基于温差发电的改进W型反射式超声波热量表设计
摘 要： 随着超声波热量表在市场上应用的增多，对超声波热量表的运行稳定性以及测量精度的要求也越来越高。从节约能源的角度出发，设计选取高精度时间转换芯片TDC?GP22，配合具有超低功耗特点的MSP430系列单片机作为MCU，同时采用超声波换能器和Pt1000温度传感器形成流量温度测量系统，并采用改进W型反射式基表结构提高流量测量精度。为了延长超声波热量表的使用周期，设计基于TEG1?241系列温差芯片的发电装置，并实现剩余电量为锂离子电池充电。考虑到环境中电磁干扰对测温精度影响较大，采用均值滤波的方法减小因干扰带来的误差。最后在A类环境下对多组热量表进行测试，实验结果表明，该热量表准确度高， 静态工作电流低，性能稳定，具有广阔的应用前景。
关键词： 超声波热量表； TDC?GP22； 改进W型反射式结构； 温差发电
中图分类号： TN?61； TH701 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）16?0163?04
Abstract： With the application increase of the ultrasonic heat meters in the market， the requirements for higher running stability and measuring accuracy of the ultrasonic heat meter are presented. Proceeding from the energy saving， the high?precision time conversion chip TDC?GP22 matching with the ultra?low power consumption MSP430 serial microcontroller is selected as the MCU， the ultrasonic transducer and Pt1000 temperature sensor are adopted to form the flow and temperature measurement system， and the improved W?type reflective basic meter structure is used to improve the measuring accuracy of flow. In order to prolong the use cycle of the ultrasonic heat meter， a power generating set based on TEG1?241 series temperature difference chip was designed， by which the lithium?ion battery can be charged up with its remaining capacitance. In consideration that the electromageric interference in surrounding environment can affect on the temperature measurement accuracy greatly， the mean filtering method is adopted to reduce the error caused by interference. The multigroup ultrasonic heat meters were tested in A class environment. The results show that the heat meter has the characteristics of high accuracy， low static working current， good stability， and wide application prospect .
Keywords： ultrasonic heat meter； TDC?GP22； improved W?type reflective structure； thermoelectric power generation
0 引 言
我国传统的供暖方式往往是按照建筑面积来收取取暖费用，不能做到按需供暖，造成了资源的巨大浪费，不符合我国建设资源节约型社会的要求，因此按需所供的热量表计量收费将会变的普遍，而机械式热量表存在诸多缺点，因此超声波热量表在未来一段时间将会占据中国大部分市场[1]。而目前市场上超声波热量表在计量准确性以及运行稳定性等方面有许多不足。针对现有不足，基于时差法测量原理[2]，采用高精度时间转换芯片TDC?GP22，配合低功耗微处理器MSP430，设计了一款具有低功耗、高精度的超声波热量表，针对使用周期短问题，采用温差发电芯片将供热管道内外的温差转化成电能供给系统使用，并且在发电量剩余的情况下利用系统自带充电装置为系统中锂离子电池充电，此设计将大大延长热量表的使用寿命。设计完成后对系统进行了整体调试，并在A类环境条件下对多组热量表进行了测试。测试结果表明，此产品精度高且稳定性好，因此具有很好的市场前景。
