通过微处理器MCU内部的高速时钟倍频得来。在处理量较大时，微控制器的时钟控制电路控制高速时钟提高处理速度完成相应的数据处理。

本实施例的微处理器的型号为MSP430F413，其内部含有：中央处理单元CPU、转换器ADC、接口I/O、内部随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、电源管理、液晶驱动电路及串行异步通讯SCI及时钟控制电路。

所述微处理器中的CPU通过控制时钟控制电路可控制时钟低速或高速运行。所述热流传感器及温度测头感受热流及温度后，转换成电压信号并进行幅度放大，进入到微处理器内的ADC中进行AD变换，将变换的结果保存到外部存储器中并对保存的数据的合理性做分析，不合理的数据被删除。微处理器控制的电源控制模块对转换电路、放大器、外部存储器及无线通讯模块间歇供电，这样做可有效降低系统功耗。USB转RS232模块与微处理器的硬件串行异步通讯SCI相接，当计算机通过USB接口连接仪表时，计算机可通过USB口与微处理器进行数据传输。

微处理内部是有高速和低速两个时钟，它可在处理数据和与微机通讯时使用高速时钟，使通讯速率提高。而在大多数情况下使用低速时钟，甚至使各时钟停止振荡，使整个系统的功耗最低。这样就很好地解决了处理速度与功耗之间的矛盾。另外，与微机通讯时使用硬件串行异步通讯SCI，这样可以减轻程序的运行负担并进一步降低功耗。再有，本实用新型的墙体热阻现场测量仪输出数据时，本测量仪可以通过USB接口从微机取电，不但节省了电池的能耗，同时可以保证通讯可靠进行。微处理器内部的液晶驱动为液晶提供偏置电压驱动。

微处理器内的接口I/O可以通过程序控制电平高低并完成相应模块的控制。也可以根据模块提供的电平来告知微处理器外部模块的相应状态。微处理器的内部随机存取存储器RAM是暂存数据时使用。微处理器内的只读存储器ROM用来存储运行程序。

本实施例的微处理器由电池直接供电的。当需要测量时，微处理器打开晶体管T1，这时图3、图4、图5和图6的电路全部得电，微处理器对温度、热流、基准电压信号进行测量并处理，微处理器处理后，再存入外部存储器。当需要无线通讯时可以控制晶体管T2导通，这时无线模块启动工作。

对于按键来说，当键未被按下时，电池供电切断，这样也直接降低了待机功耗。液晶显示LCD是由微处理器内部的液晶驱动直接驱动。液晶驱动可以省去许多重复性的处理指令，大大降低了系统待机功耗。当用户将仪表连接计算机时，图10所示电路开始工作实现数据通讯。

从工作时间上来计算，如果按1秒钟计时一次，五分钟测量一次的工作模式，可以得到如下的一些功耗指标。每一秒钟计算的瞬间，只占1毫秒左右。剩下的时间系统待机休眠达到超低功耗。而每五分钟测量一次的时间也只有5毫秒左右。这样计算，计时所用功耗和完全连续工作比较，省电百分之99％。测量所用功耗和完全连续工作比较省电99.99％。

在实际测量时应将两台墙体热阻现场测量仪分别放置在室内和室外，室内机的温度及热流测头紧密贴合于室内墙体表面，室外机的温度侧头紧密贴合于室外墙体表面。应保证室内机和室外机测量同一墙体的内外表面。

由于实际环境中的热流及温度在不断的变化，这对于测量墙体热阻参数来说是是不利的，只有通过一段时间周期性的测量，才能将墙体热阻这一参数从变化数据中提取出来。根据实际测量结果自动将不符合条件的数据剔除，并将有效数据做进一步的计算分析，最终得到墙体热阻这一参数。

上述本实用新型的具体实施例只是作为举例说明本实用新型的技术方案，其中各模块的实现电路以及各主要器件的型号均不能用以限定本实用新型的保护范围；例如，将微处理器14中的转换器ADC改为是设在微处理器14外的独立芯片；将与微机串行的通讯口直接使用RS232接口；外部存储器使用FLASH或其它型号；使用单片机内部放大器；温度侧头使用热敏电阻等；诸如一类的技术方案的等同替换都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种墙体热阻现场测量仪，其特征在于，该测量仪包括温度测头、热流传感器、转换电路、放大器、电池、第一和第二电源控制模块、电压基准模块、外部存储器、无线通讯模块、按键、液晶显示模块、USB转RS232模块、微处理器和外部晶振；其中，温度测头和热流传感器的输出端与转换电路的输入端相连，转换电路的输出端与放大器的输入端相连；第一电源控制模块分别与转换电路、放大器、电压基准模块、外部存储器相连；第二电源控制模块输出端连接无线通讯模块输入端；微处理器分别与放大器、电压基准模块、外部存储器、无线通讯模块、按键、第一和第二电源控制模块、液晶显示模块、USB转RS232模块和外部晶振相连；电池分别与第一和第二电源控制模块、按键、及微处理器相连。

2.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述微处理器中含有：中央处理单元CPU，以及分别与中央处理单元相连的转换器ADC、接口I/O、内部随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、电源管理、液晶驱动电路及串行异步通讯SCI以及可控制时钟低速或高速运行的时钟控制电路。

3.如权利要求2所述的测量仪，其特征在于，所述转换器ADC采用设在微处理器外的独立芯片替代。

4.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述的无线通讯模块采用设在微处理内部替代。

5.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述外部存储器采用EEPROM、FLASH。

6.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述测温头采用温敏电阻。

7.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所述热流传感器采用由多个热电偶串联组成的热电偶堆。

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