基于游标时间测量方法的超声波热量表系统

郭 锐，李 虹，杨 宇，牛 睿，熊红权，王玉荣，徐殊凝

(太原科技大学电子信息工程学院，太原030024)

在资源相对紧缺的现在，人们越来越重视资源的消耗，特别是能源。热量表是可测量热量变化的一种仪表，可用于住房用户以测取暖气消耗量，方便用户自己调节暖气的供应。用户可按暖气使用量来缴费，这样可以鼓励用户减少热能的浪费并且使得暖气收费更合理。为了能更准确地计量热量损耗，用户对热量表的精度要求有所提高。其中，超声波热量表是现在市场上兴起的一种热量表，它通过对水温、水的流速测量及计算，来反映暖气热量的变化。本文首先说明超声波热量表的工作原理，然后介绍硬件电路，最后总结提高仪表测量精度的方法。

1 系统原理

超声波热量表涉及超声波、温度、时间、控制等方面。在不同温度的水中，超声波的传播速度不同，通过对超声波在水中传播时间的测量和水的温度差，计算出暖气的热损耗[1]。超声波只用于测量水的流速，而水的温度测量则使用高精度热敏电阻。

1.1 热损耗测量基本原理

在实际暖气管道上，超声波传感器的安装如图1所示。

图1 超声波流量计工作示意图Fig.1 Working principle of ultrasonic flow meter

换能器A、B为一对超声波传感器，斜向安装在同一段管道两侧。用来测量超声波在水中传播时间，间接计算出水的流速。

假设水充满管内，水体积变化量计算如式(1)。

式中，v——水的流速(假设v在测量区域内保持不变);D——管内直径。

v和vc的计算公式如式(2)和式(3):

其中，vc——超声波在水中的传播速度;

θ——超声波传播方向与液体流向的夹角;

vo——0℃ 时超声波声速;

T——进水口处的温度;

△t——超声波在水中的传播时间差(△t=|t1-t2|，t1和t2分别为超声波顺流和逆流的传播时间，可用下文介绍的时间测量方法测出)。

水所释放的热量计算公式为:

其中，V——热量表测量的流经热交换系统的水的体积;

Vo——测量开始时水的体积;

Vt——测量结束时水的体积;

K——热系数;

△T——进出口处水温度差。

以上先求出超声波声速vc，再求水的流速v，带入式(1)后，再将式(1)带入式(4)，最后用单片机计算出一段时间内水的散热量。

1.2 时间测量原理

测量时间的方法有:直接法、时间间隔扩展法、时间-幅度转换法、游标法、延迟线法等[2]。由于热量表应用于细口径的管道中，适合采用游标法实现高精度的时间测量，所以在设计中采用游标法进行时间扩展。

游标法因其工作原理类似于游标卡尺而得名，它本质上是一种数字扩展法。如图2所示。

图2 游标法测时间的时序图Fig.2 Sequence chart of nonius time-measuring method

假设时间间隔为△t，用START作起始信号，用STOP作停止信号。START启动一个周期为T1的振荡器，用STOP启动一个周期为T2的振荡器，其中T1＞T2，然后对两个时钟分别计数。假设T1计数到n1，T2计数到n2时两者重合，则有:

一种采用游标法来实现的芯片，能在312.5 MHz下达到50 ps的分辨率。另一种用游标法芯片，在700 MHz下达到2.3 ps的分辨率。进一步改进有望将分辨率提高到1 ps，而如此高的分辨率，关键是保证两个可启动振荡器的高精度与高可靠性。另外，高精度的重合检测电路也是实现精确测量不可或缺的部分。商用的HP5370B是采用游标法测量的典型例子，测量精度可达20 ps，是迄今为止最好的商用时间间隔计数器。

1.3 温度测量原理

暖气中热损耗的计算，涉及管道内水的温度变化，并且温度对超声波的速度影响很大，必须对超声波声速计算进行温度补偿。温度可利用热敏电阻PT1000和温度变送器ADT70测量。热敏电阻PT1000可以随温度不同而改变自身阻值，ADT70再将PT1000的阻值变化转换成电压变化传送给单片机，再由单片机转换成对应的温度值。

在热敏电阻中，由于PT1000具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压而且线性度好的优点，因此在该设计中选用 PT1000做为测温传感器探头。PT1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的1000即表示它在0℃时阻值为1 000 Ω，在100℃时它的阻值约为1 385 Ω.

ADT70为铂电阻提供激励源和信号整形电路，专为PT1000型铂热电阻设计使用，其测量温度范围宽。ADT70-PRTD系统的精确测量范围可以从-200℃～+1 000℃并取决于铂热电阻的质量。其典型应用电路可在满量程内使误差减小到±1℃，并且此误差可通过修正减小到±0.1℃.

