TDC-GP21在超声波热量表中的应用.pdf

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1、2012年仪表技术与传感器2012第2期InstrumentTechniqueandSensorNo．2TDC—GP21在超声波热量表中的应用梅彦平，张明君，王延平，李占英(大连理工大学城市学院，辽宁大连116600)摘要：介绍了基于增强型高精度时间数字转换芯片TDC—GP21的超声波热量表的具体设计方案。流量测量采用超声波时差法原理，利用MSP430F4152单片机控制TDC—GP21进行超声波传播时间和流体温度差的测量，提高了系统的测量精度，大幅降低了系统的功耗和成本。通过流量标定，系统测量结果可达热量表行业标准2级表要求。关键词：TDC—GP21；

2、超声波热量表；流量测量；温度测量中图分类号：TH81文献标识码：A文章编号：1002—1841(2o12)02—0037—03ApplicationofTDC--GP21inUltrasonicHeatMeterMEIYan—ping，ZHANGMing-jun，WANGYan·ping，LINZhan—ying(CityInstitute，DalianUniversityofTechnology，Dalian116600，China)Abstract：Thispaperintroducedadesignofanultrasonicheatmeterba

3、sedonatime—to—digitalconve~erinasinglechipTDC—GP21，whichwasthenextgenerationupgradeforTDC—GP2．FlowrateWasmeasuredbytraveltimeprinciple，theTDC—GP21wascontrolledbyMSP430F4152microcontrollertoachieveaccurateflowrateandtemperaturemeasurement，andreducedthepowerconsumptionandthecostoft

4、heultrasonicheatmeter．Byflowratecalibration，thesystemmeasurementresultsareobtainedwithheatmeterindustrystandardsecondorderaccuracy．Keywords：TDC—GP21；ultrasonicheatmeter；flowratemeasurement；temperaturemeasurement0引言1．1瞬时流量测量超声波热量表是随着超声波测量流量技术的发展而出现超声波流量测量采用时差法，其原理如图1所示。它利的新型热量表，它克

5、服了原有旋翼式热量表精度受水质影响严用声波在流体中顺流和逆流状态下传输速度不同的原理实现重和使用寿命不长等缺点，具有精度高、安装方便、使用寿命长流体流速的测量。图1中，L为两个换能器间的距离，为水的等突出优点，因此日益成为热量表的主流产品。流速，e为换能器发出的超声波在静止流体中传播速度，o／为两在热量表的实际应用中，流量测量的准确性、仪表长期使个换能器安装轴线与管渠轴线间的夹角。用的可靠性以及产品的功耗和成本，成为决定产品质量高低的关键因素。因此，设计一款高精度、低功耗、低成本的超声波热量表有重要的现实意义。1超声波热量表的测量原理超声波热量表热量的计

6、算采用欧洲流行的k系数法：设测得载热体入口处的水温为，回水口处的水温为，则进回水图1超声波流量测量原理图的温度差为AT；利用超声波换能器对供水管道的瞬时热水流声波顺流发射时，传播的时间t。为量Q进行计量，经过一定时间的累计，得到用户消耗的累积热t1=L／(e+YCOS~)(2)量值，其计算公式⋯为声波逆流发射时，传播的时间t：为E=r叩·Q·△·(1)t2=L／(e—YCOS~)(3)式中：E为热交换系统输出热量，J；￡为流量累积时间，h；r／为热则时差为焓修正系数，J／m；r／为瞬时热水流量，m／h；△为进回水的温At=t1一t2=2veosa／(c。

7、一y2COS)(4)度差，℃．根据式(4)可以求出流体的流速V：由于超声波的传播速度随流体温度的升高而升高，会给测口=(tI—t2)／(tlt2cos)(5)量带来误差，但流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿进而可以求出瞬时流量Q：方法通过测量流体的温度和温度补偿数学模型的计算实现自Q=}(6)动补偿，因此，瞬时流量口和进回水温差△的测量就成为热量计量的关键参数。式中：D为管道直径；为流量修正系数。可见，瞬时流量测量的关键是对超声波传播时间的准确测收稿日期：2011—07—13收修改稿日期：2011—11—27量。38InstrumentTechni

8、queandSensorFeb．20121．2进回水温度测量声波流量测量电路时，