超聲波熱量表的計(jì)量原理及設(shè)計(jì)

路銀川，甄敬然

LU Yin-chuan, ZHEN Jing-ran

（中州大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，鄭州 450044）

0 引言

節(jié)能減排肯定是我們國(guó)家近些年發(fā)展的一個(gè)最大的戰(zhàn)略。我國(guó)現(xiàn)在熱能的消耗占北方冬季能源消耗的50%，可以看出無(wú)論是國(guó)家的能源政策，還是迫在眉捷的實(shí)際需求，我們都必須節(jié)能。而我國(guó)現(xiàn)行的供熱收費(fèi)制度是按面積收費(fèi)，這種供熱體制由于居民用戶沒(méi)有供熱調(diào)節(jié)手段，用多用少一個(gè)樣，所以節(jié)約用熱積極性不高，其次，熱力公司由于收費(fèi)困難，技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備改造積極性也遭受挫折。因此我國(guó)供熱水平一直處于較低水平，導(dǎo)致了我國(guó)熱力資源的極大浪費(fèi)。在這種背景下，國(guó)家相繼提出了許多節(jié)能降耗計(jì)劃，國(guó)家建設(shè)部已將熱量計(jì)量收費(fèi)列入《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃》，提出居民供熱體制改革，要依照多用多付，少用少付的原則，進(jìn)行熱計(jì)量收費(fèi)。目前在中國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外熱量表技術(shù)成熟,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,但是價(jià)格昂貴.我國(guó)對(duì)熱量表的需求量大,因此,研制開(kāi)發(fā)低成本、符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的熱量表是大勢(shì)所趨[1,2]。

1 熱量計(jì)量原理

熱量表測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由流量傳感器、進(jìn)口溫度傳感器、出口溫度傳感器及STC12C5410AD單片機(jī)、LED顯示器等部件組成。熱力公司供應(yīng)的熱水以較高的溫度流入交換系統(tǒng)后以較低的溫度流出，在此過(guò)程中，通過(guò)熱量交換向用戶提供熱量。一對(duì)溫度傳感器分別安裝在通過(guò)載熱流體的上行管和下行管上, 給出表示溫差的模擬信號(hào)；流量傳感器安裝在流體入口或回流管上，發(fā)出與流量成正比的脈沖信號(hào)；單片機(jī)采集來(lái)自3路傳感器的信號(hào)，計(jì)算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。

圖1 熱量表測(cè)量系統(tǒng)框圖

傳熱量一般由載熱流體的質(zhì)量、比熱容和溫度變化等因素決定。對(duì)熱量表來(lái)說(shuō)，進(jìn)出口的焓值還與時(shí)間成比例。國(guó)內(nèi)熱量表一般采用焓差法計(jì)算熱量。具體計(jì)算方法如公式（1）所示，詳見(jiàn)CJ128—2007《熱量表》[3]。

式中，Q—熱交換系統(tǒng)釋放或吸收的熱量，J；

qm—流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量，kg/h；

Δh—熱交換系統(tǒng)中進(jìn)口和出口溫度下的比差，J/kg；t—時(shí)間；

ρ—流經(jīng)熱量表的水的密度，kg/m3；

qv—流經(jīng)熱量表的水的體積 ，m3/h。

2 流量傳感器

流量傳感器是熱量表最主要的部件，也是最敏感的組件，本論文采用超聲波流量計(jì)，超聲波流量計(jì)的主要特點(diǎn)是：流體中不插入任何元件，對(duì)流速無(wú)影響，也沒(méi)有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測(cè)量，也能測(cè)量氣體的流量；對(duì)于大口徑管道的流量測(cè)量，不會(huì)因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達(dá)5:1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點(diǎn)。本文流量測(cè)量采用超聲波頻率差法流量計(jì)[4]，如圖2所示。

圖中， F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個(gè)超聲脈沖，被F2接收，此信號(hào)經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動(dòng)電路，使F1發(fā)射第二個(gè)超聲脈沖，…，F(xiàn)1的脈沖重復(fù)頻率為f1。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，F(xiàn)1為接收器，F(xiàn)2的脈沖重復(fù)頻率為f2。f1與f2的頻率差Δf 與被測(cè)流速v成正比。

圖2 超聲波頻率差法流量計(jì)

式中，α—超聲流束與流體的夾角；D—流體的橫截面積；v—流體的流速

由公式（2）可得流體的流速計(jì)算公式為：

那么瞬時(shí)體積流量q為：

超聲波頻率差法，與聲速無(wú)關(guān)，并且克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。

