帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄈ細(xì)獗淼脑O(shè)計(jì)

石理碧　王瑛輝　滿(mǎn)李寧

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州 310019)

0　引言

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣使用的推廣，據(jù)住建部發(fā)布的預(yù)測(cè)報(bào)告，預(yù)計(jì)至2016年全國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)馄占奥蕦⑦_(dá)到94％，用氣家庭超過(guò)2億戶(hù)。目前，我國(guó)民用燃?xì)庥?jì)量普遍采用膜式燃?xì)獗響?hù)內(nèi)掛表的管理模式，但是在入戶(hù)抄表、安全檢查等方面，其弊端不可避免的暴露出來(lái)。于是，出現(xiàn)了戶(hù)外集中掛表的管理模式，也基本可以避免戶(hù)內(nèi)掛表的缺點(diǎn)。但是膜式燃?xì)獗淼臍んw通常為鐵質(zhì)或鋁制品，導(dǎo)熱性較強(qiáng)，外界的氣溫變化對(duì)其計(jì)量的準(zhǔn)確性會(huì)有較大的影響。

為了解決戶(hù)外掛表受環(huán)境溫度影響的問(wèn)題，市面上曾經(jīng)出現(xiàn)了帶有溫度補(bǔ)償?shù)哪な饺細(xì)獗?，但是由于膜式燃?xì)獗淼挠?jì)量原理以機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，因此使用電子化的傳感器技術(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)難度大，需要先將機(jī)械信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。除了本身膜式燃?xì)獗淼幕境杀就?，需要增加電子電路的成本，使得整個(gè)產(chǎn)品成本極高。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款帶有溫度補(bǔ)償?shù)拿裼贸暡ㄈ細(xì)獗?。超聲波燃?xì)庥?jì)量技術(shù)是一種高精度、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定計(jì)量的可靠計(jì)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，主要應(yīng)用于大中流量的工業(yè)燃?xì)庥?jì)量中，在民用燃?xì)庥?jì)量領(lǐng)域還沒(méi)有廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，將超聲波計(jì)量技術(shù)引入到民用燃?xì)庥?jì)量領(lǐng)域中，全電子式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)必然使超聲波燃?xì)獗頁(yè)碛锌捎^(guān)的應(yīng)用前景。

1　超聲波計(jì)量技術(shù)工作原理

超聲波計(jì)量是借助超聲波在氣體介質(zhì)中傳播的時(shí)差來(lái)進(jìn)行計(jì)量的。如圖1所示，一對(duì)存在傾斜角度的傳感器，相互發(fā)送超聲波信號(hào)，當(dāng)沒(méi)有氣介質(zhì)體流動(dòng)時(shí)，從上方振子發(fā)出的超聲波到達(dá)下端所花的時(shí)間與從下端發(fā)送到上端的時(shí)間一樣。但當(dāng)氣體從左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下分別發(fā)出的超聲波受到氣體介質(zhì)流動(dòng)的影響，上端向下端快于下端向上端發(fā)送的速度，形成逆流時(shí)間t2和順流時(shí)間t1的時(shí)間差。

圖1　超聲波計(jì)量技術(shù)工作原理圖

(1)

(2)

式中：L為聲程；c為聲波在靜止氣體中的聲速；v為氣體沿管道軸向的流速。

流速的快慢與時(shí)間差是一個(gè)函數(shù)關(guān)系，由式(1)和式(2)可以得出氣體的流速：

從而可以計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)固定截面通道的氣體體積。

2　超聲波燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)

2.1　超聲波燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)超聲波計(jì)量技術(shù)工作原理的分析，設(shè)計(jì)一款帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄈ細(xì)獗?。表體內(nèi)包括超聲波檢測(cè)模塊、溫度補(bǔ)償模塊、控制模塊、顯示模塊以及電池，如圖2所示。

