一種基于TDC—GP21的無線熱量采集終端設計
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能源問題是關系到整個社會穩(wěn)定、國民經濟健康發(fā)展的重大問題，隨著當前能源緊缺形勢的加劇，我國越來越重視節(jié)能工作。目前，我國很多地區(qū)的供暖依舊采用按建筑面積收費，即包費制，這種“大鍋飯”式的收費方式嚴重地抑制了用戶的節(jié)能意識。而且隨著人民生活水平的提高，商品意識不斷加強，這種舊體制已經不能適應當前經濟生活的發(fā)展。本文設計的無線熱量采集終端可以實現(xiàn)供熱系統(tǒng)按供熱量收費，一戶一表，達到公平、公正的原則，提高了用戶的節(jié)能意識，節(jié)能約20～30％。
目前熱量計量設備的種類很多，按照流量計的不同可分為機械式(渦輪式、渦街式、孔板式)、電磁式、超聲波式等。機械式流量計對水質的要求較高，微量的鐵屑或細沙等都會急劇降低測量精度甚至致使流量表短期內損壞。電磁式流量計對水流的導電率有要求，需要220V的高壓電源供電，功耗大，對電磁干擾敏感。而超聲波流量計克服了上述兩種流量計的缺點，超聲波探頭的材料為非磁性材料，不存在吸引鐵銹等問題，對水質要求較低、使用壽命長、不易損壞，屬于非接觸測量，具有安裝、維護方便等優(yōu)點。因此，我們設計的熱量采集終端采用超聲波法測量流量。
獲得熱量數(shù)據(jù)的方法有以下幾種，傳統(tǒng)的人工抄表費時、費力，且缺乏可靠性、實時性和準確性；有線抄表需要專門的網(wǎng)絡布線，復雜且傳輸距離短，不適合當今社會和科技的發(fā)展；無線抄表解決了上述問題，ZigBee技術是近年來發(fā)展起來的現(xiàn)代無線通信技術，它具有低速率、低功耗、低成本、短時延、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、近距離傳輸?shù)忍攸c。通用分組無線服務技術GPRS(General Packet Rad io Service)是全球移動通信系統(tǒng)(GSM)移動電話可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務，它非常適合遠程數(shù)據(jù)傳輸。
綜上所述，我們設計了用時間測量芯片TDC-GP21實現(xiàn)流量測量，用ZigBee無線單片機CC2430實現(xiàn)管理和短距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線熱量采集終端。結合GPRS遠程無線數(shù)據(jù)傳輸即可方便地組成遠程無線熱量抄表系統(tǒng)。該無線熱量采集終端具有測量準確、功耗低、實時性好、能夠遠程抄表等優(yōu)點。
1 無線熱量采集終端的工作原理
熱量表主要用于測量及顯示水流經熱交換系統(tǒng)所吸收或釋放的熱能量，是供熱體系中按熱量計量收費的關鍵儀表。熱量表設計的依據(jù)是熱力學吸熱定律，即Q=c×m×(t2-t1)，其中，c是比熱容，m是質量，(t2-t1)是溫度差。超聲波熱量表是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和進、出水溫差來計算出向用戶提供的熱量。其中流量測量部分的工作原理是由超聲波在順流和逆流時產生的時間差得出水的流速，再由水的流速推導出瞬時流量，累積后得到流量信息。在工作過程中應用一對超聲波換能器相向交替收發(fā)超聲波，首先通過適當?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產生超聲波振動，超聲波以一定的角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測。
如圖1所示，在管道上裝有換能器1和換能器2，流體速度為v，換能器用于發(fā)射和接收超聲波。由于流體的流動，超聲波的順流傳播時間小于逆流傳播時間，從而產生時間差。
其中：△t為順、逆流的時間差，單位為s；t1、t2為順、逆流的傳播時間，單位為s：D為管道直徑，單位為m；L為兩個換能器間的距離，單位為m；c為超聲波在流體中的傳播速度，m／s；v為介質平均流速，m／s；τ為超聲波在液體以外傳播的附加時間，包括超聲波在換能器的傳播時間、管壁內的傳播時間及電路測試的延時時間，單位為s。
因為實際流速一般遠小于聲速(vc)，所以式(3)可化簡為：
式(5)所求的流體速度v為線平均流速，最終所需測量的是面平均流速v’，二者比值K=v／v’，稱為流量修正系數(shù)，則體積流量為：
由式(7)可以看出：在管道情況確定時，流體流量與順、逆流時間差成正比，通過測量時差可達到測量流量的目的，而在實際應用中，時差的測量是比較容易實現(xiàn)的。
最終，得到熱量的計算公式：
其中，Q為熱交換系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，單位為J；qm為流經熱量表的水的質量，單位為kg／h；△h為熱交換系統(tǒng)中進口和出口溫度下的比差，單位為J／kg；t為時間，單位為s；ρ為流經熱量表的水的密度，單位為kg／m3；qv為流經熱量表的水的體積，單位為m3。
當水流經供熱系統(tǒng)時，根據(jù)測得的流量值和進、出水溫度以及供熱時間，就能計算出該段時間內供熱系統(tǒng)所釋放的熱量，從而為管理系統(tǒng)提供收費依據(jù)。
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