一種超聲波熱量表空管檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲波熱量表空管檢測領(lǐng)域，具體是一種超聲波熱量表空管檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波熱量表包括基表和管段，管段的進口端和出口端與供熱系統(tǒng)的管道連接，超聲波熱量表是通過超聲波的方法測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得的物理量一一熱載體的流量和進出口的溫度，再經(jīng)過密度和熱焓值的補償及積分計算，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)的機電一體化產(chǎn)品，目前在許多領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。
[0003]在超聲波熱量表中，測量流量的先決條件是要求被測流體必須充滿管道，否則將不能進行正確的流量測量。另一方面，在非供暖季節(jié)由于管道內(nèi)無水，這就需要儀表休眠并停止測量，以節(jié)省電池消耗。因此，設(shè)計空管檢測裝置來檢測超聲波熱量表的管段是否為空管是必要的。
[0004]對于超聲波熱量表而言，簡單的空管檢測方法是通過檢測超聲波信號丟失來確定是空管，雖然這種方法可以省去空管傳感器，但有時在超聲波信號丟失時，并不等于是空管，因而增加了判定空管的復(fù)雜性，誤差大。常用的方法是采用電極式傳感器直接測量液體的導(dǎo)電率，但電極表面容易被電蝕氧化而逐漸失去導(dǎo)電性，需要經(jīng)常對電極進行清洗，存在效率低、操作繁瑣的缺陷。較為可靠的方法是采用電容式傳感器測量液體液位變化，根據(jù)液位變化來判斷管段是否為空管，但市場上現(xiàn)有的電容式傳感器價格昂貴，加裝于超聲波熱量表時存在匹配性不佳的缺陷，因而，研發(fā)一種低成本的、專用于空管檢測的電容式傳感器將有助于改善超聲波熱量表的檢測性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明將超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)有水或無水狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電容量大小變化，并通過測量電容量來判斷管道是否為空管;采用自主研發(fā)的電容式傳感器結(jié)合單片機技術(shù)，通過差值運算求得電容式傳感器的值，進而通過比較即可判斷金屬管道是否為空管。本發(fā)明的電容式傳感器結(jié)構(gòu)巧妙、成本低、與超聲波熱量表的匹配度高;本發(fā)明的檢測系統(tǒng)設(shè)計合理，檢測方法方便快捷，相比于現(xiàn)有技術(shù)具有誤差小、效率高的優(yōu)勢。
[0006]本發(fā)明提供一種用于超聲波熱量表空管檢測的電容式傳感器，包括檢測電極、電介質(zhì)、外電極，所述外電極設(shè)置在超聲波熱量表的金屬管道表面，所述檢測電極插入超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)，所述電介質(zhì)包覆在所述檢測電極表面，將所述檢測電極與外電極、金屬管道以及金屬管道內(nèi)的水或空氣隔開，所述檢測電極通過所述電介質(zhì)與金屬管道內(nèi)的水或空氣接觸。
[0007]優(yōu)選地，所述電介質(zhì)為在所述檢測電極表面塑封的絕緣層。
[0008]進一步地，所述檢測電極插入金屬管道內(nèi)的深度能夠調(diào)整，所述檢測電極、外電極與金屬管道內(nèi)的水或空氣組合構(gòu)成一可變面積式電容式傳感器。
[0009]本發(fā)明還提供了一種超聲波熱量表空管檢測系統(tǒng)，包括充放電回路和檢測電路，所述充放電回路由參考電容、電阻和上述電容式傳感器并聯(lián)構(gòu)成或者由參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成，所述檢測電路包括檢測模塊、計算模塊和判斷模塊，
[0010]所述檢測模塊用于檢測電容式傳感器和參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcsENS以及參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tCREF，
[0011 ]所述計算模塊用于將檢測的放電時間tCSENS和tCREF進行求差運算，得到電容式傳感器的實際放電時間 tcSENS ' , tcSENS ' = tcSENS-tcREF ;
[0012]所述判斷模塊用于將tcSENS '與tcREF進行比較，如果tcSENS ' > tcREF，貝>J判定超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)有水;如果tcSENS' < tCREF時，則判定超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)無水。
[0013]具體地，所述檢測模塊包括數(shù)字/模擬復(fù)用端口、模擬比較器和定時器，所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口的一端與所述充放電回路連接，另一端與所述模擬比較器的正輸入端連接，所述模擬比較器的負輸入端連接參考電壓Vref的輸出端，所述模擬比較器的輸出端與所述定時器連接；
