[嵌入式設(shè)計]低功耗超聲波熱量表的設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 低功耗超聲波熱量表的設(shè)計 院 別控制工程學(xué)院 專業(yè)名稱測控技術(shù)與儀器 班級學(xué)號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2012 年 6 月 15 日 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 超聲波低功耗熱量表 摘 要 超聲波熱量表可實現(xiàn)非接觸精確計量，非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道 口徑大小無關(guān)并且測量結(jié)果不受水質(zhì)影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可 解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量 測量問題，在諸如水量、熱量等計量中有著廣泛的應(yīng)用。 本文設(shè)計一種用于城鎮(zhèn)小區(qū)戶用超聲波熱量表，主控芯片采用 msp430 系列微功 耗單片機，流量偵測采用超聲波專用流量收

2、發(fā)偵測芯片 tdc-gp2 芯片，外接超聲波發(fā) 射與接收探頭，實現(xiàn)順流與逆流超聲波的收發(fā)；依據(jù)時差法通過測量時差，得出熱載 體流速；再擴展相應(yīng)的接口電路，經(jīng)由單片機，通過編程對流速度處理實現(xiàn)流量的采 集與處理。進水與回水管道加裝鉑電阻溫度傳感器，通過測量進水與回水溫度差及流 量，根據(jù) k 系數(shù)法或焓值差法計算出熱量。最后，利用 m-bus 總線實現(xiàn)熱量等數(shù)據(jù)的 收發(fā)，然后通過 lcd 將熱量顯示在屏幕上。 關(guān)鍵字：超聲波，低功耗，msp430,tdc-gp2. 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 i 頁 ultrasonic low power consumption heat meter abstract

3、 non-contact ultrasonic heat meter can achieve accurate measurement, non-contact flow measurement, instrumentation cost essentially nothing to do with the measured pipe diameter size and measurement results from water quality impacts, can be made of non-contact measuring instruments and portable, it

4、 can solve other types meters are difficult to measure corrosive, non-conductive, radioactive and explosive media flow measurement problems, such as water, heat, etc. has been widely used in the measurement. this design method for urban residential household ultrasonic heat meter, master chip power

5、microcontroller msp430 series, dedicated traffic flow detection using ultrasonic transceiver chip tdc-gp2 chip detection, external ultrasonic transmitter and receiver probe, along countercurrent flow with ultrasonic transceiver; basis by measuring the time difference difference method, draw heat car

6、rier flow; further extend the corresponding interface circuit via microcontroller, programmable convection speed processing to achieve traffic acquisition and processing. inlet and return pipe installation platinum resistance temperature sensor by measuring the water and return water temperature dif

7、ference and the flow, according to the k- factor method or the enthalpy difference method to calculate the heat. finally, the use of m- bus data bus transceiver to achieve heat, etc., and then the heat through the lcd display on the screen. keyword：ultrasonic wave，low power,msp430,tdc-gp2. 畢業(yè)設(shè)計（論文）

8、第 ii 頁 目 錄 摘 要 .i 目 錄 .iii 1 緒論.1 1.1 課題研究的意義背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究方法 .1 1.1.1 研究的背景與意義 .1 1.1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .2 1.1.3 課題的研究內(nèi)容 .5 2 流量 溫度 熱量測量 .6 2.1 功能要求 .6 2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 .6 2.3 設(shè)計要求 .7 2.4 流量測量 .7 2.4.1 時差法超聲波流量測量的基本原理.7 2.4.2 時差法超聲波流量測量的特點.10 2.4.3 影響時差法測量精度的主要因素.11 2.5 超聲波傳播時間測量的實現(xiàn) .11 2.5.1 tdc-gp2 簡介.11 2.5.2 td

9、c-gp2 時間測量的工作原理.13 2.5.3 tdc-gp2 的低功耗.14 2.6 溫度測量 .14 2.6.1 熱電阻測溫原理及實現(xiàn).15 2.6.2 應(yīng)用 tdc-gp2 測溫.18 2.6.3 應(yīng)用 tdc-gp2 測溫的影響因素.19 2.7 熱量測量 .19 3 硬件電路設(shè)計.22 3.1 硬件設(shè)計綜述.22 3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作流程 .22 3.3 單片機選型 .23 3.3.1 單片機選型的要求.24 3.3.2 單片機的介紹.25 3.4 超聲波流量測量模塊 .25 3.5 溫度采集模塊 .27 3.6 lcd 顯示模塊 .29 3.7 鍵盤輸入模塊 .29 畢

10、業(yè)設(shè)計（論文） 第 iii 頁 3.8 時鐘電路 .30 3.9 微處理器與 tdc-gp2 的接口 .31 3.10 m-bus 通信總線 .31 4 軟件電路設(shè)計.33 4.1 msp430 的編程語言和編譯環(huán)境 .33 4.2 軟件的總體構(gòu)成.33 4.3 系統(tǒng)主流程圖 .34 4.4 初始化模塊.35 4.5 計算子程序.38 4.6 中斷程序 .39 4.7 時差測量模塊 .39 4.7.1 流量測量.40 4.7.2 溫度測量 .41 4.8 鍵盤及顯示模塊 .42 結(jié)論與展望 .45 參考文獻 .47 附錄 a 微控制電路原理圖.48 附錄 b 流量和溫度采集電路原理圖.49 畢

