在本應(yīng)用筆記中，我們將展示MAX35101時間測量芯片如何成為水源散熱器設(shè)計的理想計量器件。

隨著過去幾十年能源價格的上漲，節(jié)能已成為一個越來越受關(guān)注的問題。節(jié)能的核心組成部分是能源使用會計和計費的準確性和靈活性。原因很明顯：如果可以更靈活地應(yīng)用計費和會計，則可以提供經(jīng)濟激勵措施，以減少需求最高時期的能源使用，并將能源使用轉(zhuǎn)移到需求較低的時期。

例如，電表正在從基于旋轉(zhuǎn)法拉利車輪的機械儀表轉(zhuǎn)向可以根據(jù)使用時間、功率因數(shù)和浪涌定價跟蹤能源使用情況的電子儀表。公用事業(yè)公司將花費更換機械儀表的費用，因為最終，高峰時段必須有足夠的發(fā)電能力 - 在非高峰時段將在很大程度上閑置的發(fā)電能力。但是，如果他們能夠在高峰時段提高價格并為非高峰使用提供折扣，那么具有需求靈活性的用戶就可以享受大幅折扣 - 公用事業(yè)公司將看到一天中的負載曲線變得更加平穩(wěn)，可能會減少對新發(fā)電能力的需求。

在商業(yè)和住宅應(yīng)用中，加熱和冷卻生活空間通常是能源消耗的最大貢獻者。正是出于這個原因，許多保護工作集中在增加舊建筑物的絕緣和密封空氣泄漏，并贊助公共服務(wù)活動，提醒公用事業(yè)客戶在夏季設(shè)置恒溫器，在冬季設(shè)置涼爽的恒溫器。未能采取這些措施的客戶將不可避免地看到他們的能源費用增加。

在多單元住宅中，由熱水源的散熱器提供熱量的情況并不少見。這有幾個原因：加熱大量水并將其分配到生活空間的散熱器是提供熱量的有效方式。水是一種廉價的工作流體，具有較高的傳熱能力，并且建造水散熱器，泵和分配系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)成熟。

但是，與直接電熱或直接燃氣或燃油加熱相比，使用水源散熱器熱量提供個人計費更困難。使用后一種熱源，很容易測量能源使用情況：只需測量千瓦時的電力或消耗的天然氣或石油的體積。散熱器是不同的，因為能源使用有兩個組成部分，流過散熱器的水量和水流過散熱器時的溫度下降。

在本應(yīng)用筆記中，我們將展示Maxim Integrated的MAX35101時間測量芯片如何成為水源散熱器設(shè)計的理想計量器件。

背景

在典型的水源散熱器系統(tǒng)中，來自熱源的熱水通過可由用戶操作的閥門進入散熱器，然后離開散熱器返回?zé)嵩粗匦录訜幔缓笤龠M行旅行。用戶可以打開閥門以允許更多的水流動，從而將更多的熱量排出到空間中，或者用戶可以關(guān)閉閥門以減少流量，從而減少傳遞到空間的熱量。

為了拒絕給定量的熱能進入空間，必須從溫度高于空間環(huán)境溫度的工作流體開始。當來自工作流體的熱量被排出到空間中時，工作流體冷卻到空間的環(huán)境溫度，空間的溫度升高。工作流體中所含的焓（即熱量）可以通過以下公式計算：

E = C（t） × m × t

在方程中，t是工作流體的絕對溫度，m是工作流體的質(zhì)量，C是工作流體的比熱容。在我們的分析中，工作流體是水。水在室溫下的熱容約為每克開爾文 4.1813 焦耳，并且在其液體溫度范圍內(nèi)略有變化。名義上，水的密度約為每立方厘米一克，但這隨溫度變化很大。水的密度最高，溫度為4°C（0.99997/cc），最低密度略低于沸點（0.9584/cc）。由于我們將測量流量而不是質(zhì)量，因此我們必須應(yīng)用轉(zhuǎn)換表來使用適當?shù)臒崛莺腕w積質(zhì)量轉(zhuǎn)換值。為了計算被排斥到空間中的能量，我們計算工作流體進入散熱器時的焓，并減去離開時的焓。不同之處在于排斥到空間中的熱量。