圖3 溫度采集電路

3 溫度傳感器

熱量表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)溫度測(cè)量的要求很高，必須選用較為合適的溫度傳感器。熱量表的溫度傳感器選用精度、穩(wěn)定性、一致性更好的鉑電阻，主要有Pt100、 Pt500、Pt1000，國(guó)外戶用熱量表采用的大多是Pt100或Pt500型鉑電阻,而Pt1000鉑薄膜電阻更適應(yīng)中國(guó)的國(guó)情,在國(guó)產(chǎn)熱量表中得到廣泛應(yīng)用。 Pt1000具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻溫度系數(shù)分散性小、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好、使用方便、不需冷端補(bǔ)償、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。在應(yīng)用中嚴(yán)格進(jìn)行配對(duì)，以保證入水口和出水口測(cè)溫傳感器的一致性[5]。溫度采集電路圖如圖3所示。

圖3中 U7、C1、C2、Q1、R12、R13， 組成電源電路，Q1用于控制電源開(kāi)關(guān)，為了降低的功耗，在不需要轉(zhuǎn)換時(shí)，可以關(guān)閉采集電路的電源；U7是高精度電源芯片，選用超低功耗、高精度的基準(zhǔn)電源芯片 LT6656-3。R1、R2、RPT1、R3組成橋式測(cè)量電路，RPT1為溫度傳感器Pt1000，用于檢測(cè)水的溫度； R3是可變電阻，用于0℃時(shí)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后R3是固定電阻。R11、C3組成低通抗混疊濾波器，可以減少帶外噪聲；U1、U2、U3三個(gè)運(yùn)算放大器組成典型的三運(yùn)放儀表放大器，可以放大橋式電路的微弱輸出信號(hào)，選用CMOS運(yùn)算放大器SGM8521。熱量表中溫度測(cè)量單元的檢測(cè)溫度為0～100℃，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后對(duì)應(yīng)的輸出電壓0～2. 977 9 V。

由于 PT1000 的分度表過(guò)于龐大，進(jìn)行查表運(yùn)算時(shí)要占用系統(tǒng)較大的存儲(chǔ)空間，且每次查找時(shí)要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，系統(tǒng)利用最小二乘法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了如下公式（5）所示溫度——電壓的關(guān)系式。

式中，u為測(cè)量得到的電壓值，V；t 為電壓對(duì)應(yīng)的溫度值，℃。

這樣用一個(gè)簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式就可以利用采集到的電壓值直接計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值，避免了復(fù)雜的查表和插值計(jì)算，有利于系統(tǒng)的低功耗。

4 STC12C5410AD微控制器

傳統(tǒng)熱量表常采用MSP430系列單片機(jī)，其測(cè)量精度要求較高時(shí)，必須使用復(fù)雜的調(diào)理電路、高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)成本居高不下，難以普及使用。本論文采用STC系列新一代單片機(jī)STC12C5410AD，它是宏晶科技生產(chǎn)的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，是目前芯谷科技在宏晶系列單片機(jī)技術(shù)攻關(guān)研究中已經(jīng)取得全線突破的典型優(yōu)勢(shì)解密系列。STC12C5410AD的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍，帶自校準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，可每秒采樣8、16、32或128次，并且在單周期轉(zhuǎn)換方式中的一次轉(zhuǎn)換之后自動(dòng)掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。比較因此，可減少信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)和顯示環(huán)節(jié)的擴(kuò)展，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)功耗

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今世界能源危機(jī)日益加劇，世界各國(guó)都從各個(gè)方面不同程度地進(jìn)行節(jié)能減排。據(jù)統(tǒng)計(jì)，按熱計(jì)量進(jìn)行供暖收費(fèi)可以有效推動(dòng)節(jié)能行為，總體可節(jié)約20%以上，因此作為能量計(jì)量手段之一的熱量表，其計(jì)量原理和方法的科學(xué)性及其計(jì)量精度愈發(fā)重要。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種集成芯片產(chǎn)品越來(lái)越多，超聲波熱量表的性能越來(lái)越完善，而價(jià)格也隨之大幅下降，這些都將為各種超聲波熱量表的發(fā)展提供十分有力的硬件環(huán)境，使熱量的分戶計(jì)量能方便的推廣使用。

[1] 黃攀雄. 超聲波流量計(jì)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 上海: 自動(dòng)化儀表, 1998(3).

[2] 甄蘭蘭, 沈昱明.熱量表的熱量計(jì)量原理及計(jì)算[J]. 自動(dòng)化儀表, 2003, 24(10): 41-43.

[3] 城市建設(shè)研究院. CJ128—2007熱量表[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

[4] 梁森, 王侃夫. 自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[5] 包勝華, 孫光. 熱量表中的溫度傳感器[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2003(3): 53-54.