以超低功耗微處理器MSP430為核心的熱計(jì)量表設(shè)計(jì)

　　引言

　　我國地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規(guī)模巨大，住宅建設(shè)量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢，而且這個上升趨勢還將持續(xù)20～30年。

　　在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費(fèi)制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶收費(fèi)，無疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。為此，本文介紹了一種新型熱量表的設(shè)計(jì)方法。該熱量表是一種分戶熱量計(jì)量裝置，它由無磁熱水流量計(jì)、溫度傳感器和微功耗單片機(jī)組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統(tǒng)的供水管上，并將溫度傳感器分別裝在供、回水管路上。一段時間內(nèi)用戶所消耗的熱量為所供熱水的流量和供回水的焓差乘積對時間的積分。熱量表利用該原理并通過熱水流量計(jì)測量逐時流量并用溫度傳感器測量逐時供回水溫度，再將這些數(shù)據(jù)輸入積算儀進(jìn)行積分計(jì)算，就能得出用戶所用的熱量。

　　1 熱量表的流量檢測

　　1.1 多流無磁熱水流量計(jì)

　　所謂流量，就是在單位時間內(nèi)流經(jīng)熱量表的熱載體(水)的體積或質(zhì)量。本系統(tǒng)中的流量檢測單元是用來測量流量的裝置，它能輸出與流量大小成比例的脈沖信號給積分計(jì)算單元。

　　多流無磁熱水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由熱水表表殼底座、導(dǎo)流座、濾網(wǎng)、葉輪盒、出水導(dǎo)流座、傳感器感應(yīng)膜片等組成。其工作原理是：熱水進(jìn)入表殼底座，經(jīng)導(dǎo)流座、濾網(wǎng)后流進(jìn)葉輪盒沖動葉輪盤旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)出水導(dǎo)流座流出表外。葉輪盤上端的傳感器感應(yīng)膜片與傳感器作相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以輸出與流量大小成線性比例關(guān)系的脈沖信號給積分計(jì)算單元。 多流無磁熱水流量計(jì)殼體采用優(yōu)質(zhì)黃銅，經(jīng)硬模鑄造、鍛造、數(shù)控機(jī)床加工后，要求其機(jī)械強(qiáng)度好、尺寸精度穩(wěn)定一致。機(jī)芯部分可選用進(jìn)口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應(yīng)使用壽命長、計(jì)量精度高。整表的耐壓強(qiáng)度、測量誤差、壓力損失等要完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　多流無磁熱水流量計(jì)不同于一般的熱水表，它應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

　　發(fā)訊原件采用非磁性材料的金屬膜片，避免了一般干式水表的磁性元件吸附管道類雜物而影響精度和易受外磁場干擾等現(xiàn)象，無磁的含義也由此而來。
　　機(jī)芯部分在表殼內(nèi)可360°旋轉(zhuǎn)，可適應(yīng)熱量表不同安裝位置。
　　流量計(jì)的機(jī)芯和上殼體可組成完整可拆卸的計(jì)量機(jī)構(gòu)總成，便于安裝維護(hù)。
　　機(jī)芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長、計(jì)量精度高，適于熱水工況。

　　1.2流量傳感器

　　流量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)外形見圖1所示。它由固定在同一個軸上的兩個葉輪盤組成，并由一個齒輪組驅(qū)動。為了簡單，齒輪在圖1中未畫出。當(dāng)有水流動時，齒輪帶動兩個葉輪盤旋轉(zhuǎn)。兩個葉輪盤是由非導(dǎo)體材料組成的，每個葉輪盤的表面有一半面積涂敷著銅或其它金屬導(dǎo)體材料，在兩個葉輪盤安裝有互成120°的三個獨(dú)立感應(yīng)器，當(dāng)敷銅層通過感應(yīng)器上方時，葉輪的旋轉(zhuǎn)信號即可被檢測出來。

　　1.3傳感器硬件電路

　　圖2為感應(yīng)式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應(yīng)器被安裝在兩個機(jī)械葉輪盤之間(見圖1)，每一個傳感器均具有對應(yīng)的信號選通線和共用的觸發(fā)信號線，每路晶體管的集電極輸出應(yīng)連接在一起。

　　在觸發(fā)端(TRIGGER)施加一個正脈沖時，即可將相應(yīng)的同步選擇線(SELECT)置為低電平，同時起動被選擇的LC振蕩器。當(dāng)葉輪盤上的敷銅層不在感應(yīng)器上方時，振蕩在持續(xù)一段時間后即會消失，即無阻尼振蕩；相反，當(dāng)葉輪盤上的敷銅層在感應(yīng)器上方時，振蕩則持續(xù)很短時間就消失，即阻尼振蕩，這是因?yàn)殂~層吸收了儲存在感應(yīng)器內(nèi)的能量。以上兩種振蕩狀態(tài)即可在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出數(shù)量不等的脈沖上升沿和下降沿。其中無阻尼振蕩時有一個脈沖上升沿和下降沿。而阻尼振蕩時則有二個脈沖上升沿和下降沿。根據(jù)以上分析，三個感應(yīng)器將在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出脈沖流，積分儀通過軟件處理這些脈沖流，即可計(jì)算出系統(tǒng)的流量。

　　2 Pt1000鉑電阻溫度傳感器

　　鉑電阻溫度傳感器是利用貴金屬"鉑"的電阻隨溫度單調(diào)變化的特性來測量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導(dǎo)帶，它均勻地分布在陶瓷基片上。該傳感器以鉑作為感溫材料、以微電子厚膜工藝制作，整個器件由Pt1000感溫元件、引線電纜和不銹鋼保護(hù)管構(gòu)成，經(jīng)過測試和精確配對可制成熱表專用溫度傳感器。

　　鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統(tǒng)中，用于采集水溫并發(fā)出溫度信號。溫度傳感器的探頭保護(hù)管采用導(dǎo)熱良好且堅(jiān)固耐磨的材料制造。

　　在同一熱量表上應(yīng)采用"配對溫度傳感器"，即分別用來測量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的溫度傳感器的計(jì)量特性應(yīng)當(dāng)一致或相近。

　　與Pt1000厚膜鉑電阻配對溫度傳感器是熱量表的重要組成部分，是測試溫度及完成熱量計(jì)算的基礎(chǔ)元器件，其測量范圍為-20℃～+150℃。

　　D00系列Pt1000元件是上海都華實(shí)業(yè)有限公司的高阻值鉑電阻敏感元件，其溫度每變化1℃，電阻值變化3.8Ω。而且具有靈敏度高、熱響應(yīng)速度快、引線電阻影響小等特點(diǎn)。