一種超聲波熱量表的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超聲波熱量表，包括溫度傳感器、超聲波換能器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、微處理器、顯示模塊、輸入模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、M-Bus模塊和電源模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用TDC-GP21芯片，整合了流量測(cè)量和溫度測(cè)量，提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性，微處理器采用MSP430F449芯片，整合管理了各個(gè)模塊，降低了系統(tǒng)的功耗和成本。
【專利說明】一種超聲波熱量表

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱量表,具體為一種超聲波熱量表。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲波熱量表通過超聲波的方法測(cè)量流量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱能量的儀表。它通過兩種傳感器測(cè)得的物理量——熱載體的流量和進(jìn)出口的溫度，再經(jīng)過密度和熱焓值的補(bǔ)償及積分計(jì)算，才能得到熱量值。它是一種以微處理器和高精度傳感器為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與建筑業(yè)過去已普遍使用的戶用計(jì)量表——水表、電表、煤氣表相比，有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更高的技術(shù)含量。超聲波熱量表是一種包含機(jī)械、電子和信息技術(shù)的高科技產(chǎn)品，目前在許多領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。
[0003]超聲波熱量表是供熱體系中按熱量計(jì)費(fèi)收費(fèi)的一個(gè)關(guān)鍵儀表和重要依據(jù)，其測(cè)量精度、工作穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)是非常重要的。國(guó)外生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的超聲波熱量表技術(shù)過硬，質(zhì)量有保證，但是價(jià)格較高，是國(guó)產(chǎn)熱量表的兩倍以上，阻礙了其在我國(guó)的大面積實(shí)用。而國(guó)內(nèi)熱量表的研制工作要比國(guó)外晚得多，且由于國(guó)內(nèi)惡劣的供熱水質(zhì)，對(duì)熱量表的測(cè)量準(zhǔn)確度，可靠性和實(shí)用壽命都有著很高的技術(shù)要求。目前國(guó)產(chǎn)的超聲波熱量表普遍存在著以下的問題:
[0004]1.系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，功耗高；
[0005]2.不便于數(shù)字化管理，不能適用于大規(guī)模的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)；
[0006]3.測(cè)量精度不高，設(shè)備能耗偏高，使用壽命短，可靠性低。
[0007]因此為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上迫切的熱計(jì)量需求相比，國(guó)產(chǎn)熱量表產(chǎn)品顯然是不能滿足的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是為了提供一種超聲波熱量表采用超聲波作為流量測(cè)量手段，具有MBUS傳輸總線，大大提高測(cè)量精度。
[0009]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0010]—種超聲波熱量表，安裝于一段供熱管線之上，包括:
[0011]溫度傳感器，安裝于供熱管線內(nèi)，用于測(cè)量供回水的溫度差；
[0012]至少兩個(gè)超聲波換能器，安裝于供熱管線內(nèi)，用以測(cè)量供回水的流速；
[0013]信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和自動(dòng)增益控制；
[0014]微控制器模塊，與溫度傳感器和超聲波傳感器相連，用于計(jì)算出供熱量并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制；
[0015]M-Bus模塊，與微控制器模塊相連，用以傳輸熱量表測(cè)量的數(shù)據(jù)，
[0016]電源模塊，用以對(duì)熱量表進(jìn)行供電。
[0017]進(jìn)一步的，所述超聲波換能器安裝于供熱管的同一側(cè)內(nèi)壁上并保持一段距離，每一臺(tái)超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)經(jīng)過另一側(cè)內(nèi)壁的反射后由另一臺(tái)接收探頭接收。
[0018]進(jìn)一步的，微控制器模塊采用TDC-GP21數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片作為主要測(cè)量計(jì)算電路，單片機(jī)MSP430F449作為主控MCU。
[0019]進(jìn)一步的，所述超聲波熱量表還包括一個(gè)液晶顯示器，所述液晶顯示器與微控制器模塊相連，用于顯示瞬時(shí)熱量、累計(jì)熱量、熱水溫度和電源指示等信息。
[0020]進(jìn)一步的，所述超聲波熱量表還包括一個(gè)時(shí)鐘模塊，所述液晶顯示器與微控制器模塊相連，用于為微控制器模塊提供記錄數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)時(shí)間。
[0021 ] 進(jìn)一步的，所述電源模塊采用鋰電池供電。
[0022]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0023]1、測(cè)量精度高，采用了 TDC-GP21芯片作為計(jì)算單元核心，整合了流量測(cè)量和溫度測(cè)量，時(shí)間精度達(dá)到了 ns級(jí)別，流量、溫度測(cè)量更加準(zhǔn)確；
[0024]2、低功耗，采用鋰電池供電，選用低功耗的電路，延長(zhǎng)了系統(tǒng)在不更換電池的情況下的使用時(shí)間。
[0025]3、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，采用了簡(jiǎn)單可行且可靠穩(wěn)定的信號(hào)處理電路，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下，達(dá)到了較高的可靠度；
