一种超声波热量表空管检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波热量表空管检测领域，具体是一种超声波热量表空管检测系统及方法。
【背景技术】
[0002]超声波热量表包括基表和管段，管段的进口端和出口端与供热系统的管道连接，超声波热量表是通过超声波的方法测量流量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热能量的仪表。它通过两种传感器测得的物理量一一热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值。它是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品，目前在许多领域获得了成功的应用。
[0003]在超声波热量表中，测量流量的先决条件是要求被测流体必须充满管道，否则将不能进行正确的流量测量。另一方面，在非供暖季节由于管道内无水，这就需要仪表休眠并停止测量，以节省电池消耗。因此，设计空管检测装置来检测超声波热量表的管段是否为空管是必要的。
[0004]对于超声波热量表而言，简单的空管检测方法是通过检测超声波信号丢失来确定是空管，虽然这种方法可以省去空管传感器，但有时在超声波信号丢失时，并不等于是空管，因而增加了判定空管的复杂性，误差大。常用的方法是采用电极式传感器直接测量液体的导电率，但电极表面容易被电蚀氧化而逐渐失去导电性，需要经常对电极进行清洗，存在效率低、操作繁琐的缺陷。较为可靠的方法是采用电容式传感器测量液体液位变化，根据液位变化来判断管段是否为空管，但市场上现有的电容式传感器价格昂贵，加装于超声波热量表时存在匹配性不佳的缺陷，因而，研发一种低成本的、专用于空管检测的电容式传感器将有助于改善超声波热量表的检测性能。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术的不足，本发明将超声波热量表的金属管道内有水或无水状态转换为电容量大小变化，并通过测量电容量来判断管道是否为空管;采用自主研发的电容式传感器结合单片机技术，通过差值运算求得电容式传感器的值，进而通过比较即可判断金属管道是否为空管。本发明的电容式传感器结构巧妙、成本低、与超声波热量表的匹配度高;本发明的检测系统设计合理，检测方法方便快捷，相比于现有技术具有误差小、效率高的优势。
[0006]本发明提供一种用于超声波热量表空管检测的电容式传感器，包括检测电极、电介质、外电极，所述外电极设置在超声波热量表的金属管道表面，所述检测电极插入超声波热量表的金属管道内，所述电介质包覆在所述检测电极表面，将所述检测电极与外电极、金属管道以及金属管道内的水或空气隔开，所述检测电极通过所述电介质与金属管道内的水或空气接触。
[0007]优选地，所述电介质为在所述检测电极表面塑封的绝缘层。
[0008]进一步地，所述检测电极插入金属管道内的深度能够调整，所述检测电极、外电极与金属管道内的水或空气组合构成一可变面积式电容式传感器。
[0009]本发明还提供了一种超声波热量表空管检测系统，包括充放电回路和检测电路，所述充放电回路由参考电容、电阻和上述电容式传感器并联构成或者由参考电容和电阻并联构成，所述检测电路包括检测模块、计算模块和判断模块，
[0010]所述检测模块用于检测电容式传感器和参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcsENS以及参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tCREF，
[0011 ]所述计算模块用于将检测的放电时间tCSENS和tCREF进行求差运算，得到电容式传感器的实际放电时间 tcSENS ' , tcSENS ' = tcSENS-tcREF ;
[0012]所述判断模块用于将tcSENS '与tcREF进行比较，如果tcSENS ' > tcREF，贝>J判定超声波热量表的金属管道内有水;如果tcSENS' < tCREF时，则判定超声波热量表的金属管道内无水。
[0013]具体地，所述检测模块包括数字/模拟复用端口、模拟比较器和定时器，所述数字/模拟复用端口的一端与所述充放电回路连接，另一端与所述模拟比较器的正输入端连接，所述模拟比较器的负输入端连接参考电压Vref的输出端，所述模拟比较器的输出端与所述定时器连接；