有了這些知識，我們看到，要測量傳遞到空間的熱能（參見圖1的圖表或布置），我們需要定期測量入口溫度，出口溫度和流經(jīng)系統(tǒng)的水量。如果我們測量通過已知直徑的閥芯體的流量，那么水量將與通過閥芯體的水流速成正比。然后，我們可以使用查找表將水量轉(zhuǎn)換為水的質(zhì)量，將質(zhì)量乘以工作溫度下水的熱容（也從表中獲得），然后將結(jié)果乘以溫度下降（入口溫度和出口溫度之間的差異）穿過散熱器。結(jié)果是散熱器耗散的能量。

圖1.帶熱量表的水源散熱器。

測量流量

MAX35101時間測量器件包含壓電換能器的驅(qū)動器，可以先向上游方向發(fā)射聲脈沖，然后再向下游方向發(fā)射工作流體。通過計算上游方向的飛行時間和下游方向的飛行時間之間的時間差，可以計算出工作流體在閥芯體中的速度。乘以閥芯體的橫截面積，可以計算出每單位時間的流量。

庫中有詳細描述該過程的應(yīng)用筆記。出于此討論的目的，我們將假設(shè)我們已經(jīng)計算了以立方厘米/秒為單位的流速。

測溫

在考慮如何在工業(yè)環(huán)境中測量溫度時，有兩種技術(shù)脫穎而出：熱電偶和電阻溫度檢測器（RTD）。每種溫度檢測都有一席之地，但通常歸結(jié)為：如果應(yīng)用需要測量非常熱（大于600°C）的溫度，熱電偶是更好的選擇。然而，在幾乎所有其他情況下，RTD都是更好的選擇，這是我們的選擇。

RTD通常是陶瓷或其他惰性基座上的鉑絲細線圈或鉑金屬薄膜。隨著溫度的升高，導(dǎo)體的電阻增加;如果溫度范圍相對較窄，則電阻的變化是隨溫度變化的簡單二次函數(shù)。

在0°C以上，鉑RTD的電阻由以下公式給出：

RT= R0（1 + 在 - 英國電信2)

對于典型的RTD傳感器，A的值約為3.9083×103/°C 和 B 的值約為 -0.5775 × 106/°C2.在90°C（水源輻射熱系統(tǒng)的典型入口溫度）下，1，000Ω RTD的電阻為1，347.07Ω。如果出口溫度為室溫（不會 - 沒有散熱器是100%有效的），則1kΩ RTD的電阻為1，097.35Ω，相差為249.72Ω。該電阻范圍很容易測量。

給定RTD電阻確定溫度的一種方法是求解上面給出的T二次方程并插入RT.這種“簡單”解決方案的問題在于精確測量RTD的電阻。簡單地說，MAX35101不是為測量電阻而設(shè)計的，它是一個時間測量電路。

幸運的是，有一種簡單的方法可以將電阻轉(zhuǎn)換為時間：允許電容器通過電阻放電，并計算放電到已知電壓電平所需的時間。MAX35101有<>個端口連接到相應(yīng)的電流驅(qū)動器和開關(guān)，首先對外部電容充電，然后通過RTD對電容放電，同時計算將電容放電至特定電壓所需的時間。以下是它的工作原理：

在圖2中，Q1導(dǎo)通，在測量間隔之前對電容進行預(yù)充電。當電容完全充電時，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通并開始對電容放電，同時MAX35101中的時間測量邏輯開始計時。當電容低于比較器的閾值電平時，比較器切換，通知內(nèi)部邏輯停止計數(shù)并報告計數(shù)。同時，Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通，再次對電容進行預(yù)充電。由于電阻與溫度成正比，并且較高的電阻對應(yīng)于更長的電容器放電周期，因此計數(shù)越大，溫度越高。圖3顯示了測量電容放電時間時電容兩端的電壓。

圖2.溫度-時間轉(zhuǎn)換電路。

在圖2中，第二個輸入T4連接到一個1kΩ金屬膜電阻。金屬膜是一種非常穩(wěn)定的材料，可用作電阻元件，隨溫度變化小，具有良好的老化性能。測量電容器通過非常穩(wěn)定的固定電阻放電所需的時間的目的是消除電路中的所有其他可能影響。例如，C0G型電容器雖然具有良好的穩(wěn)定性，但確實引入了另一個隨溫度變化的因素。此外，內(nèi)部基準電壓源和比較器雖然非常好，但會隨著溫度和電源電壓而產(chǎn)生微小但不必要的變化。通過首先測量T1處的溫度，然后測量T4處的固定電阻并計算兩個計數(shù)的比率，可以消除所有雜散效應(yīng)，只留下溫度對RTD的影響。