[0014]所述充放電回路由參考電容、電阻和電容式傳感器并聯(lián)構(gòu)成時，所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口用于作為數(shù)字端口輸出為高電平時，向所述電容式傳感器和參考電容充電，作為模擬輸入端口時，所述電容式傳感器和參考電容通過電阻放電，并將放電電壓Vcsens輸入模擬比較器;所述模擬比較器用于將所述放電電壓Vcsens與所述參考電壓Vref進行比較，當(dāng)Vcsens低于Vref時，模擬比較器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑谙陆笛貢r刻捕獲定時器的值，該值即為電容式傳感器從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcsENS ；
[0015]所述充放電回路由參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成時，所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口用于作為數(shù)字端口輸出為高電平時，向所述參考電容充電，作為模擬輸入端口時，所述參考電容通過電阻放電，并將放電電壓Vcref輸入模擬比較器;所述模擬比較器用于將所述放電電壓Vcref與所述參考電壓Vref進行比較，當(dāng)V cref低于Vref時，模擬比較器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，在下降沿時刻捕獲定時器的值，該值即為參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tCREF ο
[0016]優(yōu)選地，所述檢測電路包括I/O端口，所述I/O端口與所述充放電回路連接，所述1/0端口切換到輸出時，所述電容式傳感器接入所述充放電回路，所述1/0端口切換到輸入，SP斷開電容式傳感器的充放電路徑。
[0017]進一步地，所述參考電容的值小于所述電容式傳感器的最大電容值，大于所述電容式傳感器的最小電容值;其中，所述電容式傳感器的
[0018]最大電容值為Cmax = 23TeoerHx/ln(d2/dl)，
[0019]最小電容值為Cmin = 23TeoHx/ln(d2/dl)，
[0020]式中:εο為電介質(zhì)的介電常數(shù);er為金屬管道內(nèi)空氣或水的介電常數(shù);Η為檢測電極插入金屬管道內(nèi)的深度;dl為檢測電極直徑;d2為電介質(zhì)的直徑。
[0021]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種超聲波熱量表空管檢測方法，所述方法采用上述超聲波熱量表空管檢測系統(tǒng)對超聲波熱量表的金屬管道進行檢測，包括以下步驟:
[0022]S1、將電容式傳感器、參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，檢測電容式傳感器和參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcsENS ；
[0023]S2、將參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，檢測參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcREF ；
[0024]S3、將檢測的放電時間tcSENS和tcREF進行求差運算，得到電容式傳感器的實際放電時 I司 tcSENS '，tcSENS ' = tcSENS—tcREF ；
[0025]S4、將tcSENS'與tcREF進行比較，如果tcSENS' > tcREF，則判定超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)有水;如果tcSENS' < tCREF時，則判定超聲波熱量表的金屬管道內(nèi)無水。
[0026]具體地，所述將電容式傳感器、參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，檢測電容式傳感器從Vcc放電到Vref時所需要的放電時間tcsENS具體包括:
[0027]將電容式傳感器、參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，將所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口作為數(shù)字端口輸出為高電平，向所述電容式傳感器和參考電容充電，將所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口作為模擬輸入端口，所述電容式傳感器和參考電容通過電阻放電，并將放電電壓Vcsens輸入模擬比較器;所述模擬比較器獲取所述放電電壓Vcsens和參考電壓Vref，將放電電壓Vcsens和參考電壓Vref進行比較；當(dāng)Vcsens低于Vref時，模擬比較器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑谙陆笛貢r刻捕獲定時器的值，該值即為電容式傳感器和參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcsENS。
[0028]具體地，所述將參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，檢測參考電容從電源電壓Vcc放電到參考電壓Vref時所需要的放電時間tcREF具體包括:
[0029]斷開電容式傳感器的充放電路徑，將參考電容和電阻并聯(lián)構(gòu)成充放電回路，將所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口作為數(shù)字端口輸出為高電平，向所述參考電容充電，將所述數(shù)字/模擬復(fù)用端口作為模擬輸入端口，使所述參考電容通過電阻放電，并將放電電壓V C R E F輸入模擬比較器;所述模擬比較器獲取所述放電電壓Vcref和參考電壓Vref，將放電電壓Vcref和參考電壓Vref進行比較；當(dāng)Vcref低于Vref時，