【正文】 3 /℃ ； B=﹣ 107 /℃ 2 ； C=﹣ 10 12﹣ /℃ 4 。 但是這種方法存在著自身的缺點，由于采用了恒流源或者恒壓源，這樣使得電路的功耗大。 不同的阻值的電阻對同一個電容進行充 放電，然后該電容想同一個阻值的電阻進行充放電所需要的時間是不一樣的，根據(jù)這個原理可以間接的但應(yīng)測量電阻的大小 。這時通第 3章 超聲波熱量表的研究 17 過控制 所選擇的兩個 P 口的端口來控制通過 被測電阻和固定電阻 對電容充放電。先通過電阻對電容 有一段時間的 充電，然后放電。這種設(shè)計是通過對時間的測量來得到想要測量的鉑電阻的阻值 ， 這樣對電容充放電時間的測量精度完全決定著被測 點則的精度。 (2)由于 制造工藝 的原因使得每個鉑電阻的阻值不是完全一樣 。在使用過程要保護導(dǎo)線的 V cV c c0 . 2 5 V c c電 容 充 電 電 容 充 電電 容 放 電 電 容 放 電tT r e f T s e n s 圖 36 電容充放電時間 絕緣。 熱量表 的主要組成部分為：配對溫度傳感器、 流量傳感器及積算儀。 由 熱力學(xué)理論 可知 ，熱交換系統(tǒng) 洗后或者釋放 的熱量計算表達式 如式 318： 溫 度 傳 感 器溫 度 傳 感 器積 算 儀流 量 傳 感 器用戶進 水出 水 圖 37 熱量表系統(tǒng)原理圖 r 1 r 1mvr 0 r 0q h d = q h dQ ? ? ?? ? ??? (318) 式中： Q ——熱體在系統(tǒng)中釋放或者吸收的總熱量 ，單位 是 J 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 20 mq ——熱體 流經(jīng)熱量表 的 流量，單位為 Kg/h vq ——熱體 流經(jīng)熱量表 的體積流量，單位為 m3 /h ?——熱體 流經(jīng)熱量表 的密度，單位為 Kg/m3 h? ——進出口焓值差，單位為 J/Kg ?——時間，單位為 s。 ()p m p m r cQ C q C q? ? ?? ? ? ? (319) 式中： pC ——定壓比熱容，單位為 J/Kg. ℃ ； r? ——熱交換系統(tǒng) 入口水溫，單位為 ℃ ； c? ——熱交換系統(tǒng)出口水溫，單位為 ℃ 。最后介紹了一下儀表系統(tǒng)硬件的設(shè)計。 MBus 儀表總線 設(shè)計 MBus 儀表總線協(xié)議 MBus 是 Paderborn 大學(xué)的 Dr. Horst Ziegler 與 TI公司的 Deutschland GmbH 和 Techem GmbH 共同提出的，專門用 在 公共事業(yè)儀表的總線結(jié)構(gòu)上 ，稱 MeterBus，簡稱 MBus。 根據(jù)需要 MBus 一般采用拓撲結(jié)構(gòu) 的總線系統(tǒng) 。 一般而言， 能夠接入儀表總線上的計量儀表的數(shù)目能夠達到上百個 ，數(shù)據(jù)傳輸 的 距離 也能夠 達 打 數(shù)千米。 表 41 MBUS 的 OSI 模型 層 功能 標準 應(yīng)用層 格式化數(shù)據(jù) NE14343 表示層 空 會晤層 空 傳輸層 空 網(wǎng)絡(luò)層 路由傳送 —— 數(shù)據(jù)鏈路層 建立數(shù)據(jù)連接 IEC 870 物理層 設(shè)備連接 MBUS 儀表總線結(jié)構(gòu)原理見圖 41 所示。 (2)數(shù)據(jù)鏈路層 。 主機與從機之間的接口的物理特性與電氣特性都在 物理層 中得到了 規(guī)定，負責(zé)物理媒體上信息的接收和發(fā)送。 MBUS 總線的結(jié)構(gòu)模型 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 在 1978 年 國際標準化組織提出了 OSI(open System Interconnection，即開放系統(tǒng)互聯(lián) )七層參考模型。