超声波式热量表如何设计一个超声波热量表？

在对超声波热量测量原理进行理论研究的基础上，结合行业标准，利用超声波流量测量技术和热量测量技术研制了一种热量表，并给出了系统软硬件结构的设计方法。研究内容包括热量表的测量原理、超声波换能器的工作原理、样机的研制、测试和验证。

总体方案设计

本方案设计的超声波热量表是一个整体热量表。将低功耗单片机技术、数字温度流量测量技术、超声波流量测量技术和远程集中抄表技术有效结合。

本设计中的超声波热量表主要由三部分组成:TDC-GP21设计的温度和流量计、MSP430F4481设计的积分器及相关外围电路、TSS721A设计的M-BUS系统。图1是TDC-GP21测得的超声波热量表方案原理框图。

与其他测量芯片相比，TDC-GP21非常适合低成本的超声波热量表设计。TDC-GP21性能优异(包括高精度时间测量、精确时钟校准、自动测量模式和低功耗测量方案)，因此只需简单的微处理器和很少的外部电路就可以构成完整的超声波热量表方案，大大降低了成本。

GP21温度和流量测量

TDC-GP21提供了与TDC-GP2引脚完全兼容的功能，以及一些改进的功能和额外的扩展功能。如图2所示，内部集成了时钟电路、温度测量单元、脉冲发生器、上止点测量电压、简单算术单元ALU和模拟分量比较器。集成模拟开关将大大简化外围电路的设计。同时，测量质量将得到提高，测量功耗将得到降低。

为了测量进水口和出水口之间的温差，TDC-GP21采用了其集成的微微应变测量方法，提供了一种高精度、低功耗的温度测量方案。由于温度传感器的电阻值与温度有一定的关系，芯片会通过直接测量温度传感器RTD电阻的变化来获得相应的温度值，这个过程是通过内部非常精确的时间测量来完成的。测量时，传感器的测量电阻和基准稳温电阻将分别对同一电容进行充放电，因此放电时间将由内部TDC测量单元以高精度ps时间分辨率进行测量。图3示出了GP21温度测量的原理和典型的充放电曲线。

只有通过单片机将相应的操作代码传输到GP21，才能自动高效地完成GP21的温度测量。TDC-GP21通过发送操作码“Start_Temp”快速测量一次温度，TDC-GP21通过发送操作码“Start_Temp_Restart”快速测量两次温度，两次测量之间的时间延迟为50Hz或60Hz的整数倍。这将降低50赫兹或60赫兹的噪声。与单次快速测温相比，TDC-GP21首先会根据配置进行多次预热测量，然后根据pt4的顺序进行

当传感器电阻相对于温度稳定时，电阻的变化会通过放电的时间比来反映。放电时间的计算公式为:

根据RRTD值，通过计算相应的公式或查询相应传感器的温度表，可以得到传感器测得的温度信息。

PT1000是一种铂热电阻，电阻值会随着温度的变化而变化，属于正电阻系数热敏电阻。它的命名意义是:PT后的1000表示其电阻在0℃时为1000ω，20℃时为1097.347ω，300℃时为2120.515ω。其工作原理:当PT1000处于0℃时，其电阻值为1000ω。它的电阻会随着温度的升高而匀速增加，这是一个线性关系。等式(3)是温度和PT1000电阻值之间的关系:

(3)

R(t)是温度t时铂热电阻的阻值(ω)；(t)是温度(℃)；R0为铂热电阻在0℃时的电阻值(ω)；a和b是刻度常数；

刻度常数:

a = 3.9083×10-3℃--1，B =-5.775×10-7℃--2；

PT1000厚膜铂电阻温度传感器的电阻值与温度之间的关系偏离给定分度表的公差不超过((0.30+0.005∣t∣·t·∣).

GP21的流量测量是基于超声波上下游之间的非常时间。两个超声波换能器将分别连接到GP21的上游和下游测量端口，这两个换能器可以用作接收端或发射端。图4是基于时间间隔测量的超声波流量测量的示意图。

GP21中有一个脉冲发生器，它可以交替发射1兆赫兹的脉冲，驱动两个换能器，然后测量这个脉冲从换能器A到换能器B的飞行时间，再反过来测量从换能器B到换能器A的飞行时间。超声波在下游的飞行时间比在上游短。假设声音路径是S，S=L+S1+S2。T1:超声波从换能器a发射到换能器b接收的时间。T2:超声波从换能器b发射到换能器a接收的时间。测量完成后，测量结果将由外部单片机处理。第一步，单片机会计算上下游的飞行时差。

Flow_sum为累计流量(单位:l)；

在累计流量的基础上，通过水的焓系数和温差可以得到累计热量:

(10)

T2是入口温度(单位:℃)；T1为出口温度(单位:℃)；k为水的焓系数(单位:kJ/kg)；流量总和是累计流量(单位:升)。

总线的应用设计

对于RS485总线，目前大多是工业控制系统，RS485通信接口电路需要DC/DC电源，不仅增加了系统的成本，也增加了智能传感器的功耗，无法满足电力终端设备的供电要求。M-Bus接口电路可以从总线上获取电能，其低功耗可以满足终端设备的供电要求。结合M-Bus可任意分支、通信速率高的功能，最终确定M-Bus用于智能传感器网络。它可以大大简化住宅小区和办公楼的复杂布线，具有结构简单、成本低、可靠性高的优点。

M-Bus是电表专用的总线架构，是由主机控制，由主、从、双线电缆连接的分层通信系统。不同的从机不直接交换信息，而是通过主机。M-BUS是一种新型的国际标准仪表总线，具有结构简单、成本低、可靠性高等特点。线路连接方式采用双绞线，连接方式与拓扑和极性无关，便于管理和维护。双绞线不仅可以实现300 ~ 9600 bps的半双工异步通信，还可以同时完成信息数据通信和仪器供电。

M-Bus的主要特点:两条无极传输线在供电的同时发送串行数据进行通信，每个从机(用不同的ID区分)可以并行安装在M-Bus上。

(1)主机向从机发送数据。通过改变主机的端电压发送到终端(从机)的电压。电压用36V脉冲序列的信号集表示逻辑“1”，用+24 V表示逻辑“0”，稳态时线路会保持“1”状态；

(2)从机向主机发送数据。通过改变总线上的电流来传输信号。1.5毫安的电流值代表逻辑“1”。当“0”被发送时，电流增加到11〜20毫安。在稳定状态下，总线保持在“1”状态；

M-Bus的传输原理如图5所示。主机使用电压调制方法来改变总线电压，但保持总线电流不变，从而向从机发送数据。主机发送数据“1”时，输出主驱动获得高电压。当主机发送的数据为“0”时，输出主驱动器获得低电压。m总线从机通过检测总线电压变化识别数据“1”或“0”。因为总线上总有电压，从机可以从总线上获取功率，但电流消耗是恒定的。从站使用总线电流调制向主站发送数据，而总线保持较高的电压。当从机发送数据“1”时，从机消耗恒定电流。当从机发送数据“0”时，从机控制电流调制，增加一定的电流消耗值。主机通过电流检测电路检测调制电流，并输出增益数据“1”或“0”。