[0026]4、配備各種通信模塊和接口供用戶選擇，方便聯(lián)網(wǎng)；
[0027]5、人機(jī)工效好，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，顯示內(nèi)容清晰；
[0028]6、適應(yīng)能力強(qiáng)，可在較惡劣的大氣環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境下工作；
[0029]7、安裝簡(jiǎn)單方便，成本較低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0031]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖中:I數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、12微處理器、13發(fā)射接收切換電路、14溫度傳感器、15超聲波換能器、16信號(hào)調(diào)理電路、17通信模塊、18顯示模塊、19輸入模塊、20實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、21電源模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0034]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)框架圖。
[0035]如圖1所不,一種超聲波熱量表,包括溫度傳感器14、超聲波換能器15、信號(hào)調(diào)理電路16、發(fā)射接收切換電路13、數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11、微處理器12、M-bus通信模塊17、顯示模塊18、輸入模塊19、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊20和電源模塊21。本實(shí)用新型的原理在于，溫度傳感器14和超聲波探頭15安裝于供熱管道的出入水回路上，溫度傳感器14測(cè)量出進(jìn)水和回水管道的溫度，超聲波探頭15檢測(cè)出測(cè)量出進(jìn)水和回水管道的流速，數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11將這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出該系統(tǒng)所放出的熱量，通過其他電路的輔助，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和傳輸。
[0036]所述超聲波探頭15安裝于管道內(nèi)，發(fā)射探頭15A與接收探頭15B安裝于供熱管的同一側(cè)內(nèi)壁上，發(fā)射探頭15A發(fā)射聲波信號(hào)之后經(jīng)過內(nèi)壁對(duì)應(yīng)一側(cè)的一次反射之后由接收探頭15B接收。這種安裝方式保證了超聲波傳播量程更長(zhǎng)，精度較直接發(fā)送接收的安裝方式更高，信號(hào)散射損失更小。發(fā)射探頭15A與接收探頭15B安裝于同一個(gè)水平面上，使管道內(nèi)不會(huì)發(fā)生堵塞造成壓力損失。
[0037]在實(shí)際工作過程中，超聲波換能器15A接收到發(fā)射接收切換電路13發(fā)送的激勵(lì)震蕩信號(hào)以后，從而使發(fā)射端的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，帶動(dòng)介質(zhì)向外輻發(fā)射超聲波。超聲波換能器15B的震動(dòng)面接收到外來的超聲波信號(hào)，觸發(fā)了機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，利用壓電效應(yīng)使聲波能量轉(zhuǎn)移到超聲波換能器15B的儲(chǔ)能元件上，引起電磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生了一個(gè)和聲波信號(hào)相關(guān)的電流信號(hào)。發(fā)射接收切換電路13向超聲波換能器15B反射激勵(lì)震蕩信號(hào)，使其電磁場(chǎng)發(fā)射變化，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，使超聲波換能器15B向超聲波換能器15A發(fā)射超聲波信號(hào)。當(dāng)發(fā)射探頭15A發(fā)射聲波，接收探頭15B接收聲波時(shí)，可測(cè)量出超聲波順流傳播的時(shí)間；當(dāng)接收探頭15B發(fā)射聲波，發(fā)射探頭15A接收聲波時(shí)可測(cè)量出逆流傳播的時(shí)間。
[0038]作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，為了提高測(cè)量精度，溫度傳感器14采用鉬電阻溫度傳感器，分別安裝于管道的出、入水口測(cè)量出、入水口的水流溫度。鉬電阻溫度傳感器具有感應(yīng)溫度靈敏，器件尺寸小、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其電阻值隨溫度呈線性變換，在0°c時(shí)，其電阻值為1000 Ω，在O°C到150°C時(shí)，其電阻值的變化率為穩(wěn)定的3.851 Ω /°c，通過其電阻值的變化數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11可準(zhǔn)確的計(jì)算出水流的溫度。
[0039]信號(hào)調(diào)理電路16的作用在于放大和濾波，避免在信號(hào)采集過程中受到干擾，引起信號(hào)的幅值發(fā)射變化，同時(shí)將經(jīng)過反射后的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，減少信號(hào)的衰減。信號(hào)調(diào)理電路16由選頻放大電路、峰值采樣電路和自動(dòng)增益電路組成。選頻放大電路采用MAXM公司生產(chǎn)的MAX4353芯片，其可對(duì)單一頻率的超聲波進(jìn)行放大，能夠使用3.3V電壓進(jìn)行供電，滿足了設(shè)備低功耗的要求。峰值采樣電路由MAX4353芯片、二極管、三極管和電阻電容組成。信號(hào)的峰值被采樣保持之后，隨之傳送到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11的引腳之上。自動(dòng)增益電路采用可編程放大器PGA來實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益的控制，可編程放大器PGA的具體信型號(hào)為ADI公司的AD8557，由數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益控制。
