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

隨著過去幾十年能源價(jià)格的上漲，節(jié)能已成為一個(gè)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(jì)和計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性和靈活性。原因很明顯：如果可以更靈活地應(yīng)用計(jì)費(fèi)和會計(jì)，則可以提供經(jīng)濟(jì)激勵措施，以減少需求最高時(shí)期的能源使用，并將能源使用轉(zhuǎn)移到需求較低的時(shí)期。

例如，電表正在從基于旋轉(zhuǎn)法拉利車輪的機(jī)械儀表轉(zhuǎn)向可以根據(jù)使用時(shí)間、功率因數(shù)和浪涌定價(jià)跟蹤能源使用情況的電子儀表。公用事業(yè)公司將花費(fèi)更換機(jī)械儀表的費(fèi)用，因?yàn)樽罱K，高峰時(shí)段必須有足夠的發(fā)電能力 - 在非高峰時(shí)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(shí)段提高價(jià)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(fù)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(xiàn)者。正是出于這個(gè)原因，許多保護(hù)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(fèi)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(gè)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(jià)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?xì)饣蛉加图訜嵯啾?，使用水源散熱器熱量提供個(gè)人計(jì)費(fèi)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(shí)的電力或消耗的天然氣或石油的體積。散熱器是不同的，因?yàn)槟茉词褂糜袃蓚€(gè)組成部分，流過散熱器的水量和水流過散熱器時(shí)的溫度下降。

在本應(yīng)用筆記中，我們將展示Maxim Integrated的MAX35101時(shí)間測量芯片如何成為水源散熱器設(shè)計(jì)的理想計(jì)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(jìn)入散熱器，然后離開散熱器返回?zé)嵩粗匦录訜幔缓笤龠M(jìn)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(jìn)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(dāng)來自工作流體的熱量被排出到空間中時(shí)，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(jì)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(diǎn)（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(dāng)?shù)臒崛莺腕w積質(zhì)量轉(zhuǎn)換值。為了計(jì)算被排斥到空間中的能量，我們計(jì)算工作流體進(jìn)入散熱器時(shí)的焓，并減去離開時(shí)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(shí)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(jì)算上游方向的飛行時(shí)間和下游方向的飛行時(shí)間之間的時(shí)間差，可以計(jì)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(jì)算出每單位時(shí)間的流量。

庫中有詳細(xì)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(jì)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(shí)，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(xì)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(jì)的，它是一個(gè)時(shí)間測量電路。

幸運(yùn)的是，有一種簡單的方法可以將電阻轉(zhuǎn)換為時(shí)間：允許電容器通過電阻放電，并計(jì)算放電到已知電壓電平所需的時(shí)間。MAX35101有<>個(gè)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(shí)計(jì)算將電容放電至特定電壓所需的時(shí)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(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電容完全充電時(shí)，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通并開始對電容放電，同時(shí)MAX35101中的時(shí)間測量邏輯開始計(jì)時(shí)。當(dāng)電容低于比較器的閾值電平時(shí)，比較器切換，通知內(nèi)部邏輯停止計(jì)數(shù)并報(bào)告計(jì)數(shù)。同時(shí)，Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通，再次對電容進(jìn)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(jì)數(shù)越大，溫度越高。圖3顯示了測量電容放電時(shí)間時(shí)電容兩端的電壓。

圖2.溫度-時(shí)間轉(zhuǎn)換電路。

在圖2中，第二個(gè)輸入T4連接到一個(gè)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(shí)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(shí)引入了另一個(gè)隨溫度變化的因素。此外，內(nèi)部基準(zhǔn)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(jì)算兩個(gè)計(jì)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(shí)間測量電路中的時(shí)序。

主微控制器可以從MAX35101的RTD電阻和基準(zhǔn)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(gè)計(jì)數(shù)的平均值。無論哪種方式，一旦取了幾個(gè)RTD電阻計(jì)數(shù)和參考計(jì)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(gè)SPI接口，用于連接主機(jī)微控制器。要啟動溫度轉(zhuǎn)換周期，主機(jī)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(jì)時(shí) 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(jì)數(shù)存入以下寄存器對：

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

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

t = -RC ln （VO/VI）

根據(jù)上述值進(jìn)行評估，放電曲線將在101.16μs后達(dá)到閾值。計(jì)數(shù)寄存器以大約 3.81ps 為單位提供時(shí)間，因此將一個(gè)除以另一個(gè)，我們看到計(jì)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(zhǔn)電阻或在0°C參考溫度下測量鉑RTD時(shí)應(yīng)獲得的值。

在這一點(diǎn)上，有人可能會認(rèn)為，解決上述R方程并將時(shí)間測量值轉(zhuǎn)換為電阻值是有意義的。但是由于時(shí)間和電阻是成正比的，并且由于我們實(shí)際上對絕對電阻不感興趣，而是對RTD和固定基準(zhǔn)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(jì)數(shù)。

由于主機(jī)微控制器中可能沒有浮點(diǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)電阻的偏移值。丟棄剩余部分。

如果基準(zhǔn)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(zhǔn)電阻（溫度大于0°C）;如果該值小于4，096，則RTD的值小于基準(zhǔn)電阻（溫度小于0°C）。

但是多（或少）多少？RTD制造商為每個(gè)傳感器發(fā)布表格，給出傳感器在整個(gè)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(kuò)展此表以顯示除法運(yùn)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(gè)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(gè)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(yùn)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(diǎn)之間使用線性插值（如果使用標(biāo)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(jìn)行建模，并利用這些知識從原始計(jì)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(shí)間的推移整合這些價(jià)值觀。

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

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

在90°C時(shí)，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(shí)，水的比熱為每克 4.208 焦耳/度，而在 50°C 時(shí)，水的比熱為每克每度 4.182 焦耳。

我們可以計(jì)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(shí)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(diǎn)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(jìn)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(gè)小時(shí)，則使用的能量約為2.455kWh。

增強(qiáng)

MAX35101時(shí)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(gè)，一個(gè)用于出口溫度，一個(gè)用于入口溫度，一個(gè)用于基準(zhǔn)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(dá)到請求的溫度。這樣的系統(tǒng)將代表一個(gè)完整的閉環(huán)溫度管理系統(tǒng)：用戶選擇一個(gè)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(shí)跟蹤實(shí)際消耗的熱量。

另一項(xiàng)改進(jìn)是遠(yuǎn)程管理和報(bào)告。在這種情況下，控制處理器將充當(dāng)數(shù)據(jù)聚合器和開關(guān)，以允許遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)和報(bào)告異常情況。報(bào)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(jī)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