热量表设计方案

热量表设计方案

1 引言

把热表计量技术中的关键要素——温度和流量引入到热计量技术中；利用热介质的温差及供热系统中流量相对稳定的概念，将每个计算单元的温差及流量作为热能计量的依据，实现热量计量。

2 核心技术介绍 2.1热量计算原理

在供热用户中安装热量表，当热水流经供热用户时，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及热水流经的时间，可计算并显示供热用户所吸收的热量。其基本公式为：

1

1

r r m

v

r r Q q

hdt q

hdt ρ=

∆=

∆⎰⎰ （1）

式中：Q —供热用户所吸收的热量，J 或W .h

m q —流经热量表的水的质量流量，kg/h v q —流经热量表的水的体积流量，m 3

/h

ρ—流经热量表的水的密度，kg/m 3

Δh —供热用户的入口和出口温度下的焓值差，J/kg τ—时间，h

2.2 红外无线通信技术

红外线是指波长在750nm~1mm 之间的电磁波，它的频率介于微波和可见光之间，是一种人眼看不到的光线。红外通信利用波长在850nm~900nm 之间的近红外线作为信息的载体来进行通信，将二进制数调制成脉冲序列并以此驱动红外线发射管向外发射红外光；而接收端则先将接收到的光脉冲信号转换为电信号，再进行放大、滤波、解调处理后还原为二进制信号。

2.3超声波流速测量原理

图1 超声波测量流量原理

超声波流量测量是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法，如图1 所示。

3 总体设计方案及说明

本方案以MPS430为主控芯片、结合超声波测量技术利用高精度时间测量芯片TDC-GP2测量暖气管道进水流速、进回水温度，以此作为热量计算的依据。

3.1系统原理框图

通过一对超声波换能器测量供暖管道的水流速度，进而通过流速计算流量，实现流量的测量；通过温度传感器PT1000测量供暖管道进水温度和回水温度，计算其温度差，由流量和进回水温度差计算出用户所用的热量，作为计费的依据。其系统组成框图如图2所示。

图2 系统原理框图

3.2模块功能

超声波换能器

通过一对超声波换能器，相向交替收发超声波，通过测量超声波在顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速。

进水温度、回水温度

采用PT系列温度传感器PT1000测量进回水温度，PT1000具有很好的线性性质，测量精度高，电路实现简单。

红外通信接口（预留）

通过此接口实现热能表参数设定、数据抄录等功能。

RS485通信接口（预留）

通过上位机读取指定热量表的热能数据、热能表系统参数信息、读取并设定数据参数。

液晶显示模块

通过按钮按下时间长短显示相应菜单，向用户提供相应热能数据信息，方便用户查询，并当系统发生故障时，显示报警信息。

按键接口

通过此按键按下时间长短显示相应菜单，实现与用户交互，方便用户查询。

注：预留功能接口其与外界通信数据格式与贵公司协商，由贵公司提供。

3.3 功能设计：

①显示功能：用户可以在显示屏查看累计用热、进出水温度值、进出水温差、流量以及其他提示性符号；

②记忆功能：热量表中信息自行记忆，保持时间大于10年；

③提示功能：当电源电压不足或误操作时热量表会报警提示；

④通讯功能：热量表能与上位机等进行数据信息的传递；

3.4 显示功能设计

长按按钮3秒钟后，显示菜单将在MENU A1-MENU A2-MENU A3 之间切换，短按按钮时将在同一菜单下滚动显示内容。

主菜单MENU A1：累计热量（KW h）、累计冷量（KW h）、瞬时功率（KW）、进回水温度（℃）、进回水温差（℃）、累计流量（m3）、瞬时流量（m3/h）、累计运行时间（h）、累计出错时间（h）等九项显示内容。

主菜单MENU A2：当前日期、出厂编号、显示测试。

主菜单MENU A3：前十八个月每月消耗的热量和流量数据，月份与数值之间自动交替显示。

故障报警菜单:电池电量不足时提示以及其它故障自动诊断功能。

3.5 拟采用主控芯片

系统温度采集、流量测定和信息处理方案采用TI MPS430+TDC-GP2实现。

3.5.1 TI MPS430

具有以下特性，满足本系统对微控制器低功耗等要求。

●超低功耗。能够在1. 8~3. 6 V的电压下工作,具备活动模式(CPU和不同组合的外围模块被

激活)及5种基于CMOS技术设计的超低功耗工作模式(CPU停止工作,外围模块继续工作)。

●较强的运算功能。采用的16位RISC具有丰富的寻址方式。具有16位中断源,并可进行任

意嵌套。

●丰富的片上外设。针对不同的应用目标具有不同的外围设备的芯片系列组成。包括看门狗

定时器、16位定时器(TA、TB)、比较器、串口(0、1)、液晶显示驱动器、6个8位的I/O

端口及12位模数转换器(最高采样率达200 kHz)等。丰富的片上外设使设计者可以很方便

地构建一个较为完整的系统。另外,充分利用计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功

能,保证了一些复杂的时序控制任务的完成。

3.5.2 TDC-GP2

TDC－GP2 是德国ACAM 公司通用TDC系列的新一代产品,是全球领先的时间测量芯片，适用于时间、相位、频率和被动传感器件的测量，其测量具有高精度、短时间、超低功耗的优点。TDC －GP2采用QFN32封装，更小的封装和合适的价格使其更适合于低成本的工业应用领域。

●高集成度专业级芯片，具备流量计/热量计所需的关键硬件资源。并具有温度测量单元、脉

冲触发器、时钟校准等特殊功能单元，可最大程度地简化电路设计。外加微控制器和超声

波发射接收器就可组成完整的超声波流量计/热量计。

●超低功耗设计，测量单元的功耗只有3~5μA，如果采用TI的MSP430，则整个超声波流量

计/热量计的功耗只有10~15μA。

●高精度时间间隔宽测量范围，单次测量精度可高达65ps,最大测量范围可达4ms，特别适合

低成本工业领域。

●高精度独立温度测量单元芯片内部设计有单独的温度测量单元，可测量冷、热水温度，

分辨率达0.002°C（相当于24位A/D）。用此方法测量温度，功耗小于采用A/D转换器进

行测量时的1/50。

4 研究开发计划

据与贵公司友好协商，我方负责热能表电路设计、程序设计、电路部分运行调试，不负责相关电路板外壳及其附件设计。具体研发时间安排如下表4.1所示。