當計量儀表收到 發(fā)送讀取 數(shù)據(jù) 命令 時， 它將自己前測量的數(shù)據(jù)傳送 至 主站， (主站可以是計算機或其它數(shù)據(jù)終端 )。 MBus 儀表總線具有的三個基本特征： 比較廣的 范圍， 可靠的 傳輸技術(shù)， 具有 拓撲結(jié)構(gòu)。超聲波熱量表通過 MBus 總線系統(tǒng)連接 ，這樣單片機與熱量表的通訊經(jīng)過 MBus 總線，得到的數(shù)據(jù)集中在 MBus 集中器中，然后通過 ZIGBEE 發(fā)送到 PC。在熱量表系統(tǒng)中，溫度 隨著時間的變化在不斷的變化，導(dǎo)致了水的密度也在不斷的對著溫度的變化來變化 ， 所以就要同多對密度變化的補償來 提高熱量的計算精度。 由于單片 機內(nèi)不好進行積分的運算 ， 所以一般采用每個一段時間對其進行一次熱量的計算的方法來解決這個問題 ， 然后將每次得到的熱量累加起來得到累計的熱量 ，這樣就能夠避免了冗雜的積分運算 。熱量表系統(tǒng)原理圖如圖 37 熱量積算方法 決定 傳熱量 的因素 一般由 比熱容，溫度和 載熱流體的質(zhì)量等因素決定。 (4)在電路的設(shè)計過程中應(yīng)該主要不能使流過 鉑電阻的電流 大于 1mA，第 3章 超聲波熱量表的研究 19 當 流過鉑電阻的電流過大的時候，其自身的產(chǎn)熱將會影響到測量精度，也就是 所謂的自熱效應(yīng)。 (3)安裝對 測量 精度 帶來 的影響。 再 鉑電阻接入測溫電路 的同時 ， 與它相連接的 引線電阻同時也被 認為是 測溫電阻的一部分 被接入 了電路中， 隨著測溫點與熱量表之間的距離越來越大，被接入電路中的引線電阻已經(jīng)不能被忽略 ，而且 這部分阻值還會隨著溫溫度的變化而不斷的變化 。當開 始放電時，記下現(xiàn)在定時器的值 TAR，當模擬比較器 有 輸出信號 PA0OUT時， 通過捕獲 定時器， 能夠 再次 記錄 定時器值， 兩次記錄的定時器的差值就是接入電阻的放電時間 。如果先被測電阻充放電，在參考電阻充放電，則由于兩電阻阻值不一樣，而引起充放電時間也不一樣，如圖 36 所示 。 充放電法 是建立 在單片機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的， 單片機內(nèi)部的定時器和 模擬比較器來對充放電時間進行監(jiān)控和測量，來得到充放電的時間 。這個 測溫 單元 具有 16 位的有效測量精度，也就是說能夠測量的最小單位是 ℃ 。 這里可以 選用的 有 電阻電橋測量法 一般 Pt1000 通過電橋測量電阻的 方式 有兩種 ，一種是 恒流源 供電，另一種 是 恒壓源供電，如圖 33 和 34 所示： RRvRtRcI 圖 33 恒流源測溫電路圖 電橋輸出電壓為： ou t c ttc12=R2 2 +RRVRRR? ? （ ） (313) 有 R cR ， tR 成立時， 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 ()2out c tIV R R?? (314) 測出 Vout 即 可求出 Rt 的值。 TDCGP2 主要參數(shù)： (1)電壓輸出范圍 較寬 ， 輸入輸出 電壓： ， Core 電壓： ； (2)具有 四線 SPI 接口，數(shù)據(jù)傳輸率 高達 1MHz (3)工作溫度范圍 較寬 ： 40℃ ~125℃ (4)具備內(nèi)部的 觸發(fā)脈沖發(fā)生器 發(fā) 射 信 號接 收 信 號S T A R TS T O P單片機管 道數(shù)據(jù)傳輸 圖 32 傳播時間測量硬 件簡圖 (5)內(nèi)置時鐘校準單元， 由于 溫度變化 引起的門電路傳播 時間上的延時變化 能夠 進行補償 (6)溫度測量端口 有四個 ， 能夠 進行溫度實時 測量 (7)停止脈沖 的 使能窗口 精確度非常高 ， 能夠 容易的實現(xiàn)開窗功能 (8)可以 根據(jù)不同的需要 選擇 是 上升沿 /下降沿單獨觸發(fā) 來接收信號還是上升沿和下降沿同時觸發(fā) 來接收信號 。