【文章內(nèi)容簡介】 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。(3)在測量時，管道中沒有限流件，流體在傳輸過程中不存在壓力損失，對節(jié)約能源非常有利。(4)電子線路的集成度高，幾乎不需要維護(hù)與修理，編程簡單靈活，用戶輸入的數(shù)據(jù)均為常用的原始直接數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過人工計算，省時省力效率高。所謂超聲波傳播的時間，指的是從發(fā)射信號發(fā)出去開始計時，到接收換能器接收到到轉(zhuǎn)換信號的時刻止，兩個信號之間的這段時間。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(rèn)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。這種芯片的優(yōu)勢是直接與單片機(jī)通信，并且擁有高度精度，功耗低的優(yōu)勢，方便了硬件電路的設(shè)計，降低了整機(jī)成本和功耗。根據(jù)上述要求，德國ACAM公司的第二代高精度計時芯片TDCGP2比較適合，它具有超高的測量精度和極小尺寸的封裝，在低成本的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。TDCGP2內(nèi)部擁有精度超高的時間測量單元，接收信號使能，高速脈沖發(fā)生器，時鐘控制和溫度測量等功能，這些功能模塊的優(yōu)勢使得它十分適合超聲波流量測量與熱量測量這兩方面的應(yīng)用。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(dá)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)生器圖32 傳播時間測量硬件簡圖(5)內(nèi)置時鐘校準(zhǔn)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(jìn)行補(bǔ)償(6)溫度測量端口有四個，能夠進(jìn)行溫度實(shí)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(shí)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(dú)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。測量過程具體如下：單片機(jī)給壓電陶瓷一個脈沖，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，在被測液體中進(jìn)行傳播，同時，該脈沖通過START引腳啟動了TDCGP2的高速計時模塊，當(dāng)超聲波穿到了另一端的壓電陶瓷，通過逆壓電效應(yīng)，將超聲波轉(zhuǎn)變成電信號，該電信號通過STOP引腳停止了高速計時模塊的計數(shù)，此時得到了這段時間參考時鐘脈沖的個數(shù)CC，則： (310) 溫度測量原理在目前熱量表行業(yè)，測量的元件基本都是采用的Pt1000熱電阻，其電阻值與溫度的關(guān)系如下：在不超出測量范圍時，溫度小于0℃時，關(guān)系式為： (311)在不超出測量范圍時，溫度大于0℃時，關(guān)系式為： (312)式中：0℃時Pt1000阻值，單位為Ω； t℃時Pt1000阻值，單位為Ω。式中的系數(shù)A、B、C的值分別為A=10/℃；B=﹣10/℃； C=﹣10/℃。 溫度測量的實(shí)現(xiàn)通過對溫度測量方式的分析，根據(jù)所選用的Pt1000的特性，只要在不同溫度時測得Pt1000的阻值就能通過公式求得要測的溫度，所以，最主要的任務(wù)是設(shè)計一種發(fā)放來測量Pt1000的電阻值，從而得到溫度的測量。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： 圖33 恒流源測溫電路圖電橋輸出電壓為： (313)有R，成立時， (314)測出Vout即可求出Rt的值。 圖34 恒壓源測溫電路圖電橋輸出電壓為： (315)根據(jù)上面導(dǎo)出的計算式可以求得Pt1000的阻值Rt，再根據(jù)溫度與電阻的關(guān)系式來求得溫度值。但是這種方法存在著自身的缺點(diǎn)，由于采用了恒流源或者恒壓源，這樣使得電路的功耗大。在選用的TDCGP2芯片內(nèi)部具有一個專門來測量溫度的模塊，它是根據(jù)電容充放電原理來實(shí)現(xiàn)溫度測量的，GP2里面擁有4個測溫端口，同時可以對兩對傳感器進(jìn)行測量，這樣也就能實(shí)現(xiàn)在設(shè)計超聲波熱量表的時候，能夠滿足冷端溫度和熱端溫度的同時測量。這個測溫單元具有16位的有效測量精度，℃。下面就介紹一下怎么通過電容充電放電來測電阻。不同的阻值的電阻對同一個電容進(jìn)行充放電，然后該電容想同一個阻值的電阻進(jìn)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。測量原理如圖35所示。充放電法是建立在單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)內(nèi)部的定時器和模擬比較器來對充放電時間進(jìn)行監(jiān)控和測量，來得到充放電的時間。