导言
依照我国建造节约型社会的要求，冬天取暖将逐渐实施热能计量收费制。现在市场上存在的一些高精度热量计量产品，因为出产工艺要求较为严苛，使得所出产的高精度热量表在精度层次不齐，乃至相差很大。
针对上述问题，本文从易于批量出产视点提出了一套关于小口径(DN25)的契合我国国情的高精度热量计量技能计划。经过查阅文献和剖析比较，本计划终究挑选了超声波，使用时差法原理进行丈量。从易于出产和进步精准度的视点归纳考虑基表计划挑选U型规划，在时刻丈量和温度丈量方面别离选用了ACAM公司推出的高精度的时刻数字转化芯片TDC—GP21和热量表专用的配对温度传感器(DS型)铂电阻Pt1000。数据处理器选用了TI公司推出的MSP430系列超低功耗微处理器，该芯片可使热量表功耗大大下降。终究在A类环境条件下对多组热量表进行了测验。
1 作业原理及数学模型
热量表主要由3部分组成：进/出水温度传感器、超声波丈量传感器和数据处理芯片(CPU)。体系原理图如图1所示。
热量表的进/出水端装有配对的两个温度传感器Pt1000，在进水温度传感器与用户之间设备了测定流量的超声波换能器。处理器MSP430F4371依据超声波传感器和配对温度传感器测出的数据，经过核算终究将用户耗费的热量在LCD液晶屏上显现。
处理器对热量核算依据行业标准CJ 128—2007给出的热量核算公式：
其间：Q为用户耗费的热量，单位为J;qh为流经热量表的水的质量流量单位为kg/h;qy为流经热量表的水的体积流量，单位为m3/h;ρ为水的密度，单位为kg/m3;△h为水的焓差值，单位为J/kg;τ为时刻，单位为h。
2 基表的规划
依据超声波所走过途径的不同，基表有V型、Z型等设备办法。设备办法的不同对出产工艺的要求也不同，从而影响着热量表的精准度、牢靠性。参阅文献选用的是V型设备办法，因为该办法能精准地丈量不同流层的水流状况，理论上该计划准确度较高。但是该计划是经过管道壁对超声波信号进行反射，因为管道原料、外表润滑度等原因，超声波在经过管壁反射时有或许会在反射面处发生折射、散射等状况搅扰丈量，为防止这些状况的发生就需要对基表的原料以及内外表润滑度的出产工艺提出较高要求，这些要求无疑会进步出产成本，延迟出产进展。参阅文献选用的是Z型设备办法，该办法可以处理反射的问题，并且出产工艺较为简略，但因为传达距离较短，不利于时差法的丈量。针对上述问题，本文规划了如图2所示的选用U型设备办法的基表，其间A、B是超声波的设备方位。
基表选用渐缩通道规划，这样在不添加出产难度的前提下可以很好地对水流起到整流的作用，使水流形状愈加安稳，有利于进步热量表的精准度。
超声波的反射设备为结构图中的两立柱，其规划为进水端立柱反射面与水平面夹角43.5°，出水端立柱反射面与水平面夹角46.5°，两个立柱反射面的椭圆中心点高度一致，原料为不锈钢。该规划计划，一方面，因只要立柱为不锈钢，基表其他部分原料为一般基表原料，下降了出产成本;另一方面，不锈钢原料的反射面临超声波有很强的反射作用，不会发生折射、散射的现象，并且只需将立柱的反射面独自出产成为润滑的反射面(平的)，因而该计划既处理了反射面的问题，又下降了对出产工艺的要求，易于批量出产。
3 中心芯片硬件电路规划
热量表的中心芯片选用的是德国ACAM公司出产的高精度计时芯片TDC—GP21。该芯片不只具有低功耗、高精度，并且还有较强抗搅扰才能，因而十分合适低成本的工业应用领域。
芯片对时刻的丈量主要是使用两脉冲电流之间的距离时刻，因而一个安稳牢靠的电源电路规划对时刻数字转化芯片的丈量作用具有十分大的影响。为此，规划了如图3所示的电源电路。电源电路中心芯片选用了具有低功耗低压差的稳压芯片VR1BL8503—36CT，配以滤波电容使电源电路具有高电容性和低电理性，为TDC—GP21供给了牢靠的电源确保。
TDC—GP21的外围电路规划如图4所示。
芯片TDC—GP21的引脚5和引脚6用来接纳和发送超声波信号，因为芯片内部集成有模仿电路输入部分，因而超声波的外围电路无需过多规划，仅经过电阻和电容就可衔接到换能器一端。
芯片TDC-GP21具有以P%&&&&&%OSTAIN为根底的温度丈量单元，其可供给高精度、低功耗的温度丈量。芯片对温度丈量是依据引脚PT3和PT4上衔接的电阻R1对电容的放电时刻来确认的，因而电容会别离对参阅电阻和Pt1000进行放电。为此，选用了高精度的阻值为1 kΩ的电阻R1。在引脚PT1和PT2衔接的温度传感器选用了丈量精度可达0.004℃的铂电阻Pt10 00。为完成温度的高精度丈量，在此选取了100 nF的放电%&&&&&%，即图中的C1。
4 体系软件规划
体系软件是在IAR For MSP430环境下用C言语进行编写的，体系流程图如图5所示。首要体系进行数据初始化，包含TDC—GP21初始化、时钟初始化等。之后进入主程序，CPU进入低功耗LPM3形式，等候中止唤醒。若检测到电源电压较低，则进入欠压中止，中止对流量和温度的数据收集，并报警提示电压过低。若检测到按键中止触发，则进入按键处理程序，依据按下按键的次数，相应地在LCD上显现当时所用热量、进水温度以及出水温度等内容。从功耗和丈量精度归纳考虑，流量和温度数据别离距离1 s和30 s收集一次，为取得更好的丈量精度，每次丈量前都初始化一次TDC—GP21。为便利用户查询，程序规划为主动将最近18个月的数据存入Flash中。
考虑到供暖只在冬天进行，为下降体系功耗，体系在检测到管道中有水活动时，进入作业形式1，即流量和温度别离1 s和30 s收集一次。在管道中无水活动时，体系进入作业形式2，此刻体系30 s收集一次水流，不收集温度，直到收集到管道中有水流活动时才进入作业形式1，这样大大减少了体系不必要的损耗。
5 测验条件及成果
从批量出产的热量表中随机抽取2套作为被测验的热量表，超声波热量表公称口径为DN25。功耗的丈量是经过FLUKE 15B对热量表进行测验，成果如表1所列。流量测验是在热量表检定设备RJZ15-25Z上进行的，测验流量点是依照行业标准CJ128—2007对出厂测验的要求选取的，温度点选取了55℃和70℃。测验成果如表2所列。
结语
针对社会需求以及市场上热量表存在的一些问题，规划了易于批量出产的高精度超声波热量表。功耗测验成果表明，所规划热量表功耗较低，经过流量测验成果表明，所规划热量表精度较高，丈量精度完全契合行业标准CJ128—2007对热量表的2级精确度的要求。
对小流量的测验成果表明，所规划的热量表精确度高，误差值可以控制在较小范围内。由此可知，本文所提出热量表规划办法在批量出产时仍然可以使热量表具有较高的精度和较低的功耗，具有较高的推行价值。
