一种高精度大口径超声波热量表的开发与设计

摘要

近年来，随着国家节能减排政策的不断实施，我国供暖系统中长期存在的热量浪费现象，已慢慢得到改善，但北方部分城市供暖系统中依然存在着不同程度热量浪费，不仅浪费了煤炭资源，更污染了环境。究其原因，主要是因为热计量技术不够成熟。目前市场上小口径户用型热量表发展较为成熟，而大口径多声道超声波热量表还存在着流量测量误差大，尤其是小流量点精度低，误差波动大的问题，所以，对大口径多声道超声波热量表的研究有着重要的意义。
　　针对上述问题，本文设计了一款DN200口径四声道超声波热量表。采用基于时差法的流量测量原理；首先，分析了时差法的测流模型，确定了多声道布置方案，从原理上减少了流量积分误差、提高了超声波热量表对流速波动的抗干扰能力。其次，通过配对的温度传感器测量出进出水口的温度。针对流量测量精度受温度变化的非线性影响，采用最小二乘曲面拟合温度补偿算法进行补偿，并通过MATLAB软件仿真证明了温度补偿的有效性，降低了测量误差。最后，通过积算仪计算出流经热交换系统所释放的热量。设计了超声波热量表的硬件系统，以MSP430F449单片机为控制核心，通过高精度时间测量芯片UTA6903设计了流量测量电路、温度测量电路、通讯电路和按键电路等。
　　本文设计的超声波热量表，借助实习公司平台完成了超声波流量传感器参数匹配和收发波形测试、流量精度测试、温度测试、抗干扰测试以及功耗测试等。测试结果均超过国家对流量计量2级仪表的要求，并且功耗较低，具有一定的工程使用价值。

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Contents

1绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 热量表的分类和特点

1.3 超声波热量表测量技术

1.4 国内外研究现状及发展趋势

1.5 主要研究内容

2多声道超声波热量表的测量原理

2.1 引言

2.2 超声波热量表流量测量算法

2.3 超声波热量表温度测量算法

2.4 热量计算算法

2.5 多声道布置算法

2.6 流量测量的温度补偿方案

2.7 本章小结

3系统硬件电路设计

3.1 引言

3.2 单片机选型及最小系统设计

3.3 超声波流量传感器选型及流量测量电路设计

3.4 温度传感器选型及温度测量电路设计

3.5 通讯电路设计

3.6 本章小结

4系统软件设计

4.1 引言

4.2 主程序设计

4.3 中断程序设计

4.4 本章小结

5仿真与测试

5.1 引言

5.2 温度补偿算法仿真测试

5.3 超声波流量传感器参数匹配和发/收波形实验

5.4 热量表流量精度测试

5.5 热量表温度测试和温差测试

5.6 热量表抗干扰测试

5.7 热量表功耗测试

5.8 本章小结

6总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间主要研究成果