[0040]數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11采用德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，大大降低了熱量表的功耗。數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11接收到超聲波換能器15傳輸?shù)捻?逆流傳播時(shí)間之后，計(jì)算出平均流速和流量。并通過電容充放電的方法，測(cè)量出不同時(shí)段電阻值的大小，最后根據(jù)電阻值和流量，計(jì)算出供熱量。
[0041]微處理器12采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機(jī)作為控制核心，其具有工作電壓低、功耗低、運(yùn)算能力高等優(yōu)點(diǎn)。微處理器12連接和控制M-bus通信模塊17、顯示模塊18、輸入模塊19、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊20。M-bus通信模塊17可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和傳輸，其采用異步串行通信的方式，通過單片機(jī)內(nèi)的同一串行同/步模塊來完成，只需要配置好相應(yīng)的寄存器，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收就可以總動(dòng)完成。多臺(tái)超聲波熱量表可通過M-bus通信總線連接并可連接計(jì)費(fèi)管理。顯示模塊18采用液晶屏，液晶屏的管腳直接與微處理器12的相應(yīng)引腳連接在一起，由微處理器12驅(qū)動(dòng)液晶屏的顯示。用戶可通過顯示模塊18直觀地讀取用熱狀況的相關(guān)信息，如當(dāng)前熱量、累計(jì)熱量、入水口溫度、出水口溫度等等。本實(shí)用新型的超聲波熱量表由于在出廠時(shí)，各種參數(shù)已經(jīng)設(shè)置完畢，不需要通過按鍵再次進(jìn)行設(shè)置，只需要通過按鍵查詢一系列數(shù)值并顯示出來，所以輸入模塊19只包括查詢和復(fù)位兩個(gè)按鍵，兩個(gè)按鍵各連接占用一個(gè)微處理器12上的中斷I/O 口。當(dāng)查詢按鍵被按下時(shí)，產(chǎn)生了中斷信號(hào)，將微處理器12從休眠中喚醒，查詢用熱狀況的相關(guān)信息并在顯示模塊18上顯示，進(jìn)一步節(jié)省了能耗。MSP430F449單片機(jī)具有復(fù)位功能，復(fù)位按鍵通過單片機(jī)上的復(fù)位管腳發(fā)送信號(hào)之后，單片機(jī)即可以復(fù)位。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊20負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)，采用Dallas公司生產(chǎn)的DS1302時(shí)鐘芯片，芯片的管腳與數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11相連，使數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11能夠?qū)?shí)時(shí)時(shí)鐘模塊20進(jìn)行讀寫操作。
[0042]本實(shí)用新型的超聲波熱量表的M-bus通信模塊17內(nèi)具有電源轉(zhuǎn)換模塊，可以提供
3.3V的電源用于熱量表的工作。此外，熱量表中還設(shè)置有一電源模塊21，作為系統(tǒng)的后備電源，以防止M-bus通信模塊17的突然斷電，保證熱量表能夠獨(dú)立的工作，測(cè)量數(shù)據(jù)不丟失。電源模塊21包括一塊3.6V的鋰電池和一個(gè)直流穩(wěn)壓器。直流穩(wěn)壓器采用Holtek公司生產(chǎn)的HT7333-A芯片，經(jīng)過穩(wěn)定后的電壓保持在3.3V，不僅滿足了系統(tǒng)的運(yùn)行需要，也達(dá)到了較低的功耗。
[0043]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲波熱量表，安裝于一段供熱管線之上，其特征在于，包括: 溫度傳感器，安裝于供熱管線內(nèi)，用于測(cè)量供回水的溫度差； 至少兩個(gè)超聲波換能器，安裝于供熱管線內(nèi)，用以測(cè)量供回水的流速； 信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和自動(dòng)增益控制； 微控制器模塊，與溫度傳感器和超聲波傳感器相連，用于計(jì)算出供熱量并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制； M-Bus模塊，與微控制器模塊相連，用以傳輸熱量表測(cè)量的數(shù)據(jù)， 電源模塊，用以對(duì)熱量表進(jìn)行供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波熱量表，其特征在于，所述超聲波換能器安裝于供熱管的同一側(cè)內(nèi)壁上并保持一段距離，每一臺(tái)超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)經(jīng)過另一側(cè)內(nèi)壁的反射后由另一臺(tái)接收探頭接收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波熱量表，其特征在于，微控制器模塊采用TDC-GP21數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片作為主要測(cè)量計(jì)算電路，單片機(jī)MSP430F449作為主控MCU。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波熱量表，其特征在于，所述超聲波熱量表還包括一個(gè)液晶顯示器，所述液晶顯示器與微控制器模塊相連，用于顯示瞬時(shí)熱量、累計(jì)熱量、熱水溫度和電源指示信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波熱量表，其特征在于，所述超聲波熱量表還包括一個(gè)時(shí)鐘模塊，所述時(shí)鐘模塊與微控制器模塊相連，用于為微控制器模塊提供記錄數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波熱量表，其特征在于，所述電源模塊采用鋰電池供電。
【文檔編號(hào)】G01K17/10GK203929285SQ201420208863
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】胡嘯鷹 申請(qǐng)人:上海至信實(shí)業(yè)股份有限公司