11、業(yè)設(shè)計（論文） 第0 頁 1 緒論 1.1 課題研究的意義背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究方法 1.1.1 研究的背景與意義 熱量表是測量、計算、并顯示熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收的熱量量值的儀表。 在我國，是實施城市供熱體制改革，推行按熱量計量收費的關(guān)鍵設(shè)備。當前，隨 著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對流體流量和總量的計量及測試提出了越來越多、越來越高。而我 國 城市供熱行業(yè)形勢嚴峻，能源浪費嚴重、采暖費收繳困難已成為影響其生存和發(fā)展 的兩大難題。因此，對供熱收費體制和采暖系統(tǒng)進行徹底改革，實現(xiàn)按表分戶計量收 費已是勢在必行。根據(jù)我國建設(shè)部 1995 年發(fā)布的建筑節(jié)能“九五”計劃和 2010 年 規(guī)劃 ，我國住宅集中供

12、熱系統(tǒng)到 2010 年將全面實行分戶計量和收費制度，相關(guān)技術(shù) 工作被列為今后研究開發(fā)的主要內(nèi)容。根據(jù)發(fā)達國家經(jīng)驗，采取分戶計量收費措施可 節(jié)能 2034。但是，目前國內(nèi)供熱單位沒有對各個用戶使用的熱量進行有效和精 確的測量和計費，這在一定程度上造成資源的極大浪費。在水、電、煤氣計費系統(tǒng)日 益普及的今天，按戶對熱量消耗計量收費可使熱費的收取更趨合理，但必須要使用專 門的熱量表對熱量進行準確的計量。因此，其相關(guān)技術(shù)的準備工作至關(guān)重要。在注重 節(jié)省能源，提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量的今天，流量計量與測試的重要性就更加突出并 為越來越多的人所認識。特別是隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對流量測量的要 求越來

13、越高，對流量測量技術(shù)和儀表的研究和開發(fā)也不斷深入，流量測量方法和儀表 的種類也越來越多。所以就目前情況來看，國內(nèi)研究以及市場銷售的熱量表大都采用 數(shù)字機械式結(jié)構(gòu)，即熱量表的積算儀為數(shù)字儀表，而流量測量部分為葉輪流量計或干 簧管。葉輪帶有磁鋼，因此對水質(zhì)的要求高，微量的鐵屑和細沙都會急劇降低測量精 度直至在短期內(nèi)損壞，葉輪軸承的磨損也對測量有較大的影響 12j。 流量儀表一般可分為如下十大類：壓差式流量計、浮子式流量計、容積式流量計、 葉(渦)輪式流量計、電磁式流量計、流體振蕩式(包括渦街式)流量計、超聲流量計、熱 式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計和明渠(或非滿管)用流量計 i” 。超聲波流量計是

14、20 世 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第1 頁 紀 70 年代隨著 ic 技術(shù)迅速發(fā)展才開始得到實際應(yīng)用的一種非接觸式儀表與傳統(tǒng)的流 量計相比： (1)解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。因為一般流量計隨 著管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，有不少流量計只適用于圓型管道，而且造 價提高，能耗加大，安裝不便。這些問題，超聲波流量計均可避免，提高了流量儀表 的性能價格比； (2)超聲波流量計對介質(zhì)幾乎無要求。它不僅可以測液體、氣體，甚至對雙相介質(zhì) (主要是應(yīng)用多普勒法)的流體也可以測量；由于利用超聲波測量原理可制成非接觸式的 測量儀表，所以不破壞流體的流場，沒有壓力損失，并可以解決其它類型

15、流量計所難 以 測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性的流量測量問題； (3)超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等 參數(shù)的影響； (4)超聲波流量計的測量范圍度較寬，一般可達 20：i|21。近幾年來，隨著電子技 術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很 快?；诓煌恚m用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用 領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測流工作的高精度微功耗時差法 超聲波流量計的設(shè)計。 相比之下，本文所研究的超聲熱量表將超聲流量傳感器和溫度傳感器相結(jié)合構(gòu)成 戶用型熱量表，克服了上述困難，且對水質(zhì)

16、要求較低，不易損壞，使用壽命長。因此 在供熱計量領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在近些年來，流量測量技術(shù)和儀表已 經(jīng)得到了長足的發(fā)展。 首選工具目前應(yīng)用較多的超聲波流量計檢測方法主要有時差法、多普勒效應(yīng)法、 相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法應(yīng)用最為普遍。超聲波流量計的時差測 量法是基于超聲波在具有流速的媒質(zhì)里傳播時，其傳播時間(速率)會隨著媒質(zhì)流速的變 化而變化的原理來實現(xiàn)媒質(zhì)流速測量的。 時差法的關(guān)鍵主要是對于時間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速發(fā) 展， 高速時間計數(shù)處理芯片不斷出現(xiàn)，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這也對時 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第2 頁 差法超聲波流量計的發(fā)

17、展產(chǎn)生了極大的推動。 1.1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲波(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。 研究利用超聲波測量液體和氣體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。 熱量表最早起源于歐洲，德國從 1964 年開始熱量表的首次研制工作。最初的熱量 表為機械式，流量測量采用孔板、文丘里管等，70 年代后才出現(xiàn)了電子熱量表，而電 子式熱表也經(jīng)歷了從模擬積分式、電子數(shù)字積分式，直到微處理器為基礎(chǔ)的智能式的 發(fā)展過程。1988 年，國際法制計量組織公布了世界上第一個國際性的標準文件： “oimlr75 號國際建議(internationalrecommendation)熱量表(heatm

18、eters)”o 直到九 十年代，戶用熱量表基本定型，設(shè)計趨于一致。1997 年 4 月，歐洲共同體正式通過的 統(tǒng)一熱量表標準代號為 enl434。 國外，雖然早在七十年代就實行了分戶用熱計量收費，但由于實施中困難較多， 至今包括西歐、北歐的一些國家在內(nèi)，安裝戶內(nèi)熱量表的比例仍不高。除德國己達 n75一 80夕 b，法國安裝戶內(nèi)熱量表的用戶不 n30，波蘭 15一 20，捷克只 有 2一 7，其余大部分都是在單元進口安裝熱量表，計算該單元總用熱量，然后按 戶分攤。分攤的方法或是安裝熱分配表或是按面積分攤。目前國外用戶熱量表的形式 有帶開關(guān)控制的熱量表：有單片機組成顯示功能較多的熱量表和由專用電