工作過程如下：電路連接圖如圖35，在單片機(jī)P口上的任何一個輸入輸出口和模擬比較器之間連接上被測電阻Rsens，在單片機(jī)P口的另一個口和同一輸入端口(+)之間連接上參考電阻Rref，在比較器的輸入端有一個電容接地。這時通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。這是由于電容充放電將導(dǎo)致模擬比較器的輸入端電壓發(fā)生變化。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。圖35 電容充放電反映電阻大小模擬比較器的另端模擬輸入端(﹣)。先通過電阻對電容有一段時間的充電，然后放電。模擬比較器的爭端的電壓會慢慢的降低。當(dāng)開始放電時，記下現(xiàn)在定時器的值TAR，當(dāng)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。這樣通過測量就能夠得到被測電阻和參考電阻不同的放電時間，由于放電曲線近似直線，近似圖如圖36，根據(jù)公式： (316)可得： (317)采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)熱量表內(nèi)部溫度的測量功能，同時經(jīng)過對比，這種方案可以大大的簡化系統(tǒng)的的設(shè)計。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(diǎn)則的精度。(1)連接鉑電阻的引線電阻對測量的影響。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(rèn)為是測溫電阻的一部分被接入了電路中，隨著測溫點(diǎn)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。目前一般菜用三線制或者四線制的測溫電阻來解決這個問題。(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。制造工藝等原因?qū)е铝送慌K電阻在溫度相同時被測出來的阻值不能夠完全相同，具有一定的誤差。(3)安裝對測量精度帶來的影響。根據(jù)安裝要求，鉑電阻傳感器的探頭必須超過管道中心，這樣才能夠充分的與熱載體接觸。在使用過程要保護(hù)導(dǎo)線的圖36 電容充放電時間絕緣。導(dǎo)線的接頭端與其他的相連的導(dǎo)線接頭連接要確保可靠鏈接，否則將導(dǎo)致接觸電阻會太大。(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，當(dāng)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)。熱量表是一種可以測量在熱交換環(huán)路中的載熱液體能夠吸收或轉(zhuǎn)換的熱量的儀器，然后通過法定的計量單位來顯示出這個過程中鋒吸收或者轉(zhuǎn)化的熱量值。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。在上行管道和下行管道分別安裝上一對溫度傳感器，流量計可以安裝在流體入口或者是回流管上，流量計發(fā)出和流量成正比關(guān)系的脈沖信號，所安裝的這對溫度傳感器能偶給出表示溫度差的模擬信號，熱量表將來自這三條路的傳感器的信號采集起來，根據(jù)相關(guān)的熱量積算公式可以算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。熱量表系統(tǒng)原理圖如圖37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。對熱量表來說，進(jìn)出口的焓值與時間的變化也成一定的比例關(guān)系。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(dá)式如式318：圖37 熱量表系統(tǒng)原理圖 (318)式中：——熱體在系統(tǒng)中釋放或者吸收的總熱量，單位是J ——熱體流經(jīng)熱量表的流量，單位為Kg/h ——熱體流經(jīng)熱量表的體積流量，單位為m/h ——熱體流經(jīng)熱量表的密度，單位為Kg/m——進(jìn)出口焓值差，單位為J/Kg ——時間，單位為s。本課題研究的熱量表也是通過焓差法來進(jìn)行熱量計算的。由于單片機(jī)內(nèi)不好進(jìn)行積分的運(yùn)算，所以一般采用每個一段時間對其進(jìn)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(yùn)算。在一定的時間段內(nèi)通過對流過系統(tǒng)的人誰的熱量的變化的總值機(jī)會可以得到熱交換系統(tǒng)所釋放的熱量。 (319)式中：——定壓比熱容，單位為J/Kg℃； ——熱交換系統(tǒng)入口水溫，單位為℃； ——熱交換系統(tǒng)出口水溫，單位為℃。在所研究的超聲波熱量表中的流量傳感器能夠直接測出的是體積流量，這樣就要根據(jù)公式把流量根據(jù)公式轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量。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(bǔ)償來提高熱量的計算精度。