摘 要： 針對國內(nèi)外對供熱現(xiàn)狀的研究以及國家關(guān)于集中供熱方面政策的最新要求，對超聲渦街熱量表進行了研究，文章采用超聲檢測渦街信號的測量方法，以微功耗單片機PIC18F8490為核心芯片，通過采用窄帶跟蹤濾波原理為主的測量手段實現(xiàn)對流量的測量；采用Pt1000高精度鉑電阻對溫度進行測量。
關(guān)鍵字： 超聲渦街 窄帶跟蹤濾波 流量 熱量表
0 引言
在市場經(jīng)濟條件下“，熱”已成為商品。建設(shè)節(jié)約型社會，城市供熱計量收費勢在必行。熱量表中最主要的部件—流量計，它與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學研究有密切的關(guān)系。特別是在能源危機、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當今時代，流量計在國民經(jīng)濟中的地位與作用更加明顯。
1 超聲渦街熱量表的測量原理
熱量表是一種適用于測量在熱交換環(huán)路中，載熱液體所吸收或轉(zhuǎn)換熱能的儀器，熱量表用法定的計量單位顯示熱量，既能測量供熱系統(tǒng)的供熱量又能測量供冷系統(tǒng)的吸熱量[1]。
熱量表的測量系統(tǒng)主要由一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口或回流管上（流量計安裝的位置不同，最終的測量結(jié)果也不同），流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號，熱量表采集來自三路傳感器的信號，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。熱量表系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
1.1 溫度傳感器的選擇及測量原理
圖1 熱量表熱計量系統(tǒng)原理圖
工業(yè)用熱電阻分為鉑熱電阻和銅熱電阻2大類。相對與銅熱電阻，鉑熱電阻復現(xiàn)性好，性能穩(wěn)定，精確度高，在精密測溫和控溫中廣泛應(yīng)用，可以滿足熱量表測溫度的精度要求，為此選擇Pt1000鉑電阻溫度傳感器對熱量表進出口溫度進行測量。在0~630.75℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式如下：
R1=R0（1+αθ+bθ2）
式中α＝3.96847×10-3，b=-5.847×10-7。
鉑電阻信號通常通過橋式電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大及A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器進行處理。
1.2 超聲傳感器檢測原理
超聲檢測渦街原理是通過超聲波通過流體中旋渦時產(chǎn)生的頻率變化間接的測量旋渦的脫離頻率，在管壁上安裝2對超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號，聲波橫穿流體傳播。當旋渦通過聲束時，每一對旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對聲波產(chǎn)生一個周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接收探頭R1，R2轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號。超聲傳感器檢測原理如圖2所示。檢測方式是在渦街發(fā)生體下游安裝超聲波發(fā)射和接收裝置，流體流經(jīng)超聲波束，由于渦街的作用，將改變超聲波波形，超聲波接收裝置接收這個信號，與發(fā)射端信號進行比較，經(jīng)單片機處理后產(chǎn)生一個輸出信號，這個信號代表旋渦的數(shù)量，而旋渦的數(shù)量和流量成正比。
圖2 超聲式渦街流量傳感器
超聲渦街熱量表主要由以PIC18F8490帶有LCD驅(qū)動器和納瓦技術(shù)的閃存單片機為核心的溫度測量傳感器（測量進出口管道溫度），溫差計算電路，超聲渦街信號測量電路等組成。由于單片機的功耗管理功能使得熱量表具有分時段的測量方法從而使得儀表功耗大大降低。
1.3 窄帶跟蹤濾波原理
通過單片機定時開/關(guān)捕捉端口實現(xiàn)窄帶跟蹤濾波。單片機實現(xiàn)的窄帶濾波器功能如圖3所示。具體實現(xiàn)方式如下：
圖3 窄帶濾波原理圖
（1）單片機打開捕捉端口捕捉到2個連續(xù)脈沖信號，其間隔時間作為基準T0，然后關(guān)斷捕捉端口。
（2）在7/8T0后打開捕捉端口，1/4T0后關(guān)斷端口。這就形成寬度為1/4T0的捕捉窗口1。
（3）如果在窗口1捕捉到脈沖信號，與上次脈沖信號間隔記為T1。如果窗口1捕捉到脈沖信號則根據(jù)T1，按照打開窗口1方式打開窗口2；如果窗口1未捕捉到脈沖信號則根據(jù)T0在15/8T0后打開窗口2，其寬度仍為1/4T0。如果在規(guī)定時間內(nèi)一直未測到脈沖信號則認為該組測量值都為0。
以上步驟實現(xiàn)跟蹤以頻率1/T0為中心，窄帶頻率范圍為（64T0/81，64T0/49）的帶通濾波器。由此可以看出T0是每次測量脈沖周期的關(guān)鍵所在，按照同樣方法以每組間隔一定時間再測得另外2組數(shù)據(jù)，各組測得的有效數(shù)據(jù)取平均值得到每組算術(shù)平均值Ti0由于3組測得數(shù)據(jù)是在間隔很短時間內(nèi)測得的，具有數(shù)值的相似性即流量的變化在很短時間內(nèi)不會有大的突變，他們之間多大偏差范圍之內(nèi)可以判斷為渦街脈沖信號是模糊的。
2 硬件電路的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
從抗干擾和降低功耗2個角度考慮，設(shè)計了脈沖輸出型數(shù)字渦街流量計的硬件電路，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，采用了以PIC18F8490單片機為核心的硬件結(jié)構(gòu)單片機強大的控制功能和超低功耗特性于一體。熱量表的整體結(jié)構(gòu)可分為超聲檢測渦街信號電路，溫度測量電橋電路等。從而實現(xiàn)了渦街信號采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場顯示等功能。
圖4 硬件電路的整體設(shè)計
3 軟件設(shè)計
單片機程序的主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。單片程序設(shè)計采用匯編語言編寫，雖然，采用C語言編程會提高編程速度，但是執(zhí)行效率不高，由于整個程序非常龐雜需要對程序的執(zhí)行效率進行優(yōu)化。
圖5 主程序流程
高性能芯片PIC18F8490使用。隨著芯片技術(shù)不斷進步，高性能的微型計算機不斷的面市，性價比不斷提高，使得現(xiàn)代儀表的性能不斷地提高，PIC18F8490單片機就是其中之一，它具有豐富的外設(shè)和指令集，并且功耗很低，作為超聲渦街熱量表的核心芯片，簡化了系統(tǒng)電路，降低了熱量表整體功耗，滿足電池供電工作11年之久。
參考文獻：
[1]李晶，莫德舉.戶用低功耗超聲式熱量表的研究[J].北京化工大學學報：自然科學版，2005，32（1）：74-77.
[2]趙偉國，梁國偉，李文軍.低功耗遠傳熱能表的研究[J].電測與儀表，2005，11（12）：26-28.
[3]朱善安，陳偉.智能型低功耗熱量表研究[J].機電工程，2001，9（5）：18-22