1 超声波热量表工作原理
超声波热量表具有精度高、对水质要求低、可靠性好的特点，其工作原理是在超声波流量计的基础上添加温度传感器实现温度的测量[3]。通过液体流过热交换系统，依据流量传感器与温度传感器Pt1000的测量分别计算出液体的体积流量和进出水温度，通过高精度计时芯片TDC?GP22测出超声波在顺逆水流中的传播时间差来计算水流速度进而求出水流的体积流量，然后低功耗的单片机MSP430接收到由芯片TDC?GP22发送的温度差值信号和液体流速信号后以此计算出用户消耗的热量，最后在液晶屏幕上显示。超声波热量表整体结构设计图如图1所示。 用户消耗热量的计算[4]依据行业行为标准CJ128?2007给出的热量计算公式：
[Q=τ0τ1qm?Δhdτ=τ0τ1ρ ? qv? Δhdτ] （1）
式中：[Q]表示用户消耗的热量，单位为[J]；[qm]表示流经热量表水的质量流量，单位为kg/h；[qv]表示流经热量表水的体积流量，单位为m3/h；[ρ]表示流经热量表的水的密度，单位为kg/m3；[Δh]表示进出口温度下水的焓差值，单位为J/kg；[τ]表示时间，单位为h。
超声波流量表对流量的测量是通过时差法来实现的，因此不同的基表结构，测量精度将有很大的差别。通过查找文献[5?6]可知，V型结构虽然能精准地测量不同流层的水流状态，但是壁面气泡和微小颗粒等现象都会对流量计的测量造成不好的影响，以及由于管道材质生锈等表面光滑度原因，使超声波在通过管壁反射时有可能会在反射面处发生折射、散射等情况干扰测量，所以导致精度不高；U型结构能够准确测试中间速度，但是由于加入反射立柱装置，妨碍了液体的流动，污垢容易在上面滋生，长期的使用将会导致灵敏度和精度降低。
基于上述基表结构问题，采用改进W型安装方式。这种安装方式声波传播距离长，测量精度高，可以反应不同截面的流速，能够有效地减少立柱式结构等阻挡部件对水流形态造成的影响。考虑到壁面微小颗粒、壁面生锈或气泡等对测量的影响，在测试前端和中间安装涡发生器来对反射信号的壁面进行冲刷，同时在管道进出口位置加装整流片使水流平稳流动，以减少激流对超声波测量的影响。通过多次试验对比矩形翼、梯形翼和三角翼对测量结果的影响，文中选择三角翼，实验表明涡发生器与整流片的安装能够有效减少液体流过中心时产生的偏差，不易堵塞，压力损失小，超声波信号能够实现稳定发射和接收，保证了测量精度，具有很好的使用价值。超声波热量表基表结构示意图如图2所示，换能器1、换能器2相向收发超声波信号，由计时芯片测量出超声波在水中顺流和逆流时传播时间计算出水流的速度，然后通过流速计算出水流的体积流量，为了进一步减小误差，逆顺流时间计算时通过采集多组数据，然后采用均值滤波对数据进行处理。
[P1，P2，P3]为超声波反射板；[θ]为超声波的反射角；传播距离[L=L1+L2+L3+L4]；[A1，A2]为涡发生器；[B1，B2]为整流片；管道横截面积为S；超声波信号在流体中的传播速度为C；液体流速为V。从换能器1发出信号到进入液面和信号由液面进入换能器2的时间为[t0]，则超声波信号顺流的传播时间[tp]为：
[tp=t0+L（C+Vcosθ）] （2）
逆流的传播时间[tu]为：
[tu=t0+L（C-Vcosθ）] （3）
则时差[Δt]为：
[Δt=2LVcos θ（C2-V2cos2θ）≈2LVcos θC2] （4）
相应的，流体的流速[V]与[Δt]的关系为：
[V=C2Δt2Lcosθ=C2Δttan θ16Sπ] （5）
由于超声波测量得出的速度[V]是线速度，而根据体积流计算方法需要计算面速度[V]，引入校准系数[k]，即[V=kV，]则流体的瞬时流量[q]的计算公式为：
[q=SkV=kC2ΔttanθπS16] （6）
2 硬件电路的设计
硬件电路包括温度和流量数据测量模块、通信模块、稳压模块、数据处理模块以及热量的计算和相关数据的存储和显示模块等。
微处理器CPU采用TI （Texas Instruments）公司的MSP430系列单片机，其具有较高集成度，丰富片内外设，运行稳定可靠性高，且有保护模块，并且最大的优势是超低功耗，因此是核心部件的最佳选择。高精度计时芯片选用ACAM公司生产的TDC?GP22芯片[7]，TDC?GP22的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增加驱动芯片，简化了设计并降低了成本。高精度的时间测量、简洁的外部电路、集成的内部信号处理算法、超低的整体功耗测量特性使其相对于普通芯片在超声波热表中的应用占据非常大的优势，同时TDC?GP22新增的智能第一回波检测功能，使时间窗口不再受时差变化的影响，从而实现脉冲间隔的精确测量。这些特殊功能使其相对于FPGA或者分立元器件更能适合热量和流量检测方面的应用。同时配合超声波换能器和Pt1000温度传感器测量流速和水温，最后将测量结果在液晶屏上显示。