19、路為主組成 的能顯示溫度和流量的熱量表。從結(jié)構(gòu)形式看，有將熱水表與熱量表合在一起的一體 式結(jié)構(gòu)和熱水表與熱量表分離的分體式結(jié)構(gòu)。國外廠家生產(chǎn)的熱量表大多是一體式， 用電池驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多。熱量表中包含一對溫度傳感器，對于溫度傳感器， 國內(nèi)一些廠家為了單純的降低成本，采用半導(dǎo)體熱敏電阻測溫，但由于它對溫度量程 和時間的穩(wěn)定性很差，根本無法滿足長期溫度測量的精度要求。因此國內(nèi)廠家也逐步 改進，將國際上普遍采用的鉑薄膜熱電阻 ptl00、pt500、ptl000(數(shù)字表示 0c 時的電阻 值)作為溫度傳感器。 熱量表所帶流量計因其流量測量的原理不同而有多種形式。目前，歐洲使用最多 的流量計是

20、機械式，機械式流量計在歐洲已有幾十年的制造和使用歷史。最近幾年， 國外又開發(fā)和應(yīng)用了超聲波流量計。從熱量表市場來看，機械式熱量表呈下降趨勢， 超聲熱量表則在逐年上升。據(jù)統(tǒng)計，1996 年兩者份額分別是 90和 0，1999 年為 80和 20，2000 年達到 70對 30。歐洲有生產(chǎn)熱量表的廠家 1520 家，其中多 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第3 頁 數(shù)生產(chǎn)機械式流量計熱量表，而生產(chǎn)超聲波流量計熱量表的只有 3，4 家。其中的 kamstrup 公司 1996 年生產(chǎn)超聲波流量計熱量表 2 萬塊，到 1999 年就猛增至 10 萬塊 pj。據(jù)國外專家介紹，波蘭開始熱量計量時全部使用帶機械式流量計的

21、熱量表，出于 陸續(xù)出現(xiàn)問題，現(xiàn)正逐步更換成帶超聲波流量計的熱量表。而后來進行熱計量改造的 羅馬尼亞、斯洛文尼亞從一開始就采用超聲波流量計熱量表。在丹麥，盡管政府很重 視供熱水質(zhì)，但機械式流量計也只能運行 5 年左右就要更換。在歐洲，機械式流量計 損壞后，有 50仍更換為機械式，其原因是為遷就原來的熱量積算儀；另外 50更換 成超聲波熱量表。 我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口， 直 到 20 世紀 30 年代中期才出現(xiàn)光華精密機械廠所制造的家用水表，50 年代有了新成儀 表廠(上海儀表廠前身)所開發(fā)的文丘里管流量計，60 年代開始渦輪、電磁流量計的生 產(chǎn)。 至

22、今，我國已形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術(shù)與儀表研究開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)，從 事量儀表研究和生產(chǎn)的單位超過 230 家。對于超聲波流量計，我國起步同樣較晚， 6070 年代機械工業(yè)部上海工業(yè)自動化儀表研究所、北京大學(xué)相繼研制；近年若干科 研和生產(chǎn)單位又推出所開發(fā)的一些新穎儀表。 上世紀 80 年代中期，國內(nèi)儀表廠從國外引進專有技術(shù)，生產(chǎn)具有 80 年代國際水 平的儀表。我國的超聲波流量計研究工作雖然起步較晚，但由于廣大科技工作者的努 力和引進國外先進的技術(shù)，國產(chǎn)的超聲波流量計已開始批量生產(chǎn)并投入使用。目前， 國內(nèi)超聲波流量計生產(chǎn)廠家主要有上海自動化儀表有限公司、南京康創(chuàng)流量計有限公 司、唐山匯中儀

23、表有限公司、唐山大方電子技術(shù)有限公司、大連索尼卡電子有限公司、 大連長風(fēng)電子有限公司、北京衡安特測控技術(shù)有限公司等。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波 流量計無論從測量精度上還是測量方法上與國外相比都有一定的差距。如荷蘭 instrormet 公司、美國 danniel 公司、controlotmn 公司等廠家生產(chǎn)的超聲波流量計在測 量精度上，及便攜角度來說都達到了較高的水平。由于超聲波流量計測量液體或氣體 的獨特優(yōu)點，以及我國現(xiàn)代化建設(shè)的突飛猛進，國內(nèi)對超聲波流量計的需求和在超聲 波流量測量領(lǐng)域研究的投入都會不斷增加，相信在不遠的將來，國內(nèi)的超聲波流量測 量計數(shù)和產(chǎn)品都會達到世界一流水平。 畢業(yè)設(shè)計（論

24、文） 第4 頁 目前，超聲波流量計主要分為單聲道和多聲道兩種類型。單聲道超聲波流量計是 在 被測管道或渠道上安裝一對換能器構(gòu)成一個超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾 式 和插入式。單聲道超聲波流量計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但這種流量計對流態(tài)分布變化 適 應(yīng)性差，測量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的渠道。 多 聲道超聲波是在被測管道或渠道上安裝多對超聲波換能器構(gòu)成多個超聲波通道，綜合 各 聲道測量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計相比，多聲道流量計對流態(tài)分布變化 適 應(yīng)能力強，測量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠” 。近年來，國外競 相開發(fā)出經(jīng)實流核準的高精度帶