[0014]所述充放电回路由参考电容、电阻和电容式传感器并联构成时，所述数字/模拟复用端口用于作为数字端口输出为高电平时，向所述电容式传感器和参考电容充电，作为模拟输入端口时，所述电容式传感器和参考电容通过电阻放电，并将放电电压Vcsens输入模拟比较器;所述模拟比较器用于将所述放电电压Vcsens与所述参考电压Vref进行比较，当Vcsens低于Vref时，模拟比较器输出由高电平变为低电平，在下降沿时刻捕获定时器的值，该值即为电容式传感器从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcsENS ；
[0015]所述充放电回路由参考电容和电阻并联构成时，所述数字/模拟复用端口用于作为数字端口输出为高电平时，向所述参考电容充电，作为模拟输入端口时，所述参考电容通过电阻放电，并将放电电压Vcref输入模拟比较器;所述模拟比较器用于将所述放电电压Vcref与所述参考电压Vref进行比较，当V cref低于Vref时，模拟比较器输出由高电平变为低电平，在下降沿时刻捕获定时器的值，该值即为参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tCREF ο
[0016]优选地，所述检测电路包括I/O端口，所述I/O端口与所述充放电回路连接，所述1/0端口切换到输出时，所述电容式传感器接入所述充放电回路，所述1/0端口切换到输入，SP断开电容式传感器的充放电路径。
[0017]进一步地，所述参考电容的值小于所述电容式传感器的最大电容值，大于所述电容式传感器的最小电容值;其中，所述电容式传感器的
[0018]最大电容值为Cmax = 23TeoerHx/ln(d2/dl)，
[0019]最小电容值为Cmin = 23TeoHx/ln(d2/dl)，
[0020]式中:εο为电介质的介电常数;er为金属管道内空气或水的介电常数;Η为检测电极插入金属管道内的深度;dl为检测电极直径;d2为电介质的直径。
[0021]相应地，本发明还提供了一种超声波热量表空管检测方法，所述方法采用上述超声波热量表空管检测系统对超声波热量表的金属管道进行检测，包括以下步骤:
[0022]S1、将电容式传感器、参考电容和电阻并联构成充放电回路，检测电容式传感器和参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcsENS ；
[0023]S2、将参考电容和电阻并联构成充放电回路，检测参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcREF ；
[0024]S3、将检测的放电时间tcSENS和tcREF进行求差运算，得到电容式传感器的实际放电时 I司 tcSENS '，tcSENS ' = tcSENS—tcREF ；
[0025]S4、将tcSENS'与tcREF进行比较，如果tcSENS' > tcREF，则判定超声波热量表的金属管道内有水;如果tcSENS' < tCREF时，则判定超声波热量表的金属管道内无水。
[0026]具体地，所述将电容式传感器、参考电容和电阻并联构成充放电回路，检测电容式传感器从Vcc放电到Vref时所需要的放电时间tcsENS具体包括:
[0027]将电容式传感器、参考电容和电阻并联构成充放电回路，将所述数字/模拟复用端口作为数字端口输出为高电平，向所述电容式传感器和参考电容充电，将所述数字/模拟复用端口作为模拟输入端口，所述电容式传感器和参考电容通过电阻放电，并将放电电压Vcsens输入模拟比较器;所述模拟比较器获取所述放电电压Vcsens和参考电压Vref，将放电电压Vcsens和参考电压Vref进行比较；当Vcsens低于Vref时，模拟比较器输出由高电平变为低电平，在下降沿时刻捕获定时器的值，该值即为电容式传感器和参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcsENS。
[0028]具体地，所述将参考电容和电阻并联构成充放电回路，检测参考电容从电源电压Vcc放电到参考电压Vref时所需要的放电时间tcREF具体包括:
[0029]断开电容式传感器的充放电路径，将参考电容和电阻并联构成充放电回路，将所述数字/模拟复用端口作为数字端口输出为高电平，向所述参考电容充电，将所述数字/模拟复用端口作为模拟输入端口，使所述参考电容通过电阻放电，并将放电电压V C R E F输入模拟比较器;所述模拟比较器获取所述放电电压Vcref和参考电压Vref，将放电电压Vcref和参考电压Vref进行比较；当Vcref低于Vref时，