超声波热量表的设计研究

赵飞，仇国富

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

热能表按所用流量传感器的不同主要分为机械式热能表、电磁式热能表和超声波热能表。机械式热能表结构简单、价格较低，但抗杂质和纤维能力差，对水质要求较高，长期使用会因机械部件的磨损造成测量精度的降低;电磁式热能表不论结构还是测量原理都较复杂，而且价格较高，所以很少用于户用计量;超声波式热能表对水质要求略低，而且对介质成分没有要求，测量精度高，测量传感器没有运动的机械部件，几乎没有磨损，但其价格相对较高。近几年来，机械式热能表在市场上所占的份额逐年减小，超声波热能表则逐渐上升，已经成为当今热能表的发展趋势［1］。

本文设计了一种采用MSP430单片机和TDC-GP2为主体的超声波热量表，并从测量原理、硬件和软件方面进行了阐述。

1 超声波热量表测量原理

超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

以往的超声波热能表的测量管道多采用斜射式，即超声波的飞行路径与水流的方向成一定的角度。这在一定程度上给测量带来很大的影响，一方面管道管壁会对超声波信号起到一定的衰减作用，另一方面超声波传感器入射角的选择不当同样会造成接收信号强度降低，而且传感器的安装配置也很麻烦，直接影响了测量精度。本文设计的直通式管道完全避免了以上这些问题。超声波信号在传感器之间直线传播，传感器可通过螺纹连接固定在管道中，这不但简化了传感器在管道上的安装及配置方式，而且简化了流量的计算，更利于提高测量精度。具体测量原理示意图如图1所示。

图1 直通式时差法测量原理示意图

超声波顺流传播时间为:

其中:L为超声波传播距离，C为超声波在水中的传播速度，V为水流速度。

同理，超声波逆流传播时间为:

两式相减得超声波在顺逆流中传播时差为:

超声波在水中的速度约为1 500 m/s，远远大于水流的速度，因此上式可简化为:

最终可得水流速度:

瞬时流量:

其中:D为管道直径，K为流速修正系数。图2为本系统直通式管道示意图:

图2 直通式管道示意图

这样，通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而就可以获得消耗的热量了。

2 硬件设计

根据系统设计整体要求，按模块化的电路设计思想，本热量表的硬件系统以单片机和外围功能电路组成，硬件电路逻辑框图如图3所示。

图3 硬件电路逻辑框图

2.1 MSP430 单片机

为了降低功耗，延长系统工作时间，拟选用超低功耗的16位MSP430单片机。

MSP430系列单片机是一个16位的精简指令构架，能够实现在1.8～3.6 V的低电压下工作;具有超低的功耗，在 2.2 V，4 kHz的条件下工作时，电流消耗仅有 2.5 μA;具有一种活动模式和五种低功耗模式，在休眠模式下，电流仅有0.7 μA，具有极快的响应速度，CPU 可以在 6 μs的时间内被唤醒，进入活动模式执行中断服务程序，一旦程序执行完毕后，系统又会返回到中断前的状态，继续执行低功耗。

MSP430内部集成了诸如看门狗（WDT）、定时器、模拟比较器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、ADC等外围模块，具有非常强大的功能［2］，特别适合用在各种小型、省电、可移动的设备之中。MSP430的片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

2.2 利用TDC-GP2实现流量和温度采集

为减小超声波热量能的流量计量误差，降低热量表的成本，选用性能优越，价格较低的TDC-GP2。

TDC-GP2很适合低成本的超声波热量计设计。由于其良好的功能性（包括精确的温度测量，触发脉冲产生器，窗口和时钟校准器），加上一个简单的微处理器（不需要A/D转换）和一个传感驱动与接收器，可以构成一个完整的超声波热量计，极低的损耗电流保证在这些应用中电池具有较长的有效使用时间。

TDC-GP2可自动完成测量，微处理器只需发送一个开始命令，TDC-GP2就会自动触发传感器并测量飞行时间，计算出结果并传送给微处理器。

温度传感器采用Pt1000铂电阻，测量精度为0.01℃。在一定的温度范围内，铂电阻的电阻与温度成线性关系。由于其精度较高，只要准确地测量出其电阻，便能根据电阻-温度的线性关系得出对应的温度［3］。