25、測量管段的中小口徑超聲流量計，且用雙聲道或多聲 道 以改善單聲道測量平均流速的不確定影響量，使測量精度大大提高。傳播速度差法超 聲波流量計是目前極具競爭力的流量測量手段之一，其測量精度已優(yōu)于 100,4。多聲 道超聲波流量計的精度已高于 05。 1.1.3 課題的研究內(nèi)容 本文圍繞時差法超聲波流量計測量技術(shù)的實現(xiàn)，詳細地分析和敘述了系統(tǒng)硬件和 軟件各部分的組成和設(shè)計原理。 (1)測量元件的選型：熱量表需要直接測量的物理量有兩個：溫度和流量。因此測 量元件的選擇主要就是測溫傳感器、流量傳感器的選擇。這兩個傳感器的正確選擇對 提高熱量的測量起著至關(guān)重要的作用。 (2)硬件電路的設(shè)計：主要是對溫度測

26、量電路、流量測量電路、 、數(shù)據(jù)存儲，結(jié)果顯 示以及按鍵的設(shè)計。 (3)軟件系統(tǒng)的設(shè)計：包括主程序流程、流量部分流程、顯示部分流程、力求實現(xiàn) 對硬件電路延伸和擴展。 (4)對本測量系統(tǒng)的軟件、硬件上的低功耗方面的分析和設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第5 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第6 頁 2 流量 溫度 熱量測量 2.1 功能要求 1）設(shè)計一種適用于民用與工業(yè)用各種口徑超聲波熱量表。 2）實現(xiàn)采暖設(shè)備熱量精確測量。 3）整機微功耗設(shè)計，電池供電。 4）小口徑管道（d25mm）流速測量范圍 05m3/h 5）大口徑管道（d50mm）流速測量范圍 030m3/h 6）流速測量精度 0.2m3/h 7）需要對

27、溫度進行補償。 2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 熱量表系統(tǒng)由 36v 鋰電池供電；系統(tǒng)的控制和處理中樞電路板在正式產(chǎn)品被放 置到管件內(nèi)部，通過一個按鍵實現(xiàn)人機交互，兩個帶有絕緣導(dǎo)線的 ptl000 探頭，逆著 水流的方向放置在供熱設(shè)備的進水 13 和出水口，以便有效采集進水溫度和出水溫度； 超聲換能器被密封在管件的兩端，相距大約 687 毫米，換能器信號通過磁環(huán)濾波接 到電路板的超聲處理端。電路板上留有 jatg 和 bsl 接 151，jatg 接口用來電路的在 線調(diào)試和程序的寫入以及加密，bsl 是用來產(chǎn)品程序的升級。超聲式熱量表的硬件電 路主要由以下幾個部分組成：msp430f448 單片機、超聲波流

28、量測量電路、溫度測量 電路、顯示電路、m-bus 通訊電路以及程序下載調(diào)試接口電路等，整個硬件電路框圖 設(shè)計如圖 2.1 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第7 頁 l 流量測量 回路 溫度測量回 路 液晶顯示jatg/bsl 調(diào)試 接口 m-bus 通訊 接口 顯示按鍵 msp430f44 8 圖 2.1 硬件電路框圖 2.3 設(shè)計要求 要求確定微功耗熱量表總體設(shè)計方案。元器件選型，設(shè)計微功耗流量計硬件電路， 編寫 c 語言應(yīng)用程序，進行模塊化與系統(tǒng)調(diào)試。 2.4 流量測量 流量傳感器作為熱量表的重要組成部分，其流量檢測準確度直接影響熱量表的整 體精度。影響流量檢測精度的兩個重要因素是流量測量管段的機械結(jié)構(gòu)

29、和超聲信號的 采集處理，本章主要對超聲波流量檢測方法、超聲信號的采集處理進行論述。在本次 設(shè)計中，流量檢測方法使用了經(jīng)典的時差法。 2.4.1 時差法超聲波流量測量的基本原理 通過采用兩個超聲波換能器交替作為發(fā)射器和接收器收發(fā)超聲波，即觀測超聲波 在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的 一種間接測量方法。管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化如下圖： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第8 頁 圖 2.。4.1 時差法超聲波流量測量原理圖 圖中，換能器 1：逆流換能器； 換能器 2：順流換能器； l：超聲波傳播長度，；/sinld d：管內(nèi)直徑； v：介質(zhì)流速； ：超聲波傳播方向與流體流向間的夾

30、角。 通過換能器a、b相互間交替收發(fā)超聲波，當流體以速度v流動時，超聲波的實際 傳播速度c是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量的疊加，即：cosv (2.1) cosccv 可以分別求出超聲波信號在流體中順流與逆流的傳播時間與：t順t逆 (2.2)21 /sin cos ld tt ccv 順 (2.3)12 /sin cos ld tt ccv 逆 所以，兩式相減得順流與逆流的時間差 t： (2.4) 222 2cos sincos dv ttt cv 逆 順 一般情況下，超聲波在液體中傳播速度在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中流體流 速遠小于聲速，即c2遠大于，所以可以略去，故原式可化

31、為 2 v 22 cosv ，即 (2.5) 2 2cos sin dv t c 2 tan 2 c vt d 于是，知道了d、c、，通過測時間差就可以求得流速v。但是，這種方法的問 題是必須知道聲音在流體中的傳播速度c，而聲速是流體溫度的函數(shù)，隨溫度的變化而 不斷變化。所以，為了消除聲速對流速測量的影響，可作如下兩種處理。 （1）求順流與逆流的傳播時間之和。 (2.6) 222 /sin/sin2 coscossincos dddc tt cvcvcv 順逆 由于 c2遠大于，所以略去，得 22 cosv 22 cosv 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第9 頁 (2.7) 2 sin d c tt 順逆

