目前，传统的热能表主要为机械式的，是在普通的叶轮式流量计的基础上改进而来，虽然其应用比较广泛，但是它有以下缺点：对水质要求高、压损大，由于内部有可动部件，仪表易磨损、使用寿命短等[1]。近年来，利用超声测量流量的技术已被广泛应用[2]，超声流量计具有内部无阻碍流体运动的部件、无压损、对水质要求不是很高、可测量高粘度或高腐蚀性流体、便于维护等优点。
笔者根据热能积算的基本原理，结合有关供暖系统的技术指标，采用MSP430系列低功耗单片机，设计了一种低功耗超声热能表。它不但克服了传统热能表的缺点，且功耗低，符合我国热能表相关标准的基本要求。
1 基本原理
热能表是用于测量及显示热交换回路中载热液体所释放的热量的计量器具。它一般由流量传感器、配对温度传感器和计算器组成[5]。其工作原理是：将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上，将流量传感器安装在人口或出口管上；流量传感器发出流量信号，配对温度传感器给出人口和出口的温度信号，计算器采集流量信号和温度信号；经过计算，显示出载热液体从人口至出口所释放的热量值。
图1 热能表基本结构框图
热能的计算公式为：
（1）
式（1）中：Q—释放的热量，kJ；V—载热液体流过的体积流量，m3/h；ρ—载热液体密度，kg/m3；Δθ—热交换回路中载热液体入口处和出口处温度的焓值差，kJ/kg；t—时间，s；焓值差可由与载热液体温度相相应的焓值表查得。因此，得到体积流量和温度差是计算热量的关键。
1.1 流量测量
通过测量超声波在流动的流体中，顺流传播时与逆流传播时的速度之差来得到被测流体的流速。超声波由超声波换能器产生，经信号处理后将两个超声波换能器的时差信号分辨出来，以实现流量测量功能，管道的公称直径为DN15。
本设计运用的是超声波的时差法流量测量原理，时差法是在被测流体内建立由两路超声波发射和接收器构成的超声波通道，分别在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲，测量其传播的时间差Δt。
顺流方向发射超声脉冲的传播时间为
（2）
逆流方向发射超声脉冲的传播时间为
（3）
式（2）（3）中：L—超声波发射与接收器之间的距离，即声程（m）；c—被测流体静止时的超声波传播速度（m/s）；u—被测流体的速度（m/s）。
则在顺流和逆流情况下超声波的传播时间差为：
（4）
因为超声波传播速度c远大于流体的流速u，所以下式成立：
（5）
因此时差可简化为：
（6）
即：
（7）
1.2 温度测量
按照铂电阻Pt-1000，在0～850℃随温度变化的关系计算温度：
（8）
其中，
通过采集进水温度对应的电压信号，出水温度对应的电压信号就可以计算出对应的电阻阻值，再根据式（8）即可求得对应的温度，温度范围为0～100℃。
根据《中华人民共和国城镇建设行业标准-热量表CJ128-2007》的规定[6]，公称直径小于或等于DN40的热能表，应采用内置电池，且电池的使用寿命应大于5年；且累计流量的显示分辨力为0.01m3，温度的分辨力为0.1℃，因此在系统的设计中应考虑功耗因素。
2 硬件设计
根据以上基本原理所设计的热能表系统的基本组成如图2，它主要由处理器电路、流量测量模块、温度测量模块、信号处理模块和按键、显示及电源模块组成。
图2 系统结构图
处理器选择了TI公司的MSP430系列的单片机作为整个系统的控制和运算核心，它是16位的单片机，与其它类型的处理器相比较，具有低功耗、高精度、高可靠性以及高集成度等明显优势的工业级产品，在许多领域都得到了广泛应用[7]。选用的单片机型号为MSP430F435，该型号单片机是具有5种低功耗模式的工业级产品，供电电压在1.8～3.6V之间变化，其自带16K的FLASH区用于应用程序的存放和重要数据的掉电保护，具有LCD、看门狗、定时器等片外围设备接口[8]。
流量测量模块采用超声波时差法实现流量测量，本系统选用的是频率为1MHz的超声波换能器，时差测量选用德国ACAM公司推出的TDC系列时间数字转化器件。
温度测量模块的传感器采用Pt-1000铂热电阻传感器.因其线性度相对较好，耐氧化能力很强，并且温度范围宽，其测温的范围从-200℃～+650℃，目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用，本系统的温度范围只需0～100℃。
显示模块选用液晶显示屏，通过两个按键可实现进水温度、出水温度、温差、瞬时流量、累积流量、累积热量的依次显示以及仪表系数等参数的修正。
系统电源采用3.6V、2AH的锂电池进行供电。
由于采用电池供电，因此除了在器件选型中选择功耗低的产品外，更为重要的是软件的低功耗设计。
3 软件设计
系统的软件流程图如图3。由于处理器是控制核心，因此可以通过引入各种中断来达到降低功耗的目的，在处理器无需运行的时间段让其进入低功耗休眠状态，在需要时及时唤醒。具体措施为：以2s为周期，2s中50ms进行流量、温度、热量的计算与累积，其余时间进入低功耗状态。同时，对显示模块实行显示的延时熄灭功能，对大限度的降低系统的整体功耗。
图3 系统的软件流程图
由于超声波在25℃时的波速为1500m/s，在其他温度下的速度略有不同，为了减小误差，具体可以相关技术标准[6]求得其他温度下的波速，提高系统的精度。
4 实验结果及分析
根据《中华人民共和国国家计量检定规程-热能表（JJG225-2001）》标准中的“热能表的各分量准确度等级及最大允许误差表”，如表1，qp为常用流量，又称额定流量，表示热能表在不超过最大允许误差的情况下可连续运行的最大流量；q表示流量；Δθvmin表示最小允许温差；Δθ表示温差。对设计的热能表的各项指标进行分量标定。在流量测量方面应用标准表法[9]，采用两台KROHNE公司生产的准确度为0.2级的IFM4080F型电磁流量计对系统进行流量标定，量程分别为2.5m3/h和16m3/h.在温度测量方面采用标准电阻标定。相关试验数据如表2。
根据“热量表的各分量准确度等级及最大允许误差表”，计算误差如表3，取额定流量为2m3/h，流量的2级表误差限Eq均小于5%，表4为温度传感器误差限，实验结果符合《中华人民共和国国家计量检定规程-热能表（JJG225-2001）》标准，达到2级指标。
由实验数据可知，系统的流量范围超过200∶1，温度范围为0～100℃；在误差方面，瞬时流量绝对误差小于±0.5%，相对误差小于±3%，累计流量小于±2%在系统功耗方面，整个系统的静态电流为25～30μA，工作电流为350～400μA，并以2s为周期，2s中50ms为工作状态，其余为低功耗模式，平均电流为35μA该系统采用容量为2AH的锂电池供电，根据电池额定容量值的80%作为参考数据[6]，理论工作寿命为：
（9）
5 结论
本系统根据热能表的基本原理，选用MSP430系列单片机，设计了由超声波时差法测流量、铂电阻测温差的超声热能表，所实现的热能积算功能在达到了国家有关规程的技术指标的前提下，进行了低功耗的系统设计，解决了传统热能表计量精度较低、损耗大等缺陷，具有功耗低、压损小、检测精度高和使用寿命长等优点，有助于实现节能降耗的目标.消费者可以根据能源的消费量支付费用，避免能源浪费，符合我国供热体制改革的计量技术政策，对我国经济社会的可持续发展具有重要的意义。
参考文献
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[10] 中华人民共和国国家计量检定规程JJG64322003标准表法流量标准装置[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2003.
客服1