2.3 LCD液晶显示模块

液晶显示器LCD可显示用热量、供热介质流量、供水温度、回水温度、热费、累计工作时间等相关信息。通过热量表面板上的按键可设置开始计时时间及选择相关信息等。

2.4 M-BUS总线

仪表总线M-BUS（欧洲标准EN1434-3）是专为计量仪表数据传输而设计的，目前主要用于热计量领域，也可用于其他计量领域，主要特点如下:

1）两线制总线，通常采用双绞线，没有正、负极性之分，施工布线简单;

2）采用独特的电平特征传输数字信号，抗干扰能力强;

3）总线供电，降低维护成本;

4）总线型拓扑结构，扩展方便，组网成本低;

5）主从式异步半双工传输，采用主叫/应答的通信方式，有专门设计的报文格式。

4 软件设计

超声波热能表的软件设计是根据软件要实现的功能和低功耗两个主要目的而设计的。主程序非常简单，当MSP430芯片上电复位后，立即进入初始化，开始主时钟频率的选择以及外部I/O端口的配置等，完成初始化配置后，主程序打开中断使能，MSP430单片机进入低功耗模式，等待中断触发。一旦有中断触发信号，MSP430单片机会被立即唤醒，进入执行相应的中断子程序。中断子程序执行结束后，单片机再次进入低功耗模式，处于休眠状态，等待下次中断触发信号。因此，大部分时间，单片机都处于低功耗模式，这可以使整个系统的功耗降到非常低［4］。

限于篇幅，本文只给出用TDC-GP2测量芯片的流量测量的软件流程。如图4所示。

图4 流量测量子程序流程图

流量测量是超声波热能表测量的关键部分，是热能表测量的核心。主要通过测量超声波在水中的飞行时间来测流速，进而积算出流量、热量的。为了消除电路延时以及传感器误差等其他影响，需要对水流进行两次测量，包括超声波在水中的顺流飞行时间和逆流飞行时间，通过计算出两者的时间差，可以较为精确地计算出水流的速度。

超声波在顺流中的飞行时间测量如图4所示，每一次流量测量的开始都要对TDC-GP2进行初始化，重新配置TDC-GP2，当然也需要对时钟进行再次校准。时钟校准是以8个32.768 kHz的时钟周期为基准，对4 MHz的高速时钟进行校准。对于触发脉冲发生器，4 MHz的高速时钟频率可以在内部进行倍增，并且除于8得到1 MHz的脉冲，而且发送脉冲的个数可以由软件发送，可以最多发送15个脉冲。激活触发脉冲器后，同测量温度一样，首先要对TDC-GP2的中断引脚信号进行检测，若为高电平，则先读出测量数据。然后读取TDC-GP2的状态寄存器，若GP2ST＆0x0600＞0，即 TDC-GP2测时溢出或预计数器溢出，需要重新测量。若判断TDC-GP2状态寄存器正常，则由MSP430单片机切换模拟开关通道，保证上游超声波传感器发射超声波，下游传感器接收超声波信号。切换开关完成后，表明测量前预备工作基本结束，此时可启动发送激励脉冲信号，本文采用发送15个1 MHz脉冲。

当发射激励脉冲的同时，启动TDC测时单元，开始计时。上游传感器接收到激励脉冲后，发射超声波信号，下游传感器接收到超声波信号后产生微弱的电压信号，经过滤波、放大到TDC-GP2的Stop端口，结束计时。此时，超声波顺流飞行时间测量结束，同理可以测出超声波逆流飞行时间。

时差测量程序如下:

5 结语

开发的超声波流量计经过实际系统测试，取得了较好的测量结果，系统的测量精度和稳定性都达到了预期的设计要求，并且系统设计在提高测量精度的同时大大降低了功耗。从而表明，该系统设计合理，切实可行。

［1］罗琴，李鸣，徐爱华.基于MSP430的热量表的温度测量［J］.计量与测试技术，2008.

［2］朱登科.高精度低功耗芯片TDC-GP2在热表中的应用［Z］.http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/others/.

［3］李国洪，宋兴风，刘丽娜.超声波热量表的设计与实现［J］.制造业自动化，2009（8）.

［4］周杏鹏，仇国富.现代检测技术［M］.北京:高等教育出版社，2004.