1 超聲波熱量表測量原理

　　超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法[2]，如圖 1 所示。

　　式（7）中，為熱交換系統輸出熱量，單位J;t為流量累積時間，單位h;η為熱焙修正系數，單位J/m3（溫度變化對流速的影響：超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高，因而會給測量帶來誤差。因此，流體溫度變化對精度的影響可以采用溫度補償方法通過測量流體的溫度和溫度補償數學模型的計算實現自動補償）;Q為瞬時熱水流量，單位m3/h; T為進出水的溫度差，單位℃。

　　這樣，通過超聲波傳播的時間差先求出瞬時流量，進而由公式（7）獲得消耗的熱量了。

　　2 系統方案

　　2.1 MSP430F447 單片機

　　MSP430F447是16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算;具有的查表處理指令;有較高的處理速度。這些特點保證了可編制出率的源程序。

　　MSP430F447 單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6us。

　　MSP430F447 單片機集成了較豐富的片內外設：看門狗、模擬比較器、定時器、串口、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位 ADC、I2C總線直接數據存取（DMA）、I/O口等外圍模塊的不同組合。

　　MSP430F447 單片機的片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。

　　2.2 TDC-GP2 時間測量芯片[3]

　　TDC-GP2是德國ACAM公司的新一代產品，具有高精度時間測量，高速脈沖發生器，接收信號使能，溫度測量和時鐘控制等功能，這些特殊功能模塊使得它尤其適合于超聲波流量測量和熱量測量方面的應用。該芯片利用現代數字化CMOS技術，將時間間隔的測量量化到65ps的精度，給超聲波流量測量及熱量測量提供了理想的解決方案。TDC-GP2的超高測量精度和小尺寸封裝特性，特別適合于低成本的工業應用領域。

　　2.3 超聲波流量及熱量測量系統方案設計

　　超聲波熱量表測量系統方案如圖2所示[4~6]。系統的測量核心采用單片機 MSP430F447，外圍電路由JTAG、電源、晶振、RS485串行通信接口、LCD液晶顯示屏，核心測量芯片TDC-GP2及其超聲波信號發送、接收及信號調理電路組成。此外，TDC-GP2還可通過外加Pt1000溫度傳感器，進行溫度測量;JTAG調試接口用于程序調試及程序下載。

　　3 系統軟件設計

　　軟件設計是圍繞超聲波在流體中的傳播時間及流體溫度測量而設計的。由于TDC-GP2測量芯片具有測量時間差及流體溫度的功能，因此軟件設計通過圍繞單片機選通TDC-GP2測量芯片，通過SPI通信接口控制超聲波信號的發送、接收及流體的溫度測量而展開的。測量得到超聲波傳導時間的測量，通過前述的流體流量計算原理，間接獲得流體的流速，進而得到流體的流量;同時，通過控制測量芯片TDC-GP2，進行相關操作，獲得流體的瞬時溫度。

　　限于篇幅，本文只給出用TDC-GP2測量芯片的超聲波時差測量的軟件流程，如圖2 所示。系統上電后通過單片機觸發片選信號選通 TDC-GP2 測量芯片，并對TDC-GP2的寄存器進行配置，接著初始化，在TDC-GP2接收到開始通道上的*個脈沖信號后開始工作，直到達到預先設置的采樣數或者遇到測量溢出后停止工作。然后，對測量值進行校準（可以不校準）后計算得到測量值，這樣就完成了一次測量。一次測量完成后觸發中斷，單片機讀取測量到的數據。下次測量前再進行一次初始化后就可以開始第二次測量。

　　4 結束語

　　筆者開發的超聲波流量計經過實際系統測試，取得了較好的測量結果，系統的測量精度和穩定性都達到了預期的設計要求，并且系統設計在提高測量精度的同時大大降低了功耗。從而表明，該系統設計合理，切實可行。該流量計可應用于石油、化工、電力等工業領域，可作為工業過程自動化系統控制的流量測量設備。

電磁流量計http://
孔板流量計http://
超聲波流量計http:///