由于超聲波的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化都是 根據(jù) 壓電效應(yīng) 產(chǎn)生的 ，所以采用 的芯片計時精度 高，其中計時芯片的 開始管腳 和 停止管腳 管腳，分別 對應(yīng)著 計時開始 信號 的輸入管腳 和計時結(jié)束 信號的輸入腳， 生產(chǎn)廠家出廠時就設(shè)定了管腳的觸發(fā)方式 ，并且只能 接收一次觸發(fā)，即 開始 通道中 接受到 第一個 START 信 號的脈沖 后，該通道則 認為 關(guān)閉， 接收 到的 任何脈沖信號 不再有效 ， 直到 芯片初始化 后 ， 從 下一次測量開始， 結(jié)束通道和開始通道 做相同處理。 (2)對被測液體 來說，超聲波測量 方法 屬于非接觸 式測量，在測量 過程中不損壞管道，這 不僅滿足了工廠生產(chǎn)中不斷水的要求，也帶了極為方便的安裝。超聲波在流動的水 中傳播，順流方向傳播速度會增大，逆流方向 傳播減小，同一傳播距離便產(chǎn)生了 不同的傳播時間，利用其 時間差與被測流體流速之間的關(guān)系可以得到測量流體的速度 ，進而換算成流量。 超聲波流量監(jiān)測的方法 超聲波流量監(jiān)測屬于超聲應(yīng)用的一種，主要是應(yīng)用了聲速測量的技術(shù)。 第 3章 超聲波熱量表的研究 11 第 3 章 超聲波熱量表的 研究 我國建設(shè)部 于 1995 年發(fā)布 了 《建筑節(jié)能 ―九五 ‖計劃和 2020 年規(guī)劃》，提出我國住宅集中供暖地區(qū)至 2020 年將全面實施分戶計量和收費，經(jīng)歷了十多年的改革發(fā)展 ，城鎮(zhèn)供熱體制改革 制度開始 計入計量設(shè)施量產(chǎn) 化 及安裝調(diào)試的 重要階段。 系統(tǒng)運行監(jiān)控管理中心可以查看系統(tǒng)中任何一個熱量表和鎖閉閥的數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，并可以對數(shù)據(jù)進行智能分析，為熱力公司調(diào)控提供數(shù)據(jù)依據(jù)，保障供熱均衡；同時當出現(xiàn)異?；驘崃勘砉收蠒r，可以及時地采取措施。初始化 ZigBee 模塊建立網(wǎng)絡(luò)，與采集器建立連接；初始化 GPRS 模塊申請入網(wǎng)與中心服務(wù)器建立連接。然后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待集中器內(nèi)的 ZigBee 模塊的應(yīng)答。而在此網(wǎng)絡(luò)上提供的 GPRS 數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)資費甚至低于專網(wǎng)的維護費用，同時有著數(shù)據(jù)傳輸速率高、通信質(zhì)量可靠、開發(fā)周期短、安裝調(diào)試方便等顯著優(yōu)點。 由于集中器的分散性、距中心服務(wù)器較遠，所以采用 GPRS 技術(shù)進行無線傳輸數(shù)據(jù)。對于該系統(tǒng)，終端分布較集中，集中器與采集器之間距離較短，且傳輸數(shù)據(jù)量少，實時性要求高，因此采用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸 ]2[ 。結(jié)構(gòu)原理圖如圖 22 所示。