32、 再代入(2.5)中，得 (2.8) 2 2 sincos tt vd tt 順逆 順逆 （2）求順流與逆流的傳播時間之積。 即，得 22 222222 sincossin dd t t ccv 順逆 (2.9) 2 2 2 sin d c t t 順逆 再代入(2.5)中，得 (2.10) 2sincos tt vd t t 順逆 順逆 綜上，由公式(2.8)或 (2.10)均可求出流速。通過上述的轉(zhuǎn)化，流速的測量可以基 本不受聲速的影響。再通過得到的流速 v 可以計算出流量。q 聲道上測得的流體流速是線平均流速，而所需測量的是面平均流速，和v vv 之比值稱為速度修正系數(shù)，以k表示： v

33、(2.11) v k v 速度修正系數(shù)k是管道中流體雷諾數(shù)red的函數(shù)。 在red5000的紊流條件下；k=（1.1190.011）logred； 在red2300的的層流條件下, k=4/3。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第10 頁 red k 1 1.1 1.2 1.3 1.4 102103104105106 層層流流 過過渡渡區(qū)區(qū) 紊紊流流 圖 2.2 k 與 red 的關(guān)系圖 圖2.2表明, 從層流過渡到紊流, 流速修正系數(shù)k產(chǎn)生較大的偏移。流速分布變化影 響k值大小。當換能器安裝位置的上下游存在彎頭、閥門、泵和接頭等擾動源時, 使流 速分布偏離或畸變,k值變化較大。因此, 換能器的安裝應(yīng)遠離擾

34、動源,且有足夠長的直 管段。流速分布應(yīng)是管道軸對稱的充分的紊流條件。 另外, 換能器發(fā)射和接收平面中心如果偏離管道中心軸, 會使速度修正系數(shù)k降低。 因此, 流量可用下式表達q (2.12) 22 44 ddv qv k 其中， 為管道流通截面積。 2 4d 2.4.2 時差法超聲波流量測量的特點 組成簡單，主要有換能器和電子電路構(gòu)成； 不僅對導(dǎo)電的介質(zhì)，而且對不導(dǎo)電的介質(zhì)實現(xiàn)無壓損測量； 測量不受壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響，輸出特性線性范圍寬； 采用多聲道測量，可在較短的直管道條件下獲得較高的測量精度，可測正反兩 方向流； 無可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕； 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第11

35、 頁 電子電路部分采用微處理器，可進行各種補償和運算； 靈密度高，可檢測到流速的微小變化。由于時差法超聲測流量具有許多突出優(yōu) 點，所以它具有強大的生命力。 2.4.3 影響時差法測量精度的主要因素 在測量流體流量的過程中，有一些因素對于測量精度有很大影響，因此這些問題 在設(shè)計過程中需要注意： （1）加工精度及溫度變化對機械尺寸的影響。聲路角、管道直徑 d、聲程 l 等機 械參數(shù)的加工精度、溫度穩(wěn)定性對流量的測量有直接的影響。在測量過程中，它們會 隨著溫度的變化而變化。這種誤差可以通過精密加工，合理選材以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計 使影響減到最小。 （2）溫度變化對流速的影響。超聲波的傳播速度隨流體溫度的

36、升高而升高，因而 會給測量帶來誤差。流體溫度變化對精度的影響可以采用溫度補償?shù)姆椒ㄍㄟ^測量流 體的溫度和溫度補償數(shù)學(xué)模型的計算實現(xiàn)自動補償。 （3）流體中介質(zhì)以及添加劑對超聲波傳播速度的影響。因為超聲波在不同介質(zhì)中 的傳播速度是不同的，微量添加劑例如某些溶解鹽的含量都會對聲波速度造成影響， 因此在設(shè)計超聲波流量測量單元時，要對流體的成分有比較正確的分析。 （4）電子元器件的性能，精度，穩(wěn)定情況以及電路板的布線等對于測量結(jié)果也是 有重大影響的，因此在設(shè)計流量測量模塊時要充分考慮這些情況的影響。 2.5 超聲波傳播時間測量的實現(xiàn) 由時差法超聲波流量計的基本原理可以知道，時差法超聲波流量計的測量精度

37、與超 聲波傳播時間的準確測量密切相關(guān)。只有在既能穩(wěn)定、準確地測量傳播時間又能有效 地對順、逆流傳播時差進行計算的前提下，才談得上測量精度。所謂超聲波傳播的時 間，應(yīng)該是指從發(fā)射信號的開始時間起，到接收換能器接收波形的起振點止，兩者之 間的這段時間。由于脈沖計數(shù)法是一種粗測時方法而且隨著高精度計時芯片的出現(xiàn)， 使超聲波傳播時間的測量變得更加精確與方便。這種芯片可以直接與單片機通訊，并 且具有高精度、低功耗的優(yōu)勢，方便了硬件電路的設(shè)計，降低了整機成本和功耗。通 過調(diào)研，本課題選用了德國 acam 公司生產(chǎn)的高精度計時芯片第二代產(chǎn)品 tdc- gp2。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第12 頁 2.5.1 td

38、c-gp2 簡介 目前計時芯片的基本測時原理如圖 2.3 所示，其中計時芯片的 start 和 stop 管 腳，分別是計時開始控制信號和計時結(jié)束控制信號的輸入腳，它們的觸發(fā)電平由生產(chǎn) 廠家設(shè)定，并且只接收一次觸發(fā)，即 start 通道中第一個作為 start 信號的脈沖到 來后，該通道則視為關(guān)閉，不再接收任何脈沖信號，直到芯片初始化，下一次測量開 始，stop 通道也做相同處理。這種芯片可以直接與單片機通訊，并且具有高精度、低 功耗的優(yōu)勢，方便了硬件電路的設(shè)計，降低了整機成本和功耗。如下圖 2.3: 圖 2.3 計時芯片的測時原理 通過調(diào)研，本課題選用了德國 acam 公司的高精度計時芯片第

