CN203705093U - 一种供暖管道流体热量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种供暖管道流体热量测量装置，涉及供暖管道。提供低功率、高精度、寿命长、低成本的一种供暖管道流体热量测量装置。设有单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏、按键和电源；所述一对超声波换能器分别安装在管道的上游和下游，一对温度传感器分别安装在热水管道和冷水管道，一对时间-数字转换器分别与超声波换能器、温度传感器和单片机连接，显示屏的输入端与单片机的输出端口连接，按键的输出端与单片机的输入端口连接，单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏分别与电源电连接。

Description

一种供暖管道流体热量测量装置

技术领域

本实用新型涉及供暖管道，尤其是涉及一种供暖管道流体热量测量装置。

背景技术

目前，国内使用的热量表大多为机械叶轮式和电磁式热量表。可是，这两种热量表都存在较大的缺陷。对于机械叶轮式热量表，虽然其成本较低，但是由于供热管中存在较多的杂质，容易造成阻碍，且对外界环境敏感，使用寿命短；电磁式热量表对水质要求很高，而热水中带有很多金属杂质，会吸附在磁头上，导致测量不准确，同时结构复杂，成本较高，功耗也较大。

超声波热量表是在超声波流量表的基础上发展而来的新型热量表，它克服了原有机械叶轮表和电磁表受水质影响严重和使用寿命短的缺点，具有精度高、寿命长、功耗低、受水质影响低等特点。

超声波热量表是基于超声波流量表，而超声波流量表的测量原理有时差法和多普勒原理等几种。图1给出典型时差式超声波流量表的测量原理，箭头X表示流体的流动方向，位于上游的超声波换能器1与位于下游的超声波换能器2相隔距离L。

为进行下游流速测量，上游换能器1以相对于流量方向X的角度θ向下游换能器2发射下游超声波信号，测量出该信号到达下游换能器2的传播时间t_d。同样，为进行上游流速测量，下游换能器2也以相对于流量方向X的角度θ向上游换能器1发射上游超声波信号，测量出该信号到达上游换能器1的传播时间t_u。传播时间由下式所得：

$t_u=\frac{L}{c+\mathrm{vos\θ}}---\left(1\right)$

$t_d=\frac{L}{c-v\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中c为超声波在流体中的传播速度，v为流体的流速。于是，由下式可得传播时间之差Δt：

$\mathrm{\Δt}=t_u-t_d=\frac{2\mathrm{vL}\cos \mathrm{\θ}}{c^2-v^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

因为超声波传播速度远大于流体的流速（即v<<c），所以上式近似于：

$\mathrm{\&Delta;t}\&ap;\frac{2\mathrm{vL}\cos \mathrm{\&theta;}}{c^2}\&DoubleRightArrow;v\&ap;\frac{c^2\mathrm{\&Delta;t}}{2L\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(4\right)$

求出v后，进而可由下式求得瞬时流量q：

$q=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}{\mathrm{KD}}^{2}v---\left(5\right)$

式中，D为管道直径，K为流量修正系数。为计算热量，还需流体的温度值，而对于铂电阻温度传感器，通过测量铂电阻的阻值就可以利用以下公式求得相应的温度值：

R_t＝R₀*(1+At+Bt²)            （6）

式中，R_t为温度是t时的电阻阻值，R₀为温度为0℃时的标称电阻阻值，t为温度（℃），A＝3.9083*10^-3℃^-1，B＝-5.775*10^-7℃^-2。目前，国内热量表普遍使用的热量计算方法是焓差法，其基本公式如下：

$Q={\&Integral;}_0^t{q}_m\mathrm{\&Delta;hdt}={\&Integral;}_0^t{\mathrm{\&rho;q}}_v\mathrm{\&Delta;hdt}---\left(7\right)$

式中，Q为释放或吸收的热量（J），q_m为管道中流体的瞬时质量流量（kg/h），q_v为管道中流体的瞬时体积流量（m³/h），ρ为流体的密度（kg/m³），Δh为在热交换系统的入口和出口温度下流体的焓值差（J/kg），t为时间（h）。

发明内容

本实用新型的目的是提供低功率、高精度、寿命长、低成本的一种供暖管道流体热量测量装置。

本实用新型设有单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏、按键和电源；所述一对超声波换能器分别安装在管道的上游和下游，一对温度传感器分别安装在热水管道和冷水管道，一对时间-数字转换器分别与超声波换能器、温度传感器和单片机连接，显示屏的输入端与单片机的输出端口连接，按键的输出端与单片机的输入端口连接，单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏分别与电源电连接。

