一種超聲波熱量表的制作方法
【專利摘要】本實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、實時時鐘模塊、M-Bus模塊和電源模塊系統(tǒng)設(shè)計簡單，數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用TDC-GP21芯片，整合了流量測量和溫度測量，提高了測量精度和穩(wěn)定性，微處理器采用MSP430F449芯片，整合管理了各個模塊，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——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。與建筑業(yè)過去已普遍使用的戶用計量表——水表、電表、煤氣表相比，有更復(fù)雜的設(shè)計和更高的技術(shù)含量。超聲波熱量表是一種包含機械、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費收費的一個關(guān)鍵儀表和重要依據(jù)，其測量精度、工作穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)是非常重要的。國外生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的超聲波熱量表技術(shù)過硬，質(zhì)量有保證，但是價格較高，是國產(chǎn)熱量表的兩倍以上，阻礙了其在我國的大面積實用。而國內(nèi)熱量表的研制工作要比國外晚得多，且由于國內(nèi)惡劣的供熱水質(zhì)，對熱量表的測量準(zhǔn)確度，可靠性和實用壽命都有著很高的技術(shù)要求。目前國產(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]因此為了滿足國內(nèi)市場上迫切的熱計量需求相比，國產(chǎn)熱量表產(chǎn)品顯然是不能滿足的。
實用新型內(nèi)容
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實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量手段，具有MBUS傳輸總線，大大提高測量精度。
[0009]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(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)，用于測量供回水的溫度差；
[0012]至少兩個超聲波換能器，安裝于供熱管線內(nèi)，用以測量供回水的流速；
[0013]信號調(diào)理電路，將傳感器發(fā)送的信號進(jìn)行濾波、放大和自動增益控制；
[0014]微控制器模塊，與溫度傳感器和超聲波傳感器相連，用于計算出供熱量并對系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制；
[0015]M-Bus模塊，與微控制器模塊相連，用以傳輸熱量表測量的數(shù)據(jù)，
[0016]電源模塊，用以對熱量表進(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，每一臺超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號經(jīng)過另一側(cè)內(nèi)壁的反射后由另一臺接收探頭接收。
[0018]進(jìn)一步的，微控制器模塊采用TDC-GP21數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片作為主要測量計算電路，單片機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，用于顯示瞬時熱量、累計熱量、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時鐘模塊，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)采集的實時時間。
[0021 ] 進(jìn)一步的，所述電源模塊采用鋰電池供電。
[0022]本實用新型具有以下有益效果:
[0023]1、測量精度高，采用了 TDC-GP21芯片作為計算單元核心，整合了流量測量和溫度測量，時間精度達(dá)到了 ns級別，流量、溫度測量更加準(zhǔn)確；
[0024]2、低功耗，采用鋰電池供電，選用低功耗的電路，延長了系統(tǒng)在不更換電池的情況下的使用時間。
[0025]3、系統(tǒng)簡單可靠，采用了簡單可行且可靠穩(wěn)定的信號處理電路，在實現(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、人機工效好，設(shè)備操作簡單，顯示內(nèi)容清晰；
[0028]6、適應(yīng)能力強，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用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，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信號調(diào)理電路、17通信模塊、18顯示模塊、19輸入模塊、20實時時鐘模塊、21電源模塊。

【具體實施方式】
[0033]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0034]圖1為本實用新型的系統(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、實時時鐘模塊20和電源模塊21。本實用新型的原理在于，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測量出進(jìn)水和回水管道的溫度，超聲波探頭15檢測出測量出進(jìn)水和回水管道的流速，數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11將這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出該系統(tǒng)所放出的熱量，通過其他電路的輔助，實現(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)射聲波信號之后經(jīng)過內(nèi)壁對應(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，精度較直接發(fā)送接收的安裝方式更高，信號散射損失更小。發(fā)射探頭15A與接收探頭15B安裝于同一個水平面上，使管道內(nèi)不會發(fā)生堵塞造成壓力損失。