39、二代產(chǎn)品 tdc gp2，如圖 28 是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它具有超高的精度和小尺寸的封裝，尤其適合于低 成本的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。tdcgp2 具有高精度時間測量單元，高速脈沖發(fā)生器，接收 信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波 流量測量和熱量測量方面的應(yīng)用。這款芯片利用現(xiàn)代化的純數(shù)字化 cmos 技術(shù)，將時 間間隔的測量量化到 65ps 的精度，給超聲波流量測量及其相關(guān)產(chǎn)品的時差測量提供了 完美的解決方案嘲。 芯片主要參數(shù)如下： （1）較寬的電壓輸入范圍 i/o 電壓：1.8v5.5v；core 電壓：1.8v3.6v； （2）四線 spi 接口，高達 1mhz 的

40、數(shù)據(jù)傳輸率； （3）較寬的工作溫度范圍：-40125； （4）內(nèi)置觸發(fā)脈沖發(fā)生器； （5）內(nèi)置時鐘校準單元，可以對溫度變化而引起的門電路傳播延時的變化進補償； 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第13 頁 （6）有四個溫度測量端口，可以進行溫度實時測量； （7）精確的停止脈沖使能窗口，可以容易的實現(xiàn)開窗功能； （8）可以選擇接收信號的上升沿/下降沿單獨觸發(fā)或者上升沿和下降沿同時觸發(fā)。 2.5.2 tdc-gp2 時間測量的工作原理 時差法超聲波流量測量的關(guān)鍵是對超聲波傳播時間的測量，tdc-gp2 是以信號通 過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進行高精度時間間隔測量的。 在本次設(shè)計中，tdc-gp2 采用測量范圍 2。

41、其特點是： 單通道，典型分辨率可達 50ps； 測量范圍 500ns4ms； 間隔脈沖對分辨能力為兩個校準時鐘周期，可進行三次采樣； 輸入信號可選擇上升沿/下降沿單獨觸發(fā)，或者上升沿和下降沿同時觸發(fā)； 3 次采樣中分別由三個去噪聲窗口過濾。 圖 2.5 顯示了這種測量絕對時間 tdc 的主要構(gòu)架。芯片上的智能電路結(jié)構(gòu)、擔保 電路和特殊的布線方法使得芯片可以精確地記下信號通過門電路的個數(shù)。芯片能獲得 的最高測量精度基本上由信號通過芯片內(nèi)部門電路的最短傳播延遲時間決定。 圖 2.5 tdc 核心測量單元 tdc-gp2內(nèi)部具有兩種測時模式，其中一種稱為粗計時模式(coarse count)，采用

42、前面講過的脈沖計數(shù)法，其參考時鐘由外部提供；另外一種就是高精度計時模式(fine count)，它是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔的。也就是說它 計算了在被測時間間隔內(nèi)信號通過了多少個反相器，如圖2.5所示。這種測量方式的測 量結(jié)果精度非常嚴格的依賴于芯片內(nèi)部的基礎(chǔ)邏輯門的延遲時間。利用這種方法，才 有了上面提到的65ps的精度。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第14 頁 如圖2.5所示，tdc核心測量單元對start和stop脈沖之間的時間間隔進行測量。 測量單元由start信號觸發(fā)，接收到stop信號停止。每個門電路的傳輸延時典型值是 65ps，tdc核心測量單元通過計數(shù)在stop

43、脈沖到來之前start信號通過的門電路個數(shù) 來獲得start與stop信號之間的時間間隔。tdc-gp2芯片內(nèi)部通過特殊的設(shè)計和布線 方法來保證每個門電路的時間延遲嚴格一致，但這個時間延遲是會隨供電電壓和溫度 而變化的，因此tdc-gp2設(shè)計了一個參考時鐘用來對門電路的延時進行校準，同時這 個參考時鐘也會在被測時間較長時參與時間測量。 由于tdc核心測量單元是對電信號通過的門電路個數(shù)進行計數(shù)，因此受計數(shù)器容 量的限制它的時間測量范圍是有限的，最多可測到1.8us，對于被測時間超過這個范圍 的應(yīng)用，tdc-gp2則采取參考時鐘測量和tdc核心測量單元相結(jié)合的方式來完成。如 圖2.6所示 圖 2.

44、6 時間測量和校準 tdc 核心測量單元只測量 tfc1和 tfc2，而 tcc則通過數(shù)參考時鐘的周期數(shù)來完成 測量，待測時間 tss便可通過如下計算獲得： (2.13)12ssccfcfctttt 每次測量完成后tdc-gp2可以自動對門電路的延時做校準測量，如圖2.6中的cal1 和cal2，tdc核心測量單元對參考時鐘的周期進行測量，而參考時鐘的周期是已知的， 因此由測量結(jié)果可反推出來精確的門電路延時。以上的計算、校正都是tdc-gp2自動 完成的，最終經(jīng)過校正的測量結(jié)果將以參考時鐘的周期為單位給出，以方便用戶計算。 2.5.3 tdc-gp2 的低功耗 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第15 頁 2

45、.6 溫度測量 溫度敏感元件采用德國進口的鉑電阻 pt1000。它是檢測溫度參數(shù)的配對溫度傳感 器，在最小的溫差下配對誤差小于 0.105。1000 時的溫度特性示于下式： 當溫度小于 0時，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為： (2.13) 23 01(100)trratbtct t 當溫度在 0630.75的溫度范圍內(nèi)，關(guān)系式為： (2.14) 2 0(1)trratbt 式中： 工作環(huán)境的溫度，； r00時標稱電阻，。 rtt時標準電阻，。 其中 a=3.9080210-3/；b=-0.58019510-6/；c=-4.273510-12/。 鉑電阻溫度分度表見表 3.1 表 2.1 鉑電阻溫

46、度分度表 0123456789溫度 電阻值（歐姆） 0 10 20 30 40 1000.000 1039.025 1077.935 1116.729 1155.408 1003.908 1042.921 1018.820 1120.602 1159.270 1007.814 1016.816 1085.703 1124.474 1163.130 1011.720 1050.710 1089.585 1139.950 1166.989 1015.624 1054.603 1093.467 1132.215 1170.847 1015.527 1058.495 1097.347 1136.083

47、 1174.704 1023.429 1062.385 1101.225 1139.950 1178.560 1027.330 1064.274 1105.103 1143.817 1182.414 1035.128 1070.162 1108.980 1147.681 1186.268 1035.128 1074.049 1112.855 1151.545 1190.120 50 60 70 80 90 1193.971 1232.419 1270.751 1308.968 1347.069 1197.821 1236.257 1274.578 1312.783 1350.873 1201.

