CN203929285U - 一种超声波热量表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波热量表，包括温度传感器、超声波换能器、信号调理电路、数字转换芯片、微处理器、显示模块、输入模块、实时时钟模块、M-Bus模块和电源模块***设计简单，数字转换芯片采用TDC-GP21芯片，整合了流量测量和温度测量，提高了测量精度和稳定性，微处理器采用MSP430F449芯片，整合管理了各个模块，降低了***的功耗和成本。

Description

一种超声波热量表

技术领域

本发明涉及一种热量表，具体为一种超声波热量表。

背景技术

超声波热量表通过超声波的方法测量流量及显示水流经热交换***所释放或吸收热能量的仪表。它通过两种传感器测得的物理量——热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值。它是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品。与建筑业过去已普遍使用的户用计量表——水表、电表、煤气表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。超声波热量表是一种包含机械、电子和信息技术的高科技产品，目前在许多领域获得了成功的应用。

超声波热量表是供热体系中按热量计费收费的一个关键仪表和重要依据，其测量精度、工作稳定性等技术指标是非常重要的。国外生产厂家生产的超声波热量表技术过硬，质量有保证，但是价格较高，是国产热量表的两倍以上，阻碍了其在我国的大面积实用。而国内热量表的研制工作要比国外晚得多，且由于国内恶劣的供热水质，对热量表的测量准确度，可靠性和实用寿命都有着很高的技术要求。目前国产的超声波热量表普遍存在着以下的问题：

1.***构造复杂，功耗高；

2.不便于数字化管理，不能适用于大规模的远程智能抄表***；

3.测量精度不高，设备能耗偏高，使用寿命短，可靠性低。

因此为了满足国内市场上迫切的热计量需求相比，国产热量表产品显然是不能满足的。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是为了提供一种超声波热量表采用超声波作为流量测量手段，具有MBUS传输总线，大大提高测量精度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的。

一种超声波热量表，安装于一段供热管线之上，包括：

温度传感器，安装于供热管线内，用于测量供回水的温度差；

至少两个超声波换能器，安装于供热管线内，用以测量供回水的流速；

信号调理电路，将传感器发送的信号进行滤波、放大和自动增益控制；

微控制器模块，与温度传感器和超声波传感器相连，用于计算出供热量并对***进行管理和控制；

M-Bus模块，与微控制器模块相连，用以传输热量表测量的数据，

电源模块，用以对热量表进行供电。

进一步的，所述超声波换能器安装于供热管的同一侧内壁上并保持一段距离，每一台超声波换能器发射的超声波信号经过另一侧内壁的反射后由另一台接收探头接收。

进一步的，微控制器模块采用TDC-GP21数字转换芯片作为主要测量计算电路，单片机MSP430F449作为主控MCU。

进一步的，所述超声波热量表还包括一个液晶显示器，所述液晶显示器与微控制器模块相连，用于显示瞬时热量、累计热量、热水温度和电源指示等信息。

进一步的，所述超声波热量表还包括一个时钟模块，所述液晶显示器与微控制器模块相连，用于为微控制器模块提供记录数据采集的实时时间。

进一步的，所述电源模块采用锂电池供电。

本实用新型具有以下有益效果：

1、测量精度高，采用了TDC-GP21芯片作为计算单元核心，整合了流量测量和温度测量，时间精度达到了ns级别，流量、温度测量更加准确；

2、低功耗，采用锂电池供电，选用低功耗的电路，延长了***在不更换电池的情况下的使用时间。

3、***简单可靠，采用了简单可行且可靠稳定的信号处理电路，在实现功能的前提下，达到了较高的可靠度；

4、配备各种通信模块和接口供用户选择，方便联网；

5、人机工效好，设备操作简单，显示内容清晰；

6、适应能力强，可在较恶劣的大气环境、力学环境和电磁环境下工作；

7、安装简单方便，成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图中：1数字转换芯片、12微处理器、13发射接收切换电路、14温度传感器、15超声波换能器、16信号调理电路、17通信模块、18显示模块、19输入模块、20实时时钟模块、21电源模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型的***框架图。

如图1所示，一种超声波热量表，包括温度传感器14、超声波换能器15、信号调理电路16、发射接收切换电路13、数字转换芯片11、微处理器12、M-bus通信模块17、显示模块18、输入模块19、实时时钟模块20和电源模块21。本实用新型的原理在于，温度传感器14和超声波探头15安装于供热管道的出入 水回路上，温度传感器14测量出进水和回水管道的温度，超声波探头15检测出测量出进水和回水管道的流速，数字转换芯片11将这些测量数据进行处理，计算出该***所放出的热量，通过其他电路的辅助，实现数据的显示和传输。

所述超声波探头15安装于管道内，发射探头15A与接收探头15B安装于供热管的同一侧内壁上，发射探头15A发射声波信号之后经过内壁对应一侧的一次反射之后由接收探头15B接收。这种安装方式保证了超声波传播量程更长，精度较直接发送接收的安装方式更高，信号散射损失更小。发射探头15A与接收探头15B安装于同一个水平面上，使管道内不会发生堵塞造成压力损失。

在实际工作过程中，超声波换能器15A接收到发射接收切换电路13发送的激励震荡信号以后，从而使发射端的机械振动***进入振动状态，带动介质向外辐发射超声波。超声波换能器15B的震动面接收到外来的超声波信号，触发了机械振动***，利用压电效应使声波能量转移到超声波换能器15B的储能元件上，引起电磁场的变化，产生了一个和声波信号相关的电流信号。发射接收切换电路13向超声波换能器15B反射激励震荡信号，使其电磁场发射变化，产生逆压电效应，使超声波换能器15B向超声波换能器15A发射超声波信号。当发射探头15A发射声波，接收探头15B接收声波时，可测量出超声波顺流传播的时间；当接收探头15B发射声波，发射探头15A接收声波时可测量出逆流传播的时间。