[0037]在實際工作過程中，超聲波換能器15A接收到發(fā)射接收切換電路13發(fā)送的激勵震蕩信號以后，從而使發(fā)射端的機械振動系統(tǒng)進(jìn)入振動狀態(tài)，帶動介質(zhì)向外輻發(fā)射超聲波。超聲波換能器15B的震動面接收到外來的超聲波信號，觸發(fā)了機械振動系統(tǒng)，利用壓電效應(yīng)使聲波能量轉(zhuǎn)移到超聲波換能器15B的儲能元件上，引起電磁場的變化，產(chǎn)生了一個和聲波信號相關(guān)的電流信號。發(fā)射接收切換電路13向超聲波換能器15B反射激勵震蕩信號，使其電磁場發(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。當(dāng)發(fā)射探頭15A發(fā)射聲波，接收探頭15B接收聲波時，可測量出超聲波順流傳播的時間；當(dāng)接收探頭15B發(fā)射聲波，發(fā)射探頭15A接收聲波時可測量出逆流傳播的時間。
[0038]作為一個優(yōu)選的實施例，為了提高測量精度，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，其電阻值隨溫度呈線性變換，在0°c時，其電阻值為1000 Ω，在O°C到150°C時，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)確的計算出水流的溫度。
[0039]信號調(diào)理電路16的作用在于放大和濾波，避免在信號采集過程中受到干擾，引起信號的幅值發(fā)射變化，同時將經(jīng)過反射后的超聲波信號進(jìn)行放大，減少信號的衰減。信號調(diào)理電路16由選頻放大電路、峰值采樣電路和自動增益電路組成。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。自動增益電路采用可編程放大器PGA來實現(xiàn)信號增益的控制，可編程放大器PGA的具體信型號為ADI公司的AD8557，由數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11控制，實現(xiàn)信號的增益控制。
[0040]數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片11采用德國ACAM公司生產(chǎn)的TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片采用低功耗設(shè)計，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?逆流傳播時間之后，計算出平均流速和流量。并通過電容充放電的方法，測量出不同時段電阻值的大小，最后根據(jù)電阻值和流量，計算出供熱量。
[0041]微處理器12采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機作為控制核心，其具有工作電壓低、功耗低、運算能力高等優(yōu)點。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、實時時鐘模塊20。M-bus通信模塊17可以將數(shù)據(jù)實時處理和傳輸，其采用異步串行通信的方式，通過單片機內(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完成。多臺超聲波熱量表可通過M-bus通信總線連接并可連接計費管理。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、累計熱量、入水口溫度、出水口溫度等等。本實用新型的超聲波熱量表由于在出廠時，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)位兩個按鍵，兩個按鍵各連接占用一個微處理器12上的中斷I/O 口。當(dāng)查詢按鍵被按下時，產(chǎn)生了中斷信號，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單片機具有復(fù)位功能，復(fù)位按鍵通過單片機上的復(fù)位管腳發(fā)送信號之后，單片機即可以復(fù)位。實時時鐘模塊20負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供實時時間數(shù)據(jù)，采用Dallas公司生產(chǎn)的DS1302時鐘芯片，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)崟r時鐘模塊20進(jìn)行讀寫操作。
[0042]本實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，保證熱量表能夠獨立的工作，測量數(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)的運行需要，也達(dá)到了較低的功耗。
[0043]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實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)包含在本實用新型的保護范圍之內(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)，用于測量供回水的溫度差； 至少兩個超聲波換能器，安裝于供熱管線內(nèi)，用以測量供回水的流速； 信號調(diào)理電路，將傳感器發(fā)送的信號進(jìn)行濾波、放大和自動增益控制； 微控制器模塊，與溫度傳感器和超聲波傳感器相連，用于計算出供熱量并對系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制； M-Bus模塊，與微控制器模塊相連，用以傳輸熱量表測量的數(shù)據(jù)， 電源模塊，用以對熱量表進(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，每一臺超聲波換能器發(fā)射的超聲波信號經(jīng)過另一側(cè)內(nèi)壁的反射后由另一臺接收探頭接收。
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)換芯片作為主要測量計算電路，單片機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，用于顯示瞬時熱量、累計熱量、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時鐘模塊，所述時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)采集的實時時間。
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】G01K17/10GK203929285SQ201420208863
【公開日】2014年11月5日 申請日期: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 申請人:上海至信實業(yè)股份有限公司