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浅析超声涡街热量表的研究 |
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作者：乔振民 郝敏钗 |
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摘 要： 针对国内外对供热现状的研究以及国家关于集中供热方面政策的最新要求，对超声涡街热量表进行了研究，文章采用超声检测涡街信号的测量方法，以微功耗单片机PIC18F8490为核心芯片，通过采用窄带跟踪滤波原理为主的测量手段实现对流量的测量；采用Pt1000高精度铂电阻对温度进行测量。
关键字： 超声涡街 窄带跟踪滤波 流量 热量表
0 引言
在市场经济条件下“，热”已成为商品。建设节约型社会，城市供热计量收费势在必行。热量表中最主要的部件—流量计，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
1 超声涡街热量表的测量原理
热量表是一种适用于测量在热交换环路中，载热液体所吸收或转换热能的仪器，热量表用法定的计量单位显示热量，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的吸热量[1]。
热量表的测量系统主要由一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上（流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同），流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表采集来自三路传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。热量表系统原理图如图1所示。
1.1 温度传感器的选择及测量原理
图1 热量表热计量系统原理图
工业用热电阻分为铂热电阻和铜热电阻2大类。相对与铜热电阻，铂热电阻复现性好，性能稳定，精确度高，在精密测温和控温中广泛应用，可以满足热量表测温度的精度要求，为此选择Pt1000铂电阻温度传感器对热量表进出口温度进行测量。在0~630.75℃的温度范围内，铂电阻的阻值与温度的关系式如下：
R1=R0（1+αθ+bθ2）
式中α＝3.96847×10-3，b=-5.847×10-7。
铂电阻信号通常通过桥式电路转换为电压信号，再经过放大及A/D转换后送微处理器进行处理。
1.2 超声传感器检测原理
超声检测涡街原理是通过超声波通过流体中旋涡时产生的频率变化间接的测量旋涡的脱离频率，在管壁上安装2对超声探头T1，R1，T2，R2，探头T1，T2发射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用，受调制声波被接收探头R1，R2转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信号。超声传感器检测原理如图2所示。检测方式是在涡街发生体下游安装超声波发射和接收装置，流体流经超声波束，由于涡街的作用，将改变超声波波形，超声波接收装置接收这个信号，与发射端信号进行比较，经单片机处理后产生一个输出信号，这个信号代表旋涡的数量，而旋涡的数量和流量成正比。
图2 超声式涡街流量传感器
超声涡街热量表主要由以PIC18F8490带有LCD驱动器和纳瓦技术的闪存单片机为核心的温度测量传感器（测量进出口管道温度），温差计算电路，超声涡街信号测量电路等组成。由于单片机的功耗管理功能使得热量表具有分时段的测量方法从而使得仪表功耗大大降低。
1.3 窄带跟踪滤波原理
通过单片机定时开/关捕捉端口实现窄带跟踪滤波。单片机实现的窄带滤波器功能如图3所示。具体实现方式如下：
图3 窄带滤波原理图
（1）单片机打开捕捉端口捕捉到2个连续脉冲信号，其间隔时间作为基准T0，然后关断捕捉端口。
（2）在7/8T0后打开捕捉端口，1/4T0后关断端口。这就形成宽度为1/4T0的捕捉窗口1。
（3）如果在窗口1捕捉到脉冲信号，与上次脉冲信号间隔记为T1。如果窗口1捕捉到脉冲信号则根据T1，按照打开窗口1方式打开窗口2；如果窗口1未捕捉到脉冲信号则根据T0在15/8T0后打开窗口2，其宽度仍为1/4T0。如果在规定时间内一直未测到脉冲信号则认为该组测量值都为0。
以上步骤实现跟踪以频率1/T0为中心，窄带频率范围为（64T0/81，64T0/49）的带通滤波器。由此可以看出T0是每次测量脉冲周期的关键所在，按照同样方法以每组间隔一定时间再测得另外2组数据，各组测得的有效数据取平均值得到每组算术平均值Ti0由于3组测得数据是在间隔很短时间内测得的，具有数值的相似性即流量的变化在很短时间内不会有大的突变，他们之间多大偏差范围之内可以判断为涡街脉冲信号是模糊的。
2 硬件电路的整体结构设计
从抗干扰和降低功耗2个角度考虑，设计了脉冲输出型数字涡街流量计的硬件电路，整体结构框图如图4所示，采用了以PIC18F8490单片机为核心的硬件结构单片机强大的控制功能和超低功耗特性于一体。热量表的整体结构可分为超声检测涡街信号电路，温度测量电桥电路等。从而实现了涡街信号采集，数据传输，数据处理，现场显示等功能。
图4 硬件电路的整体设计
3 软件设计
单片机程序的主程序设计流程图如图5所示。单片程序设计采用汇编语言编写，虽然，采用C语言编程会提高编程速度，但是执行效率不高，由于整个程序非常庞杂需要对程序的执行效率进行优化。
图5 主程序流程
高性能芯片PIC18F8490使用。随着芯片技术不断进步，高性能的微型计算机不断的面市，性价比不断提高，使得现代仪表的性能不断地提高，PIC18F8490单片机就是其中之一，它具有丰富的外设和指令集，并且功耗很低，作为超声涡街热量表的核心芯片，简化了系统电路，降低了热量表整体功耗，满足电池供电工作11年之久。
参考文献：
[1]李晶，莫德举.户用低功耗超声式热量表的研究[J].北京化工大学学报：自然科学版，2005，32（1）：74-77.
[2]赵伟国，梁国伟，李文军.低功耗远传热能表的研究[J].电测与仪表，2005，11（12）：26-28.
[3]朱善安，陈伟.智能型低功耗热量表研究[J].机电工程，2001，9（5）：18-22.(end)
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(8/2/2013) |
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