作为一个优选的实施例，为了提高测量精度，温度传感器14采用铂电阻温度传感器，分别安装于管道的出、入水口测量出、入水口的水流温度。铂电阻温度传感器具有感应温度灵敏，器件尺寸小、物理和化学性能稳定等优点，其电阻值随温度呈线性变换，在0℃时，其电阻值为1000Ω，在0℃到150℃时，其电阻值的变化率为稳定的3.851Ω/℃，通过其电阻值的变化数字转换芯片11可准确的计算出水流的温度。

信号调理电路16的作用在于放大和滤波，避免在信号采集过程中受到干扰，引起信号的幅值发射变化，同时将经过反射后的超声波信号进行放大，减少信号的衰减。信号调理电路16由选频放大电路、峰值采样电路和自动增益电路组成。选频放大电路采用MAXIM公司生产的MAX4353芯片，其可对单一频率的超声波进行放大，能够使用3.3V电压进行供电，满足了设备低功耗的要求。峰 值采样电路由MAX4353芯片、二极管、三极管和电阻电容组成。信号的峰值被采样保持之后，随之传送到数字转换芯片11的引脚之上。自动增益电路采用可编程放大器PGA来实现信号增益的控制，可编程放大器PGA的具体信型号为ADI公司的AD8557，由数字转换芯片11控制，实现信号的增益控制。

数字转换芯片11采用德国ACAM公司生产的TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片采用低功耗设计，大大降低了热量表的功耗。数字转换芯片11接收到超声波换能器15传输的顺/逆流传播时间之后，计算出平均流速和流量。并通过电容充放电的方法，测量出不同时段电阻值的大小，最后根据电阻值和流量，计算出供热量。

微处理器12采用TI公司生产的MSP430F449单片机作为控制核心，其具有工作电压低、功耗低、运算能力高等优点。微处理器12连接和控制M-bus通信模块17、显示模块18、输入模块19、实时时钟模块20。M-bus通信模块17可以将数据实时处理和传输，其采用异步串行通信的方式，通过单片机内的同一串行同/步模块来完成，只需要配置好相应的寄存器，数据的发送和接收就可以总动完成。多台超声波热量表可通过M-bus通信总线连接并可连接计费管理。显示模块18采用液晶屏，液晶屏的管脚直接与微处理器12的相应引脚连接在一起，由微处理器12驱动液晶屏的显示。用户可通过显示模块18直观地读取用热状况的相关信息，如当前热量、累计热量、入水口温度、出水口温度等等。本实用新型的超声波热量表由于在出厂时，各种参数已经设置完毕，不需要通过按键再次进行设置，只需要通过按键查询一系列数值并显示出来，所以输入模块19只包括查询和复位两个按键，两个按键各连接占用一个微处理器12上的中断I/O口。当查询按键被按下时，产生了中断信号，将微处理器12从休眠中唤醒，查询用热状况的相关信息并在显示模块18上显示，进一步节省了能耗。MSP430F449单片机具有复位功能，复位按键通过单片机上的复位管脚发送信号之后，单片机即可以复位。实时时钟模块20负责给***提供实时时间数据，采用Dallas公司生产的DS1302时钟芯片，芯片的管脚与数字转换芯片11相连，使数字转换芯片11能够对实时时钟模块20进行读写操作。

本实用新型的超声波热量表的M-bus通信模块17内具有电源转换模块，可以提供3.3V的电源用于热量表的工作。此外，热量表中还设置有一电源模块21， 作为***的后备电源，以防止M-bus通信模块17的突然断电，保证热量表能够独立的工作，测量数据不丢失。电源模块21包括一块3.6V的锂电池和一个直流稳压器。直流稳压器采用Holtek公司生产的HT7333-A芯片，经过稳定后的电压保持在3.3V，不仅满足了***的运行需要，也达到了较低的功耗。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声波热量表，安装于一段供热管线之上，其特征在于，包括：

温度传感器，安装于供热管线内，用于测量供回水的温度差；

至少两个超声波换能器，安装于供热管线内，用以测量供回水的流速；

信号调理电路，将传感器发送的信号进行滤波、放大和自动增益控制；

微控制器模块，与温度传感器和超声波传感器相连，用于计算出供热量并对***进行管理和控制；

M-Bus模块，与微控制器模块相连，用以传输热量表测量的数据，

电源模块，用以对热量表进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种超声波热量表，其特征在于，所述超声波换能器安装于供热管的同一侧内壁上并保持一段距离，每一台超声波换能器发射的超声波信号经过另一侧内壁的反射后由另一台接收探头接收。

3.根据权利要求1所述的一种超声波热量表，其特征在于，微控制器模块采用TDC-GP21数字转换芯片作为主要测量计算电路，单片机MSP430F449作为主控MCU。

4.根据权利要求1所述的一种超声波热量表，其特征在于，所述超声波热量表还包括一个液晶显示器，所述液晶显示器与微控制器模块相连，用于显示瞬时热量、累计热量、热水温度和电源指示信息。

5.根据权利要求1所述的一种超声波热量表，其特征在于，所述超声波热量表还包括一个时钟模块，所述时钟模块与微控制器模块相连，用于为微控制器模块提供记录数据采集的实时时间。

6.根据权利要求1所述的一种超声波热量表，其特征在于，所述电源模块采用锂电池供电。