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　　摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)供熱現(xiàn)狀的研究以及國(guó)家關(guān)于集中供熱方面政策的要求，對(duì)超聲渦街熱量表進(jìn)行了研究，文章采用超聲檢測(cè)渦街信號(hào)的測(cè)量方法，以微功耗單片機(jī)PIC18F8490為核心芯片，通過采用窄帶跟蹤濾波原理為主的測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量；采用Pt1000高精度鉑電阻對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下“，熱”已成為商品。建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，城市供熱計(jì)量收費(fèi)勢(shì)在必行。熱量表中zui主要的部件—流量計(jì)，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。特別是在能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度愈來愈高的當(dāng)今時(shí)代，流量計(jì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。
　　
　　1超聲渦街熱量表的測(cè)量原理
　　
　　熱量表是一種適用于測(cè)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(jì)量單位顯示熱量，既能測(cè)量供熱系統(tǒng)的供熱量又能測(cè)量供冷系統(tǒng)的吸熱量[1]。
　　
　　熱量表的測(cè)量系統(tǒng)主要由一對(duì)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(jì)安裝在流體入口或回流管上（流量計(jì)安裝的位置不同，zui終的測(cè)量結(jié)果也不同），流量計(jì)發(fā)出與流量成正比的脈沖信號(hào)，一對(duì)溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號(hào)，熱量表采集來自三路傳感器的信號(hào)，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(cè)量原理　　工業(yè)用熱電阻分為鉑熱電阻和銅熱電阻2大類。相對(duì)與銅熱電阻，鉑熱電阻復(fù)現(xiàn)性好，性能穩(wěn)定，度高，在精密測(cè)溫和控溫中廣泛應(yīng)用，可以滿足熱量表測(cè)溫度的精度要求，為此選擇Pt1000鉑電阻溫度傳感器對(duì)熱量表進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)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(hào)通常通過橋式電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過放大及A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器進(jìn)行處理。
　　
　　1.2超聲傳感器檢測(cè)原理
　　
　　超聲檢測(cè)渦街原理是通過超聲波通過流體中旋渦時(shí)產(chǎn)生的頻率變化間接的測(cè)量旋渦的脫離頻率，在管壁上安裝2對(duì)超聲探頭T1，R1，T2，R2，探頭T1，T2發(fā)射高頻、連續(xù)聲信號(hào)，聲波橫穿流體傳播。當(dāng)旋渦通過聲束時(shí)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦對(duì)聲波產(chǎn)生一個(gè)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(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形后得旋渦信號(hào)。超聲傳感器檢測(cè)原理如圖2所示。檢測(cè)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(gè)信號(hào)，與發(fā)射端信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)單片機(jī)處理后產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)代表旋渦的數(shù)量，而旋渦的數(shù)量和流量成正比。　　超聲渦街熱量表主要由以PIC18F8490帶有LCD驅(qū)動(dòng)器和納瓦技術(shù)的閃存單片機(jī)為核心的溫度測(cè)量傳感器（測(cè)量進(jìn)出口管道溫度），溫差計(jì)算電路，超聲渦街信號(hào)測(cè)量電路等組成。由于單片機(jī)的功耗管理功能使得熱量表具有分時(shí)段的測(cè)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(jī)定時(shí)開/關(guān)捕捉端口實(shí)現(xiàn)窄帶跟蹤濾波。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的窄帶濾波器功能如圖3所示。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：　　（1）單片機(jī)打開捕捉端口捕捉到2個(gè)連續(xù)脈沖信號(hào)，其間隔時(shí)間作為基準(zhǔn)T0，然后關(guān)斷捕捉端口。
　　
　?。?）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(hào)，與上次脈沖信號(hào)間隔記為T1。如果窗口1捕捉到脈沖信號(hào)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(hào)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(shí)間內(nèi)一直未測(cè)到脈沖信號(hào)則認(rèn)為該組測(cè)量值都為0。
　　
　　以上步驟實(shí)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(cè)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(shí)間再測(cè)得另外2組數(shù)據(jù)，各組測(cè)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(cè)得數(shù)據(jù)是在間隔很短時(shí)間內(nèi)測(cè)得的，具有數(shù)值的相似性即流量的變化在很短時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(hào)是模糊的。
　　
　　2硬件電路的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　從抗干擾和降低功耗2個(gè)角度考慮，設(shè)計(jì)了脈沖輸出型數(shù)字渦街流量計(jì)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(jī)為核心的硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)強(qiáng)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(cè)渦街信號(hào)電路，溫度測(cè)量電橋電路等。從而實(shí)現(xiàn)了渦街信號(hào)采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)顯示等功能。　　3軟件設(shè)計(jì)
　　
　　單片機(jī)程序的主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。單片程序設(shè)計(jì)采用匯編語言編寫，雖然，采用C語言編程會(huì)提高編程速度，但是執(zhí)行效率不高，由于整個(gè)程序非常龐雜需要對(duì)程序的執(zhí)行效率進(jìn)行優(yōu)化。　　高性能芯片PIC18F8490使用。隨著芯片技術(shù)不斷進(jìn)步，高性能的微型計(jì)算機(jī)不斷的面市，性價(jià)比不斷提高，使得現(xiàn)代儀表的性能不斷地提高，PIC18F8490單片機(jī)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(jiǎn)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(xiàn)：
　　
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　　[3]朱善安，陳偉.智能型低功耗熱量表研究[J].機(jī)電工程，2001，9（5）：18-22.