圖2　超聲波燃?xì)獗斫Y(jié)構(gòu)圖

2.2　超聲波燃?xì)獗淼臏囟妊a(bǔ)償規(guī)則

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，一定質(zhì)量氣體的體積與壓力的乘積和它的熱力學(xué)溫度成正比。即：p1V1/T1=p2V2/T2，當(dāng)壓力不變時(shí)，則V1/T1=V2/T2，一定質(zhì)量的氣體的體積隨溫度升高而體積變大，隨溫度降低而體積變小。

管內(nèi)氣體溫度對(duì)計(jì)量誤差的影響( 設(shè)被檢表在標(biāo)準(zhǔn)檢定溫度20℃下誤差為0)，如表1所示。由于膜式燃?xì)獗頉](méi)有溫度補(bǔ)償，所以燃?xì)馔ㄟ^(guò)膜式燃?xì)獗頃r(shí)，環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，計(jì)量值偏小，就會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。

表1　溫度對(duì)計(jì)量誤差的影響

2.3　溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)

控制模塊選用宏晶科技生產(chǎn)的STC89C52RC型單片機(jī)，該單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置8K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和512字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，STC89C52RC具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后期維護(hù)和再開(kāi)發(fā)。

溫度補(bǔ)償采用傳感器實(shí)時(shí)補(bǔ)償方式，選用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。其具有3引腳TO-92小體積封裝形式，檢測(cè)溫度范圍為﹣50～125℃；最高12位分辨力，準(zhǔn)確度可達(dá)0.5℃；最大工作周期為750ms；供電電壓范圍為3～5.5V；可設(shè)置超限溫度報(bào)警，并有搜索命令識(shí)別報(bào)警條件；單總線(xiàn)接口，僅需一條輸入輸出線(xiàn)(DQ)就能與單片機(jī)(P1.3)進(jìn)行通信。溫度補(bǔ)償模塊電路圖如圖3所示。

圖3　溫度補(bǔ)償模塊電路圖

3　實(shí)測(cè)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

超聲波燃?xì)獗碇谱魍戤吅?，我們?cè)谏蜿?yáng)某小區(qū)一戶(hù)居民家進(jìn)行了為期一年的普通膜式燃?xì)獗砼c超聲波燃?xì)獗碛?jì)量比較試驗(yàn)。儀表安裝采取鋁塑復(fù)合管串聯(lián)連接，用戶(hù)的儀表位置不變，在試驗(yàn)期間不影響用戶(hù)的正常使用和抄表收費(fèi)工作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出．溫度補(bǔ)償型超聲波燃?xì)獗砼c普通膜式燃?xì)獗淼挠?jì)量值相比較，超聲波燃?xì)獗淼挠?jì)量值更加準(zhǔn)確可靠，具有良好的溫度補(bǔ)償功能。

表2

試驗(yàn)月份平均溫度(℃)用氣量標(biāo)準(zhǔn)值(m3)膜式燃?xì)獗碛?jì)量值(m3)超聲波燃?xì)獗碛?jì)量值(m3)1-1450　09345　08549　8652-8　852　38547　79352　13430　150　14646　60649　91349　348　26646　24848　032516　950　89550　46150　533621　948　63249　31848　857724　646　56947　73846　787823　644　02345　55344　254917　249　01848　53248　786109　447　88746　26447　65411-450　01545　90749　73612-12　951　28745　27651　048

通過(guò)近一年的試驗(yàn)，儀表穩(wěn)定可靠，沒(méi)有出現(xiàn)故障，說(shuō)明儀表的穩(wěn)定性和可靠性基本滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

4　結(jié)論

帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄈ細(xì)獗淼某晒ρ邪l(fā)，為戶(hù)外集中掛表管理模式提供了一種新的產(chǎn)品支持。該燃?xì)獗硇阅芊€(wěn)定，量值可靠，也為燃?xì)獗硐蛑悄芑较虬l(fā)展提供了有利條件，具有實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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