2.1 基于TDC?GP22的外围电路设计
TDC?GP22硬件电路模块主要完成流量与温度测量[8?9]，其外围电路如图3所示。
芯片上的FIRE_UP和FIRE_DOWN用来发送和接收超声波信号，通过对信号的采集，计算液体的流动速度。温度测量是基于引脚PT3和PT4上连接的电阻对电容的充放电时间得到的，该电容分别对参考电阻和Pt1000放电。并且这个温度测量单元的精度可达16位有效精度，相当于0.004 ℃，更为重要的是，进行一次完整的温度测量，其功耗小于[2.5 μA]，完全符合功耗低，精度高的要求。
2.2 电源电路的设计
超声波热量表的设计虽然实现了低功耗，但是毕竟电池容量有限，仍避免不了电池更换的麻烦，考虑到管道中的热水温度与室内温度之间存在很大的温差，所以可以采用温差发电技术[10]，将热能转化为电能。只要管道内水温与室温存在一定温差，温差发电片就可以产生直流电压，当温差达到1 ℃可产生约70 mV的电压，可靠性较高，适合作为发电装置，并且实现剩余电量给锂离子电池充电功能。温差发电系统的结构图如图4所示，本文采用TEG1?241系列温差芯片，由于温差发电片产生的电压很低，同时还掺杂着干扰信号，因此，不能将电压直接给热量表供电或给锂离子电池充电。所以需要先通过升压变压器升压，然后通过稳压系统稳压后供给系统使用。 超声波热量表的供电主要来源于两部分：3.6 V，2 200 mA・h的可充电锂电池和文中设计的温差发电系统。两者通过MSP430内部集成的电量监控模块SVS（Supply Voltage Supervisor）自动切换电源模块的供电顺序，首先通过温差发电片TEG1?241组成的温差发电装置为系统供电，当SVS检测到电压低于所需值时，产生一个内部中断，来自动切换锂离子电池供电，为了确保系统供电的准确性，本系统还设计了一个报警电路，当电压低于系统供电时会触发报警信号。图5为系统的稳压电路图，通过稳压芯片LN1130_C将3.6 V锂电池电压和温差发电片输出电压转化成3.3 V给系统供电。
在温差发电系统电量充足时电源系统会通过由MAX1679组成的充电系统为锂电池充电。具体电路如图6所示，首先将温差发电芯片的发电电压通过升压变压器升压后进入由集成稳压芯片LM317组成的稳压电路中，通过调节式（7）中的[R2]使LM317输出6 V，850 mA供充电芯片MAX1679使用。
当MAX1679检测到锂离子电池电压低于2.3 V时，为了防止锂离子蓄电池深度放电后进行快充造成损坏，提供5 mA的电流对电池进行预充；当电压大于2.3 V小于3.6 V时，则MAX1679打开外接的P沟道场效应管对电池进行快速充电；当充电接近结束时，P沟道场效应管的断开时间大大超过导通时间，充电结束。管脚 [CHG]与管脚 IN 之间连接作为充电指示状态的发光二极管。没有给电池供电时，发光二极管不亮；当给电池快速充电或终止判断时，发光二极管亮；充电结束时，发光二极管停止闪烁。
3 系统软件设计
软件设计是整个系统的一个重要部分，软件设计的成功与否直接影响超声波热量表的性能以及测试的准确性。超声波热量表的软件流程图如图7所示。
系统上电后，首先进行初始化，然后进入主程序，处理器进入低功耗LPM3模式，等待中断唤醒，当发生定时器中断时，系统进入温度与流量采集程序，发生外部中断时，系统进入显示或者按键程序。由于温度变化不大，为了降低功耗，温度采集程序30 s执行1次，流量采集程序1 s执行1次。
4 测试条件及结果
通过微安表PC5000对热量表进行功耗测试，测试结果如表1所示。通过测试可知所设计热量表功耗较低，静态工作电流[≤9 μA]。
表1 热量表功耗测试数据
根据热量表行业标准文件CJ128?2007中的规定，本文采用管径为DN25的热表，水温在55 ℃左右，利用型号为RGZ15?25Z 的热表检测装置，利用5个表分别在不同的位置进行测量，实验结果如表2所示。其中二级表流量传感器出厂测试准确度公式[Eq=±2+0.02qpq]，式中，[qp=3.5 m3/h]。累计流量实际值与标准数据对比图如图8所示，测试结果表明，所设计热量表精确度高，误差可控制在1%以内。
5 结 论
针对市场上热量表存在的一些问题，本文设计的超声波热量表具有以下优点：采用低功耗单片机MSP430作为MCU，配合高精度时间转换芯片TDC?GP22，实现了超声波热量表功耗低精度高的要求；在基表结构上采用改进的W型反射式基表结构，这种安装方式传播距离长，测量精度高，并且安装了涡发生器和整流片，避免了微小颗粒、气泡和激流对测量的影响；采用温差发电芯片和锂离子电池双电源供电，保证了系统供电的可靠性，相应的延长了电池的使用寿命，并且对资源进行了最大化利用，符合资源节约型的国策；在数据采集时，为避免单次采集的随机性，将数据采集多次，然后采用均值滤波对数据进行处理，进一步提高了系统的精度。
参考文献
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