48、6701 240.095 1278.404 1316.597 1354.676 1205.518 1243.931 1282.228 1320.411 1358.477 1209.364 1247.766 1286.052 1324.222 1362.277 1213.210 1251.600 1289.874 1328.032 1366.077 1217.054 1255.432 1293.695 1331.843 1369.875 1220.897 1259.264 1297.515 1335.651 1373.671 1224.739 1263.094 1301.334 1339.458

49、 1377.467 1228.579 1266.923 1305.152 1343.264 1381.262 2.6.1 熱電阻測溫原理及實現(xiàn) （1）電阻電橋測量法 一般 pt 測溫電阻測量電路有兩種方式，一種是利用恒流源供電，如圖 3.1 所示， 另外一種就是采用恒壓源供電，如圖 3.2 所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第16 頁 圖 3.1 鉑電阻測溫電路(1) 電橋輸出電壓為： (2.15) 2 () 22 outct tc ir vrr rrr 當rrc，rt成立時，有 (2.16) () 2 outct i vrr 測出 vout 即可求出 rt 的值。 圖 3.2 鉑電阻測溫電路(2)

50、電橋輸出電壓為： (2.17) () ()() tccc out tc r rr v v rrrr 由此式可以得出熱電阻的阻值rt，從而由式(3.2)求出溫度。但是這種測量方法需要 恒壓源或恒流源供電，功耗大，不滿足本課題微功耗的要求。 （2）電容充放電法 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第17 頁 利用通過不同阻值的電阻對同一電容充電或放電到某一電壓值時所需時間不同的 原理，來間接反映電阻阻值大小的方法。其測量原理如圖3.3所示。 圖3.3 電阻型傳感器阻值的測量原理電路圖 充放電法大都是在單片機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，利用單片機內(nèi)部集成的模擬比較器和 定時器等模塊，完成充放電的控制和充放電時間的測量。工作過程如

51、下：電路連接如 圖3.3所示，被測電阻rsens連接在單片機p口的某根口線和模擬比較器的一個輸入端(+)； 參考電阻rref放在p口的另一口線和模擬比較器的同一輸入端；同時在比較器的輸入端 接一電容到地。這時通過控制p口的兩個端口來控制通過rsens或rref對電容充放電。而模 擬比較器的輸入端(+)電壓就會因電容充放電而變化。如果先被測電阻充放電，再參考 電阻充放電，則由于兩電阻阻值不一樣，而引起充放電時間也不一樣，如圖3.4所示： 圖3.4 模擬比較器正端電壓 選擇模擬比較器的另一個模擬輸入端(-)連接到單片機內(nèi)部參考源0.25vcc。先通過 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第18 頁 電阻對電容充電一

52、段時間，然后放電。那么每當模擬比較器的正端電壓下降到0.25vcc 時會輸出比較器信號caout。在放電開始時間記錄下定時器的值tar，當模擬比較器 輸出信號caout時，讓定時器發(fā)生捕獲，再次讀入定時器值，則兩次讀出的定時器值 之差就是接某電阻時的放電時間。如果被測電阻與參考電阻的放電時間(tsens和tref)都知 道，因放電曲線近似直線，所以可近似為： (2.18)/sensrefsensrefrrtt 由此可得： (2.19)(/)senssensrefrefrttr 本課題決定采用該種方法實現(xiàn)熱量表的溫度測量功能，同時經(jīng)過分析，采用這種 方法使系統(tǒng)的設(shè)計得以大大簡化。它將鉑電阻阻值的

53、測量問題轉(zhuǎn)換成了時間的測量問 題，從而使溫度的測量精度取決于電容充放電時間的測量精度。 2.6.2 應(yīng)用 tdc-gp2 測溫 tdc-gp2內(nèi)部集成的溫度測量模塊也是利用電容充放電原理進行溫度測量的，其 溫度測量電路如圖所示： 圖2.5 tdc-gp2測溫電路圖 tdc-gp2內(nèi)部有4個溫度寄存器測量端口，其功能如下： pt1 低溫基準電阻器； pt2 低溫感應(yīng)電阻器； pt3 低溫感應(yīng)電阻器； pt4 高溫基準電阻器。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第19 頁 如電路圖所示，tdc-gp2 最多可以測量兩對傳感器和參考電阻，也就是說在超聲 波熱量表設(shè)計時，可以滿足分別測量冷端和熱端水溫。這個溫度測量單

54、元的精度可以 達到 16 位有效精度，相當于 0.004。實際上這個溫度測量單元的原理是通過測量溫 度電阻傳感器對參考電容的放電時間的變化實現(xiàn)的，原理同樣為時間測量，測量所需 的傳感器是 pt500 以上鉑電阻。 tdc-gp2 使溫度的測量變得如此簡單，更為重要的是采用 tdc 進行溫度測量與 采用 a/d 轉(zhuǎn)換器進行溫度測量相比，其電流消耗極低。進行一次完整的溫度測量（2 個傳感器，2 個基準電阻） ，包括所有的計算在內(nèi)，其功耗小于 2.5a s。進行一次 30s 的溫度測量（熱量表的典型溫度測量時間） ，測溫模塊的平均電流消耗只有 0.085a。 這比其它測量方法的功耗的 1/50 還要

