一种基于TDC—GP21的无线热量采集终端设计

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0 引言
    能源问题是关系到整个社会稳定、国民经济健康发展的重大问题，随着当前能源紧缺形势的加剧，我国越来越重视节能工作。目前，我国很多地区的供暖依旧采用按建筑面积收费，即包费制，这种“大锅饭”式的收费方式严重地抑制了用户的节能意识。而且随着人民生活水平的提高，商品意识不断加强，这种旧体制已经不能适应当前经济生活的发展。本文设计的无线热量采集终端可以实现供热系统按供热量收费，一户一表，达到公平、公正的原则，提高了用户的节能意识，节能约20～30％。
    目前热量计量设备的种类很多，按照流量计的不同可分为机械式(涡轮式、涡街式、孔板式)、电磁式、超声波式等。机械式流量计对水质的要求较高，微量的铁屑或细沙等都会急剧降低测量精度甚至致使流量表短期内损坏。电磁式流量计对水流的导电率有要求，需要220V的高压电源供电，功耗大，对电磁干扰敏感。而超声波流量计克服了上述两种流量计的缺点，超声波探头的材料为非磁性材料，不存在吸引铁锈等问题，对水质要求较低、使用寿命长、不易损坏，属于非接触测量，具有安装、维护方便等优点。因此，我们设计的热量采集终端采用超声波法测量流量。
    获得热量数据的方法有以下几种，传统的人工抄表费时、费力，且缺乏可靠性、实时性和准确性；有线抄表需要专门的网络布线，复杂且传输距离短，不适合当今社会和科技的发展；无线抄表解决了上述问题，ZigBee技术是近年来发展起来的现代无线通信技术，它具有低速率、低功耗、低成本、短时延、免许可无线通信频段、多种组网方式、近距离传输等特点。通用分组无线服务技术GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移动通信系统(GSM)移动电话可用的一种移动数据业务，它非常适合远程数据传输。
    综上所述，我们设计了用时间测量芯片TDC-GP21实现流量测量，用ZigBee无线单片机CC2430实现管理和短距离无线数据传输的无线热量采集终端。结合GPRS远程无线数据传输即可方便地组成远程无线热量抄表系统。该无线热量采集终端具有测量准确、功耗低、实时性好、能够远程抄表等优点。

1 无线热量采集终端的工作原理
    热量表主要用于测量及显示水流经热交换系统所吸收或释放的热能量，是供热体系中按热量计量收费的关键仪表。热量表设计的依据是热力学吸热定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比热容，m是质量，(t2-t1)是温度差。超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和进、出水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分的工作原理是由超声波在顺流和逆流时产生的时间差得出水的流速，再由水的流速推导出瞬时流量，累积后得到流量信息。在工作过程中应用一对超声波换能器相向交替收发超声波，首先通过适当的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振动，超声波以一定的角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。

    如图1所示，在管道上装有换能器1和换能器2，流体速度为v，换能器用于发射和接收超声波。由于流体的流动，超声波的顺流传播时间小于逆流传播时间，从而产生时间差。

    其中：△t为顺、逆流的时间差，单位为s；t1、t2为顺、逆流的传播时间，单位为s：D为管道直径，单位为m；L为两个换能器间的距离，单位为m；c为超声波在流体中的传播速度，m／s；v为介质平均流速，m／s；τ为超声波在液体以外传播的附加时间，包括超声波在换能器的传播时间、管壁内的传播时间及电路测试的延时时间，单位为s。
    因为实际流速一般远小于声速(v<
    式(5)所求的流体速度v为线平均流速，最终所需测量的是面平均流速v’，二者比值K=v／v’，称为流量修正系数，则体积流量为：


    由式(7)可以看出：在管道情况确定时，流体流量与顺、逆流时间差成正比，通过测量时差可达到测量流量的目的，而在实际应用中，时差的测量是比较容易实现的。
    最终，得到热量的计算公式：

    其中，Q为热交换系统释放或吸收的热量，单位为J；qm为流经热量表的水的质量，单位为kg／h；△h为热交换系统中进口和出口温度下的比差，单位为J／kg；t为时间，单位为s；ρ为流经热量表的水的密度，单位为kg／m3；qv为流经热量表的水的体积，单位为m3。
    当水流经供热系统时，根据测得的流量值和进、出水温度以及供热时间，就能计算出该段时间内供热系统所释放的热量，从而为管理系统提供收费依据。