圖3.溫度-時間測量電路中的時序。

主微控制器可以從MAX35101的RTD電阻和基準電阻的幾次測量中取平均值，也可以使用MAX35101的事件管理系統(tǒng)自動取多個計數(shù)的平均值。無論哪種方式，一旦取了幾個RTD電阻計數(shù)和參考計數(shù)的商的平均值，就可以使用查找表找到溫度。RTD制造商通常為其每種傳感器類型提供電阻與溫度的關(guān)系表。

MAX35101寄存器接口

MAX35101包含一個SPI接口，用于連接主機微控制器。要啟動溫度轉(zhuǎn)換周期，主機微控制器只需向MAX0寫入03x35101命令，然后通過SPI接口從結(jié)果寄存器讀取結(jié)果。但在開始該過程之前，您需要設(shè)置一些操作參數(shù)。這些參數(shù)在事件計時 2 寄存器中配置。

通過將0x03命令寫入SPI端口來啟動溫度測量周期。MAX35101將執(zhí)行要求的溫度測量周期，包括PRECYC字段中要求的任何虛擬周期。完成后，MAX35101將累積計數(shù)存入以下寄存器對：

16位寄存器對可以作為單個32位寄存器。這樣考慮，與溫度輸入相關(guān)的計數(shù)分辨率約為3.81ps，最大時間測量周期約為8.19ms。一微秒間隔將提供 1μs/3.81ps = 262，144 個計數(shù)的計數(shù)。相反，計數(shù) 10，000，000 對應(yīng)于 10，000，000 的時間× 3.81ps = 38.1μs。

現(xiàn)在我們知道了如何將原始計數(shù)轉(zhuǎn)換為時間，我們準備將時間測量值轉(zhuǎn)換為溫度。首先，我們假設(shè)電阻的默認值為1，000Ω，電容器的默認值為100nF。當電容器充滿電并且開關(guān)將電阻器接地時，電容器從3.3V至1.2V放電的時間由下式給出：

t = -RC ln （VO/VI）

根據(jù)上述值進行評估，放電曲線將在101.16μs后達到閾值。計數(shù)寄存器以大約 3.81ps 為單位提供時間，因此將一個除以另一個，我們看到計數(shù)寄存器的內(nèi)容應(yīng)該約為 26 萬（具體來說，5x0 A0194EF）。

這是測量基準電阻或在0°C參考溫度下測量鉑RTD時應(yīng)獲得的值。

在這一點上，有人可能會認為，解決上述R方程并將時間測量值轉(zhuǎn)換為電阻值是有意義的。但是由于時間和電阻是成正比的，并且由于我們實際上對絕對電阻不感興趣，而是對RTD和固定基準電阻的電阻之比感興趣，因此我們可以將數(shù)字保留為原始計數(shù)。

由于主機微控制器中可能沒有浮點單元，因此獲取比率的一種簡單方法是執(zhí)行以下操作：

測量基準電阻

將測量值向右移動（例如）12 位

測量熱電阻

將RTD的測量值除以基準電阻的偏移值。丟棄剩余部分。

如果基準電阻的值等于RTD的值，則結(jié)果將正好為4，096（意味著RTD的溫度為0°C）。如果該值大于4，096，則RTD的值高于基準電阻（溫度大于0°C）;如果該值小于4，096，則RTD的值小于基準電阻（溫度小于0°C）。

但是多（或少）多少？RTD制造商為每個傳感器發(fā)布表格，給出傳感器在整個推薦工作范圍內(nèi)的電阻。例如，以下是以室溫為中心的典型傳感器的表格摘錄：

現(xiàn)在，我們可以擴展此表以顯示除法運算的比率和預(yù)期結(jié)果：

在微控制器代碼中，您只需要陰影列：溫度和除法結(jié)果 - 如果您有一個具有固定溫度增量的表（如上表所示），則可以消除溫度列。例如，如果您有一個名為 temp_table 的靜態(tài)數(shù)組，該數(shù)組僅包含表的最右側(cè)列，并且從 0°C 開始，則轉(zhuǎn)換子例程可能如下所示：

int convert_quotient_to_temperature(int quotient)
    {
    int i=0;
    while(temp_table[i] < quotient) i++;
    return i;
    }
    