所述单片机可采用MC9S08LL64型单片机，时间-数字转换器可采用TDC-GP22型时间-数字转换器，超声波换能器可采用1MHz超声波换能器，温度传感器可采用PT1000型铂电阻温度传感器，显示屏可采用液晶显示屏，电源可采用3V电池。

与现有技术相比，由于本实用新型在保证测量精度的情况下，所需电子元器件较少，降低了成本，且各芯片功耗较低，可以大大减少超声波热量表的功耗并延长其使用寿命。本实用新型最大的优势在于，它可以配套于不同管径和结构的管道，使其适用性大大增强。

附图说明

图1为典型的超声波流速测量的时差法原理图。

图2为本实用新型实施例的电路组成框图。

图3为本实用新型实施例的单片机外围电路图。

图4为本实用新型实施例的时间-数字转换器外围电路图。

具体实施方式

参见图2，本实用新型实施例设有单片机21、一对时间-数字转换器22、一对超声波换能器23、一对温度传感器24、显示屏25、按键26和电源（在图2中未画出）；所述一对超声波换能器23分别安装在管道的上游和下游，一对温度传感器24分别安装在热水管道和冷水管道，一对时间-数字转换器22分别与超声波换能器23、温度传感器24和单片机21连接，显示屏25的输入端与单片机21的输出端口连接，按键26的输出端与单片机21的输入端口连接，单片机21、一对时间-数字转换器22、一对超声波换能器23、一对温度传感器24、显示屏25分别与电源电连接。

所述单片机21可采用MC9S08LL64型单片机，时间-数字转换器22可采用TDC-GP22型时间-数字转换器，超声波换能器可采用1MHz超声波换能器，温度传感器可采用PT1000型铂电阻温度传感器，显示屏可采用液晶显示屏，电源可采用3V电池。

单片机MC9S08LL64为本实用新型的“大脑”，由它通过SPI通信模块定时向TDC-GP22型时间-数字转换器发送流速测量指令，从而令时间-数字转换器发送1MHz脉冲给上游或下游超声波换能器，并将超声波换能器接收端所接收到的模拟信号转换为数字信号。接着，时间-数字转换器就测量出了超声波的上游和下游传播时间并储存在芯片中，待测量结束后，单片机再发送指令读取测量结果。同样，单片机也会定时向时间-数字转换器发送温度测量指令，时间-数字转换器就会使热水铂电阻、冷水铂电阻以及1K阻值的参考电阻先后对同一电容放电，接着测量出各自的放电时间并储存，等待单片机的读取。随后，单片机将测量结果根据公式进行计算，得出流体的瞬时流速、瞬时流量、瞬时温度、累计流量以及累计热量等数据。由于本实用新型所选用的单片机MC9S08LL64带有LCD驱动功能，所以利用该功能将计算所得数据显示在液晶显示屏上。根据不同需求，可以通过按键控制液晶显示屏上所显示的数据内容。比如，默认显示数据为累计热量，接下来每按一次按键，就可以使其分别显示累计流量、瞬时流量、瞬时流速以及瞬时温度等数据。同时，通过按键还可以改变单片机中存储的管道参数，如管径和上、下游超声波换能器之间的相隔距离，这样便可令本实用新型适用于不同管径和结构的管道。

图3中的BDM接口为单片机MC9S08LL64与PC机编程软件的通信接口，可下载程序至单片机，也可在线调试单片机的性能。

单片机MC9S08LL64通过TPM定时模块，每隔0.5s令TDC-GP22型时间-数字转换器进行一次流速测量，该指令会通过图3中的SPI通信引脚SSN、SPSCK、MOSI和MISO发送给TDC-GP22型时间-数字转换器。在一次流速测量的过程中，TDC-GP22型时间-数字转换器会首先接收到单片机发出的高速时钟校准指令。进行高速时钟校准的原因是高速时钟振荡器都有误差，且易有温漂，因此需要高速时钟校准来补偿这些缺点。其校准原理是以精确的32.768kHz时钟为基准，从中引出Start/Stop脉冲，并启动TDC-GP22型时间-数字转换器内部的TDC单元测量此频率误差并储存，随后供单片机读取并计算。在进行完高速时钟校准后，单片机MC9S08LL6会向TDC-GP22型时间-数字转换器发送流速测量指令。接收到指令后，TDC-GP22型时间-数字转换器会进行以下操作：