這樣就要將系統(tǒng)中的出口和入溫度單獨(dú)的考慮，因此上式轉(zhuǎn)化為： (320)本章介紹了超聲波熱量表的在時間，熱量，溫度上的測量的方法以及公式算法，利用超聲波時差法測量超聲波在管道內(nèi)傳播的時間，得到了傳播時間就可以得到管道內(nèi)流過水的體積，通過兩端的溫度的不同，可以得到水體在經(jīng)過管道兩端的后放出的熱量。最后介紹了一下儀表系統(tǒng)硬件的設(shè)計。第4章 數(shù)據(jù)采集與集中的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)第4章 數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)脑O(shè)計與實(shí)現(xiàn)在無線抄表系統(tǒng)中，設(shè)計的重要環(huán)節(jié)就是怎樣將超聲波熱量表內(nèi)的各種數(shù)據(jù)成功的讀取并集中。超聲波熱量表通過MBus總線系統(tǒng)連接，這樣單片機(jī)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。PC與GPRS之間通過串口實(shí)現(xiàn)通訊，將得到的信息可以以短信的方式或者語音的形式發(fā)送到熱力站。 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。MBus儀表總線屬于局域網(wǎng)(Local Area Network，簡稱LAN)式儀表結(jié)構(gòu)，在同一幢建筑、或者同一大學(xué)或連接的幾公里遠(yuǎn)地域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，也可以用來連接至監(jiān)控計算機(jī)，測量儀器，或者工作站的設(shè)備，主要是為了實(shí)現(xiàn)資源能夠共享和數(shù)據(jù)傳輸。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LAN具有星形(Star Topology)、環(huán)形 (Ring Topology)和總線形 (Bus Topology)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)需要MBus一般采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)。MBus儀表總線的優(yōu)點(diǎn)在于它是可以由電池供電或遠(yuǎn)程供電的，這就滿足了計量儀表的特殊要求。當(dāng)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(jī)或其它數(shù)據(jù)終端)。主站根據(jù)不同的要求，每隔一段時間讀取某幢建筑中所安裝的計量儀表的數(shù)據(jù)。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(dá)到上百個，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x也能夠達(dá)打數(shù)千米。除此之外數(shù)據(jù)在總線上傳輸能夠保證高度的完整性而且具有極高的快速性。 MBUS總線的結(jié)構(gòu)模型在1978年國際標(biāo)準(zhǔn)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。MBus總線協(xié)議把ISOOSI參考模型作為參考對象，但是只采用了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如表41所示。 表41 MBUS的OSI模型層功能標(biāo)準(zhǔn)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。圖41 MBUS總線結(jié)構(gòu)的原理框圖(1)物理層物理層的主要功能是能夠提供了一條“非結(jié)構(gòu)位流”傳送數(shù)據(jù)的物理通道，除此之外它還為數(shù)據(jù)鏈路層提供建立、維護(hù)和解除物理的連接。主機(jī)與從機(jī)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(fù)責(zé)物理媒體上信息的接收和發(fā)送。MBus的物理層采用MBus總線標(biāo)準(zhǔn)。(2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是在物理連接的基礎(chǔ)上建立、維護(hù)和解除數(shù)據(jù)連接。數(shù)據(jù)鏈路層傳輸信息的單元為幀，在每幀信息中加入了許多通信協(xié)議的控制信息 (如同步信息、地址信息、糾錯信息、應(yīng)答信息等)，以保證信息在接收端需要檢驗(yàn)時候正確，這樣保證了數(shù)據(jù)的無差錯傳送。MBus 的數(shù)據(jù)鏈路層采用IEC870標(biāo)準(zhǔn)。(3)應(yīng)用層應(yīng)用層是直接面向用戶的一層。主要包括讀取數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)，密鑰設(shè)置，校對廣播，控制通信