因此，如果除法運算的結(jié)果是 4，493，則可以搜索表并確定最接近的值為 4，495，并得出結(jié)論，溫度為 25°C。 如果需要更高的精度，則可以在表上的點之間使用線性插值（如果使用標稱值 4，096），并且可以再提取大約一位數(shù)的精度。如果需要更高的精度，可以對RTD本身進行建模，并利用這些知識從原始計數(shù)中提取更有意義的分辨率。

將一切整合在一起

現(xiàn)在我們有了制造熱量表所需的工具。我們可以測量通過散熱器的流量，然后測量入口和出口溫度。現(xiàn)在需要的只是隨著時間的推移整合這些價值觀。

隨著時間的推移，定期進行實際積分包括定期取樣并假設(shè)流速和溫度恒定，直到您進行另一次測量。幸運的是，在合理的采樣率下，這是一個很好的假設(shè)：工作流體的體積溫度實際上不會經(jīng)常變化，并且流速僅在閥門位置改變時才發(fā)生變化。

假設(shè)系統(tǒng)每分鐘進行一次測量。在一次特定的測量中，假設(shè)MAX35101在90°C時檢測入口溫度，在50°C時檢測出口溫度，并以每秒15cc的速度計算流量。

在90°C時，水的密度約為0.965g/cc。因此，在一秒鐘內(nèi)，我們觀察到大約14.48克水通過線軸體。此外，在 90°C 時，水的比熱為每克 4.208 焦耳/度，而在 50°C 時，水的比熱為每克每度 4.182 焦耳。

我們可以計算出一秒鐘內(nèi)傳遞的能量。請注意，我們在下面使用攝氏和開爾文溫度可以互換使用。實際上，它們是不可互換的，但是由于我們關(guān)心的是介質(zhì)的差異而不是絕對焓，因此我們可以對單位有點松散。

E = （C（T1） × m × T1） - （C（T2） × m × T2）

E = 4.208 焦耳/克/K × 14.48 克 × 90°C - 4.182 焦耳/克/千克 14.48 克 × 50°C

E = 5，481.97J - 3，026.72J

E = 2，455.25J

因此，在一秒鐘內(nèi)被排斥到空間的能量是2，455.25焦耳。在一分鐘的采樣周期內(nèi)，拒絕進入空間的能量為2，508.89j / s×60s = 147.3kJ = 40.92Wh。如果這種使用率持續(xù)一個小時，則使用的能量約為2.455kWh。

增強

MAX35101時間測量器件包括<>路溫度傳感器輸入。在本應(yīng)用中，到目前為止，我們已經(jīng)使用了三個，一個用于出口溫度，一個用于入口溫度，一個用于基準電阻。但是，將傳感器連接到剩余的傳感器輸入以確定環(huán)境溫度并提供執(zhí)行器來調(diào)節(jié)閥門是一件簡單的事情。然后，與控制處理器相關(guān)聯(lián)的接口元件可以允許用戶直接輸入所需的溫度，控制處理器調(diào)節(jié)閥門以達到請求的溫度。這樣的系統(tǒng)將代表一個完整的閉環(huán)溫度管理系統(tǒng)：用戶選擇一個溫度，控制處理器驅(qū)動閥門向空間輸送或多或少的熱量，同時跟蹤實際消耗的熱量。

另一項改進是遠程管理和報告。在這種情況下，控制處理器將充當數(shù)據(jù)聚合器和開關(guān)，以允許遠程重新校準和報告異常情況。報告可以通過無線協(xié)議（WiFi或蜂窩調(diào)制解調(diào)器）或有線協(xié)議（通常是電力線網(wǎng)絡(luò)）執(zhí)行。

結(jié)論

MAX35101是測量任何流體系統(tǒng)中流速的理想器件。通過增加溫度傳感器，MAX35101可用于測量水源散熱器系統(tǒng)的能耗。通過添加更多傳感器和主機微控制器，它可以用作完整能源管理系統(tǒng)的模擬前端。

審核編輯：郭婷