基于基于TDC-GP22高精度低功耗超声波热量表的设计高精度低功耗超声波热量表的设计
基于新型的高速时间数字转换芯片TDC-GP22,利用时差法测量原理,设计了一款高精度低功耗的超声波热量
表。为提高测量精度,采用W反射式超声波热量表基表实现流量的测量;为实现低功耗,采用MSP430系列单片
机作为主控芯片,实现对外围电路的控制及数据处理。TDC-GP22的测量单元主要完成超声波传输时间和进、
出口温度的测量。在A类环境下对多组热量表的测试结果表明:该热量表准确度高,流量误差能控制在1%以
内,静态工作电流≤9 μA,性能稳定,具有广阔的应用前景。
0 引言引言
按照建设节约型社会的要求,冬季取暖实行热能计量收费变得越来越普遍,因此以
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。
针对上述问题,利用时差法原理,基于Acam公司的专用热量表设计的功能更强大的计时芯片GP22,设计了一款符合我国
国情的
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条件下对多组热量表进行了测试。
1 超声波热量表的测量原理超声波热量表的测量原理
1.1 超声波热量表的热量计量数学模型超声波热量表的热量计量数学模型
超声波热量表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,通过测出管道内水流量和供、回水温差来计算
用户所消耗的热量。水流经过热交换系统时,依据流量传感器测出的流量和温度传感器测出的供水温度、回水温度,以及
式中:Q为用户消耗的热量,单位J;q
m
为流经热量表水的质量流量,单位kg/h;q
v
为流经热量表水的体积流量,单位m
3
/h;ρ
为水的密度,单位kg/m
3
;Δh为水的焓差值,单位J/kg;τ为时间,单位h。
1.2 时差法测流量原理及其数学模型时差法测流量原理及其数学模型
超声波瞬时流量测量是利用时差法原理进行测量的,而基表的选型不同其测量精度也不同,因此基表的选型直接关系到最
后热量表的测量精度。通过查阅参考文献[3-5]可知,W型基表优点尤为突出,此基表没有明显的扰动部件,能反映不同截面的
流速且测量时受温度影响较小,而且由于W安装方案超声波经过3次反射,超声波传播路径较长,根据时差法测量原理,这使
得W型测量精度较高,因此本文采用
超声波热量表测量原理如图1所示,所设计热量表是利用一对配对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波信号,通过计
时芯片TDC_GP22测量出超声波在水中顺流和逆流的传播时间差来测量管道内的水速,然后通过流速计算出水的流量
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。
P1、P2和P3为超声波反射板,θ为超声波的反射角,L为超声波的传输距离(L=L1+L2+L3+L4),c为超声波在静水中的传播速
度,S为管径截面积,A、B为超声波换能器。
当A向B发送超声波时测出的顺流传播时间t
d
为:
当B向A发送超声波时测出的逆流传播时间t
u
为:
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