集中器與采集器之間應(yīng)用 ZigBee 技術(shù)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)通信局域網(wǎng)。 本論文重點介紹了，在數(shù)據(jù)集中的過程中的方法， 就是 MBUS 總線加上 ZIGBEE 無線傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中和傳輸，這種方式可靠性比較高 。隨著短距離微功耗無線通信技術(shù)的升溫，無線集中抄表慢慢的成為了一種比較好的選擇。供需雙方都 希望有能夠自動快速不干擾居民生活 的抄表收費方式，能同時兼顧 到 用戶和管理部門 雙方的 利益， 不但 可以實現(xiàn)簡單操作程序，用戶方便，挺高了人民群總的生活質(zhì)量，也使得企業(yè)的負擔(dān)得到減輕，企業(yè)的經(jīng)濟成本得到減輕，并且使得用戶的安全性得到了提高，所以需要一種更完善的自動抄表方案來解決這些問題。 (1)從用戶 的需 求方面來說， 一種新的抄表付費方式 確實需要開發(fā)。 (5)不能適應(yīng) 現(xiàn)代化的物流管理 。隨著市場經(jīng)濟的逐步完善，熱作為一種商品 也開始慢慢的被人們接受 。 (2)由于抄表質(zhì)量低引起的不明損失大。當前在我國國內(nèi)大量使用的仍然是采用傳 統(tǒng)人工抄表方式，部分地區(qū)已經(jīng)慢慢設(shè)立 遠程抄表的試點。 國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前我國 所使用的抄表方式基本可以分為三種。 另外， 1986 年 美國建立了 AMRA 自動抄表研究協(xié)會 ，每 一年左右開一次國際 年會， 很多專題報道都會在年會上出現(xiàn)，目的在于能夠進一步 推廣和發(fā)展 ARM 技術(shù)。截止到2020 年 1 月，北美已經(jīng)有 49311372 個單元使用自動抄表。使得這種抄表方式能夠大規(guī)模的推廣變成了一種可能。 自動抄表技術(shù) 在技術(shù)和管理兩方面都繼續(xù)得到長足的進步和改革，因為自動抄表系統(tǒng)火熱的發(fā)展起來。目前使用的熱量表一般都是單獨 的計量， 每個表只是單獨的測量一個用戶的細心，無法連接成網(wǎng)絡(luò) ，從而導(dǎo)致熱網(wǎng) 對每個計量點的信息 無法集中實時監(jiān)控， 這樣有 些用戶對于熱量中心來說都無法檢測到 ， 導(dǎo)致了供熱水平 和效率 低下 ，無法達到節(jié)約能源、降低損耗 的根本目的。因此我國供熱水 平得不到很大的發(fā)展 ， 這樣使得我國的熱量資源得到了極大的浪費。 1988 年，國際計量組織發(fā)布 了世界上第一個國際的熱量表標準文件： OIML—R75 號國際建議熱量表。根據(jù)歐美 國家的經(jīng)驗，采用 每戶交自己的熱費可以節(jié)能 20％ ~34％，這也正好適應(yīng) 了國家的節(jié)能減排的政策。 所得到的數(shù)據(jù)需要人工的輸入到計算機當中，降低了現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的效率。 以前 的抄表方式都是抄表員 到現(xiàn)場親自抄表。采用GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主控中心對集中器的遠程控制 ， 介紹了 通過單片機控制GPRS 通過短信形式發(fā)送讀表命令 ， 進行 了主控中心系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ， 通過 VC 編寫上位機程序，主要包括數(shù)據(jù)庫編程和主控界面的設(shè)計。 參 考 資 料 1． 張毅剛等 .單片機原理與應(yīng)用設(shè)計