2 主要电路

超声波热量表主要电路有:超声波收发电路及其换能电路、温度测量电路、单片机外围电路、显示电路等。下面主要介绍超声波收发电路及其换能电路和温度测量电路。

2.1 超声波电路

超声波电路可以分为三部分，有超声波发射电路、接收电路和切换超声波收发电路[3]。

图3是超声波发射电路。由NE555构成多谐振荡器，来使超声波发射器中的压电晶片产生共振，从而产生超声波，NE555输出波的频率应与压电晶片的固有频率相同。由式子T=2RC17ln2=1/f可以确定电路中电阻、电容的大小[4]。

图3 超声波发射电路Fig.3 The circuit of porducing ultrasonic

图4是超声波接收电路。在本电路中，NE5532主要组成一个反向比例电路以及带通滤波，超声波接收器输出的微弱信号放大并且滤去不需要的频率。R1和C5构成低通滤波部分，R5和C6构成高通滤波部分。经过图4电路后产生的信号在单片机中进行处理，形成计时的停止信号。

图4 超声波接收电路Fig.4 The circuit of receiving ultrasonic

图5为超声波收发切换电路。由于计算中需要求出超声波顺流和逆流的传播时间差，一般需要两组超声波收发电路，但两组不是同时工作的，为了减少电路，降低成本故用一个固态继电器进行切换。图5中，下边是发射电路，上边为接收电路，整个继电器由一个线圈控制，当CH-CUT为0，S2与接收电路相联，S1与发射电路相联。当CH-CUT为1，则S2与发射电路相连，S1与接收电路相联。这样就完成了收发电路的切换。

图5中的继电器K采用固态继电器。固态继电器是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。其体积小、寿命长、可靠性高，转换速度快，电磁干扰小。

2.2 温度测量电路

温度测量电路主要是将铂热电阻PT1000的阻值转成电压信号提供给单片机，借此转换成温度变化[5]。温度测量电路主要由热电阻PT1000及温度变送器ADT70组成。

ADT70的内部结构框图如图6所示。内部含有两个1 mA的电流源，一个精密放大器，一个2.5 V基准源和一个独立的运算放大器，另外ADT70有一个关断控制引脚以使它工作在低功耗模式，它可以使ADT70的电流由4 mA降到10 uA[6]。用 +5 V单电源或+/-5 V双电源供电，传感器用四线制方式，可消除由铂热电阻引线而造成的测温误差，提高表的精度[7]。

图5 超声波收发切换电路Fig.5 The switching circuit of transmit-receive ultrasonic

图6 ADT70内部结构框图Fig.6 Internal structure diagram of ADT70

3 结论

本系统选用C8051F320单片机作为计算与控制部分，其工作电压为2.7 V～3.6 V，主振频率25 MHz时工作电流为5.8 mA，工作时平均电流约为3.132 uA[8]。屏蔽其它功能，系统静态电流约为20 uA.而系统在测流量和温度时工作电流分别约为8.423 uA、0.085 uA.则系统有效工作电流约为以上四个数据之和，为 31.640 uA.系统选用型号为EN14505的锂电池供电，电池额定容量为2.7 Ah.若按电池额定容量的80%计算，电池可使用寿命约为7年。根据检定规则的要求，热量表电池的使用寿命应大于6年，因此本设计符合低功耗的要求[9]。

设计的超声波热量表不仅可以保证测量的精确性，而且功耗低，在以下方面都有体现:

(1)采用游标时间测量法，提高单片机计时精度;

(2)采用固态继电器，提高可靠性;

(3)使用测量精确度最高的铂热电阻PT1000;

(4)铂热电阻引线方式为四线制，消除导线电阻影响;

(5)热量表工作电压低，功耗低。

与传统的机械式热量表相比，超声波热量表具有对水状态影响小、准确度高、单片机计算高效率等特点，使得其得到普及[10]。但是，由于超声波热量表起步晚，仍有部分技术问题需要解决。如:直射式超声波热量表在小口径管道的应用中，相对于反射式超声波热量表压损较大;普通的超声波热量表为了整流，在管道中设有整流支架，但我国水质不高，这样易造成管道堵塞;现有的换能器精度不高，易受水压、静电的影响，使用寿命低等。而随着生产工艺成熟，超声波热量表将不失为一个节能型热量表[11]。

[1]毛新业.气体超声波流量计[J].世界仪表与自动化，2001，5(7):50-52.

[2]吴守贤，漆贯荣，边玉敬.时间测量[M].北京:科学出版社，1983.

[3]林书玉.超声波换能器的原理及设计[M].北京:科学出版社，2004.

[4]王远.模拟电子技术[M].北京:机械工业出版社，2000.

[5]王魁汉.温度测量技术的现状及展望[J].基础自动化，1997(1):1-6.

[6]Analog Devices公司.ADT70 使用手册[EB/OL].[2004-04-01].http://www.analog.com/en/index.html.

[7]赵红梅，米启超.WZP型铂电阻温度传感器Pt1000信号的线性化处理[J].现代电子技术.2008，31(5):169-170.

[8]单国建.基于单片机的热量表[D].太原:太原科技大学，2011.

[9]鞠文涛.超声波热量表的设计与研发[D].杭州:浙江大学，2008.