1.图4中的4MHz振荡器被开启，TDC-GP22型时间-数字转换器会等待一段延迟直到振荡器达到满振幅。

2.TDC-GP22型时间-数字转换器内部的比较器，参考电压以及模拟开关将会被供电。

3.发射信号通道(stop1)的电容C18将会被连接到GND。

4.下游Fire发射缓冲(FIRE_DOWN)也会连接到GND。

5.接收信号通道(stop2)的电容C19将会被充电。

6.模拟开关将选择stop2输入作为比较器端的输入。

7.FIRE_UP选择输入到TDC-GP22型时间-数字转换器的TDC单元的START信号。

8.10个Fire脉冲将会在管脚FIRE_UP发送。

9.模拟信号通过stop2将会传输到比较器，从而转换成一个数字信号给到连接TDC-GP22型时间-数字转换器的TDC单元的stop输入端。

10.TDC-GP22型时间-数字转换器延迟39us后，这个时候TDC-GP22型时间-数字转换器的TDC单元将会准备开始测量。

11.在测量的最后，控制单元将会关闭比较器，以及模拟开关和4Mhz晶振，电流则会被降低到接近0值。

12.控制单元会等待一个周期，单片机利用这个周期将测量的数据读出。

以上这个测量过程会执行两遍，分别测量上游和下游的超声波传播时间。单片机读取完这两次的测量数据后，就根据公式（1）～（5）计算出管道中流体的瞬时流速、瞬时流量和累积流量。

同时，单片机MC9S08LL64也会通过TPM定时模块，每隔30秒向TDC-GP22型时间-数字转换器发送一次温度测量指令。TDC-GP22型时间-数字转换器内部有一个PICOSTRAIN基础的温度测量单元，其测量是基于电容对电阻的放电时间的。如图4所示，在接收到指令后，TDC-GP22型时间-数字转换器会使电容C17先后对参考电阻R7和铂电阻温度传感器P5、P6放电。TDC-GP22型时间-数字转换器会以PT1～PT4的顺序依次测量各个端口的电容对相应电阻的放电时间，其中PT1测量的是冷水铂电阻，PT2测量的是热水铂电阻，而PT3和PT4测量的都是参考电阻C17。测得的4个数据都会存储在TDC-GP22型时间-数字转换器的结果寄存器中，等待单片机的读取。随后，单片机就根据测量数据分别计算出热水铂电阻和冷水铂电阻的阻值，接着，根据公式（6）计算出热水温度和冷水温度。于是，也就得到了瞬时温度。计算出温度后，就通过查表得到流体在热水温度和冷水温度下的焓值，然后根据公式（7）计算出累计热量。

如图3所示，由于单片机MC9S08LL64自身带有LCD驱动功能，所以单片机可以不借助其它驱动芯片而直接与液晶显示屏的引脚LCD1～LCD30连接，从而单片机就可以让实时数据动态地显示在液晶显示屏上。此外，在图3中，单片机的引脚KBIP0～KBIP3分别与按键S1～S3连接，其中按键S1用来选择显示的内容。按键S2用来选择要修改的参数，如管道内径D和超声波换能器的间距L。按键S3和S4都是用来修改参数，分别进行参数的加和减。每按下其中任何一个按键，都会引发相应引脚的一次电平跳变，从而触发单片机内部的键盘中断来产生所需的效果。

此外，TDC-GP22型时间-数字转换器自带的第一波检测功能不仅可以提高测量的精确度和稳定性，它在进行流速测量时，还会测量超声波在管道中的信号强度。TDC-GP22型时间-数字转换器会测量出第一个振幅达到20mV的脉冲宽度和实际测量的第一个脉冲宽度，并计算出二者的比值，该比值可以被单片机读取。若该比值低于0.3，则说明超声波信号太弱，其原因可能是超声波换能器的探头上有沉淀物或管道内流量过少。此时，如图3所示，单片机会点亮发光二极管LED2，提醒测量管道需检查。

Claims (7)

1.一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于设有单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏、按键和电源；所述一对超声波换能器分别安装在管道的上游和下游，一对温度传感器分别安装在热水管道和冷水管道，一对时间-数字转换器分别与超声波换能器、温度传感器和单片机连接，显示屏的输入端与单片机的输出端口连接，按键的输出端与单片机的输入端口连接，单片机、一对时间-数字转换器、一对超声波换能器、一对温度传感器、显示屏分别与电源电连接。

2.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述单片机采用MC9S08LL64型单片机。

3.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述时间-数字转换器采用TDC-GP22型时间-数字转换器。

4.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述超声波换能器采用1MHz超声波换能器。

5.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述温度传感器采用PT1000型铂电阻温度传感器。

6.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述显示屏采用液晶显示屏。

7.如权利要求1所述一种供暖管道流体热量测量装置，其特征在于所述电源采用3V电池。