1 超声波热量表测量原理

　　超声波热量表是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法[2]，如图 1 所示。

　　式（7）中，为热交换系统输出热量，单位J;t为流量累积时间，单位h;η为热焙修正系数，单位J/m3（温度变化对流速的影响：超声波的传播速度随流体的温度的升高而升高，因而会给测量带来误差。因此，流体温度变化对精度的影响可以采用温度补偿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动补偿）;Q为瞬时热水流量，单位m3/h; T为进出水的温度差，单位℃。

　　这样，通过超声波传播的时间差先求出瞬时流量，进而由公式（7）获得消耗的热量了。

　　2 系统方案

　　2.1 MSP430F447 单片机

　　MSP430F447是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;具有的查表处理指令;有较高的处理速度。这些特点保证了可编制出率的源程序。

　　MSP430F447 单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。

　　MSP430F447 单片机集成了较丰富的片内外设：看门狗、模拟比较器、定时器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位 ADC、I2C总线直接数据存取（DMA）、I/O口等外围模块的不同组合。

　　MSP430F447 单片机的片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

　　2.2 TDC-GP2 时间测量芯片[3]

　　TDC-GP2是德国ACAM公司的新一代产品，具有高精度时间测量，高速脉冲发生器，接收信号使能，温度测量和时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。该芯片利用现代数字化CMOS技术，将时间间隔的测量量化到65ps的精度，给超声波流量测量及热量测量提供了理想的解决方案。TDC-GP2的超高测量精度和小尺寸封装特性，特别适合于低成本的工业应用领域。

　　2.3 超声波流量及热量测量系统方案设计

　　超声波热量表测量系统方案如图2所示[4~6]。系统的测量核心采用单片机 MSP430F447，外围电路由JTAG、电源、晶振、RS485串行通信接口、LCD液晶显示屏，核心测量芯片TDC-GP2及其超声波信号发送、接收及信号调理电路组成。此外，TDC-GP2还可通过外加Pt1000温度传感器，进行温度测量;JTAG调试接口用于程序调试及程序下载。

　　3 系统软件设计

　　软件设计是围绕超声波在流体中的传播时间及流体温度测量而设计的。由于TDC-GP2测量芯片具有测量时间差及流体温度的功能，因此软件设计通过围绕单片机选通TDC-GP2测量芯片，通过SPI通信接口控制超声波信号的发送、接收及流体的温度测量而展开的。测量得到超声波传导时间的测量，通过前述的流体流量计算原理，间接获得流体的流速，进而得到流体的流量;同时，通过控制测量芯片TDC-GP2，进行相关操作，获得流体的瞬时温度。

　　限于篇幅，本文只给出用TDC-GP2测量芯片的超声波时差测量的软件流程，如图2 所示。系统上电后通过单片机触发片选信号选通 TDC-GP2 测量芯片，并对TDC-GP2的寄存器进行配置，接着初始化，在TDC-GP2接收到开始通道上的*个脉冲信号后开始工作，直到达到预先设置的采样数或者遇到测量溢出后停止工作。然后，对测量值进行校准（可以不校准）后计算得到测量值，这样就完成了一次测量。一次测量完成后触发中断，单片机读取测量到的数据。下次测量前再进行一次初始化后就可以开始第二次测量。

　　4 结束语

　　笔者开发的超声波流量计经过实际系统测试，取得了较好的测量结果，系统的测量精度和稳定性都达到了预期的设计要求，并且系统设计在提高测量精度的同时大大降低了功耗。从而表明，该系统设计合理，切实可行。该流量计可应用于石油、化工、电力等工业领域，可作为工业过程自动化系统控制的流量测量设备。

电磁流量计http://
孔板流量计http://
超声波流量计http:///