55、小。 2.6.3 應(yīng)用 tdc-gp2 測溫的影響因素 （1）鉑電阻引線電阻的影響。鉑電阻在接入測溫電路中時，引線電阻同時也被作 為測溫電阻的一部分引入了電路中，當測溫點距離熱量表漸遠時，該引線電阻已經(jīng)不 可小視，而且其阻值還受環(huán)境溫度的影響，不斷的發(fā)生變化。目前常用的解決辦法就 是采用三線制、四線制鉑電阻測溫方案，它可在很大程度上消除引線電阻的影響。 （2）制造工藝帶來的鉑電阻值離散性。由于制造工藝等原因使鉑電阻在溫度相同 時出現(xiàn)電阻值不完全相同的現(xiàn)象，即離散性。因此鉑電阻傳感器必須通過配對試驗進 行配對之后再使用。 （3）安裝精度的影響。安裝鉑電阻傳感器的探頭要超過管道的中心，使其充分接

56、觸熱載體。在熱量表溫度探頭的使用過程中要注意保護導(dǎo)線的絕緣。在導(dǎo)線的接頭端 與其他的導(dǎo)線接頭時要可靠鏈接，不能使接觸電阻過大。 （4）在設(shè)計電路時應(yīng)使鉑電阻的電流不大于 1ma，防止電流通過時鉑電阻自身產(chǎn) 生的熱量影響測量精度，即所謂的自熱效應(yīng)。 2.7 熱量測量 熱量表是一種適用于測量在熱交換環(huán)路中的載熱液體所吸收或轉(zhuǎn)換熱能的儀器， 熱量表用法定的計量單位顯示熱量。熱量表由流量傳感器、配對溫度傳感器及積算儀 三部分組成。流量傳感器的作用是測量熱介質(zhì)流過熱循環(huán)系統(tǒng)的體積值；配對溫度傳 感器的作用是檢測計算熱循環(huán)系統(tǒng)進出口熱介質(zhì)的溫差；積算儀的作用是根據(jù)流量傳 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第20 頁 感器

57、的體積信號和配對溫度傳感器的溫差信號計算出消耗的熱能值。 熱量表又稱熱能表、熱能積算儀，既能測量供熱系統(tǒng)的供熱量又能測量供冷系統(tǒng) 的吸熱量。將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計 安裝在流體入口或回流管上（流量計安裝的位置不同，最終的測量結(jié)果也不同） ，流量 計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號，熱量表 采集來自三路傳感器的信號，利用熱量積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。 2.7.1熱量計算方法 微功耗超聲波熱量表采用了焓差法計算熱量，它的優(yōu)點是數(shù)據(jù)存儲空間少，雖然 它的計算較為復(fù)雜，但得益于今日單片機高速運算能力的發(fā)展，這個缺點便得以解

58、決。 傳熱量一般由載熱流體的質(zhì)量、比熱容和溫度變化等因素決定。對熱量表來說， 進出口的焓值還與時間成比例。根據(jù)熱力學(xué)理論，熱交換系統(tǒng)釋放（或吸收）的熱量 計算表達式為： (2.20) 00 tt mv tt qqhdtqhdt q-釋放或吸收的熱量，j、mj 或 kwh、mwh -流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h，是可測物理量體積流量（v） 、密度（） m q 的函數(shù)。 -流經(jīng)熱量表的水的體積流量，m3/h v q -流經(jīng)熱量表的水的密度，kg/m3 -在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下，水的焓值差，j/kg h t-熱量交換時間，單位為 s 本課題設(shè)計的熱量表也是采用了焓差法來實現(xiàn)熱量計算的。

59、基于式(3.8)的積分運 算是不好在單片機內(nèi)實現(xiàn)的，一般的處理方法就是，每隔一定時間進行一次熱量計算， 然后將其累加得到總的累計熱量，從而避免復(fù)雜的積分運算過程。而在一定的時間段 內(nèi)熱交換系統(tǒng)所釋放的熱量可以通過該時間段內(nèi)流過系統(tǒng)的水的熱量的變化量得到。 (2.21)()pmpmrcqc qc q 式中：-定壓比熱容，單位為jkg；pc -熱交換系統(tǒng)入口水溫，單位為；r 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第21 頁 -熱交換系統(tǒng)出口水溫，單位為。c 本課題所設(shè)計的超聲波熱量表流量傳感器直接測出的是體積流量，因此要把它換 算成質(zhì)量流量，根據(jù)公式。但是在熱量表系統(tǒng)中，溫度是個變量，而水的密度 mvqq 又是隨溫度

60、的變化而變化的，因此為了提高熱量的計算精度，要考慮對密度變化的 補償。此處將系統(tǒng)入口和出口的溫度分別考慮，由此，式(3.9)轉(zhuǎn)化為： (2.22) rvcvqcqcq 為了簡化軟件設(shè)計，此處引入熱焓值（h）的概念，水的熱焓值就是單位質(zhì)量的水 所含有的熱量，即。故式(3.10)可簡化為：phc (2.23)()vrrccqq hh 熱焓值也與介質(zhì)的成份溫度有關(guān)，根據(jù)采集的溫度值，利用查表的方法求得密度 和焓值。當溫度不是整數(shù)時，采用線性插值的方法得其值。城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)產(chǎn)品標準 熱量表(cj128-2000)在附錄中給出了水在不同溫度下的密度和焓值表。本系統(tǒng)即采 用式(2.23)利用單片機編程實現(xiàn)熱