基于超声波技术的户用低功耗热量表的研究

引言：超声波热量表是用于剂量热费的新型计量工具，被广泛地运用在各种住宅小区，居民局，写字楼和事业单位苏浙集中供热、空调、供暖等热量消耗的计量，本文结合实际，讨论了低耗能超声波的热量表的设计研究，从基本工作原理到软硬件的设计入手，探讨了热量表的组成原理，基础软硬件的稳定性论述了温度测量原理，流量测量原理，针对原有的仪器设备存在的问题，提出改进措施，提出一种新型热量表的软、硬件设计方案，从软件和硬件两个方面考虑低耗能设计。

一、引言

随着科学技术的发展,超声波热量表伴随先进的测量技术的发展应运而生.由于其自身具有的精度高、安装方式方便、使用寿命长等特点，逐渐取代传统的、落后的测量仪器，成为热量表中的主流产品。成本和功耗是市场竞争中产品方面的首要考虑因素，因此，一款既满足客户要求，又能降低成本和耗能的超声波热量表，具有重要的现实意义。因此，本文从工作原理和硬件设计、软件设计方面，提出了一种低成本、耗能低的超声波热量表的设计方案。

二、超声波热量表的测量原理

本文提出的低耗能超声波热量表主要是模拟美国IT公司的MSP430F448微控

制器，并以此作为主控制器，检测芯片采取德国GP21芯片，用以检测介质的温度和流量。并通过电路实现红外通信，以便于远程和现场抄表以及实施监控调整。采用液晶显示器，表现方式方便、直观。采用单按键控制，单节电池供电。以下是本测量表的具体热量计算公式、热量测量、流量测量。

1、热量计算方法

目前测量表中主要有两种测量方法，一种是焓差法，另外一种是K 系数法。本文采用的是前者——焓差法。利用焓差法计测量出液体的流量和温度，计算出热量，温度和流量测量的具体表达方式为：

注：Q——为吸收或释放的热量，单位为J；ρ为流

Qv——流经热量表的水体积流量，单位为 m3/h；△h——进出口焓值差，单位为 J/Kg；

2、流量测量方法

质量流量和体积流量是最常见的两种测量方法，质量流量的主要特点是不受到来自密度流体和温度的制约，但是不易测量，因此，一般测量的是体积流量。本文涉及的低耗能超声波热量表是基于 爱用U型安装的测量表，直接确定管道的直径，通过流量检测和介质流速检测计算结构，并通过采用超声波时差法测量。检测芯片体内各国发送脉冲，通过GP21芯片检测脉冲，计算从发送到接受的时间间隔，上下游独立检测一次，公国上下游检测的时间差、传输的距离，计算出介质速度超声波的顺流传播时间，即td和逆流传播时间，即tu，计算公式为：

注：v 为介质速度，c 为超声波在介质中的速度，L传输距离。

最终，管道瞬时流量为：

注：△t 为时间差。

3、温度测量方法

通过阻值不同的电阻对电容放电或充电到电压值所需要时间不同的原理，见解反应电阻阻值大小，即用电泳放电充电法检测温度。

三、超声波热量表电路设计

在低功耗的热量表电路设计中，首先，要考虑的是单片机的型号的选择。选择单片机主要考虑因素是开发环境和功能，低功耗系统设计中首要关注的功能是单片机本身的提供的节能措施和耗能因素。其次，在低功耗超声波热量表电路设计中，应尽量减少外围扩展的器件，以降低整个系统消耗的功率。在传统热量表产品中，系统在休眠时处于断电状态，为了唤醒单片机，需要通过外部的程序中断进行定时唤醒，因此，传统热量表产品多数设计了10s 的外部中断唤醒电路，其框图如图所示。但是在单片机休眠过程中，此部分电路耗能也是相当可观的。

表1：外部中断唤醒电路框图

四、智能低功耗热量表软件设计

降低耗能，除了从硬件设计方面着手以外，还要结合相应的软件系统设计配合。软件系统主要有中断服务器程序、主程序、子程序组成。中断服务器是软件系统的核心设计，主要负责信号采集、处理数据、保存数据，这些都是在中断服务程序中完成操作的，主程序主要包含有等待中断喝单片机的初始化。软件设计的功能主要有几个部分，例如中断服务子程序、主程序、测量计算子程序，通讯子程序等等。中断服务器的主要功能是通过中断服务字程序控制真个系统的工作时序，通过定时器分配热量表各个功能的执行事件，给各功能木块的软件标志激活相应的处理模块。主程序的功能是对各个子程序协调处理，完成对单片机和外部电子器件的初始化处理，读取存储的数据显示给相关的技术人员，然后在操作下进入功耗状态，最后等待响应服务器。主程序受MCU调用，上电后即时开始进入运行转台，首先完成系统初始化，然后初始化各个板块，进而执行对应的功能指令。最后，是计算及测量的子程序。系统的温度测量以及流量信号的测量工作主要由GP21 芯片来完成，GP21芯片的功能处理模块主要有有控制器、运算器、寄存器和数据处理模块。

五、结束语

在完成超声波热量表的整体设计后，笔者通过对比验证了本文的超声波热量表在流量的检测精确度和稳定性上更符合大众的需求，和社会的需要。该款超声波热量表的设计基本上已经完善了全部的功能，通过优化使得耗能进一步降低，具有成本低、耗能低、智能化程度高等特点，可以用电池供电，供电方式方便，适用于广大住宅区、商业区、写字楼、企事业单位的供暖计量和计费，具有很好的推广使用前景。

参考文献

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作者简介

伊文君（1984.06—），男，浙江人，通信工程本科学历，研发工程师；研究方向：电子研发方面，仪器仪表类。