超声波热量表流量测量系统的研究

郭晨霞，王学斌，杨瑞峰，葛双超

（1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；2.山西省自动化检测装备与系统工程技术研究中心，山西 太原 030051）

0 引 言

目前，我国虽然已经大面积地使用集中供暖，但是收费标准不合理，按住户的面积或者人口数收取供暖费，有违交易的公平性，也不符合国家节能减排，实现可持续发展的措施。实行分户热量计量既符合国家节能减排的理论，同时也使得用户可以弹性控制热量的使用，促进市场公平，激发用户形成节能环保意识，提高能源的利用率[1]。

热量表是通过将输入和输出管道的温差和流量传输给计量装置来计算消耗热量的一种仪表，通过无线传输和表盘示数，可以清晰地读出消耗的热量。根据热量表结构和使用原理的不同，其主要分为机械式、电磁式和超声波式[2-3]。其中，超声波式热量表的精度高、能耗小、适用范围广、耐用性强，已经逐步替代前者，在我国广泛使用，并成为冬季住户使用的首选。目前国内外主要采用积分仪系统来计量流量，但由于其开关不断的切换，导致了测量的效率不高，精度偏低[4]。基于以上原因，本文设计基于体积流量的超声波测量系统，不仅测量效率高、精度高，而且成本低、体积小、功耗小[5]，对于我国冬季用户供暖的热量计量制度的推广和使用有着重大的意义。

1 超声波热量表测量的原理及计算方法

1.1 超声波热量表的测量原理

如图1所示，该仪表主要包含流量和温度传感器、积算仪等部分。在用户家中安装热量表时，需要把配对的温度传感器分别安装在热交换入口和出口管道上，当热水经过该系统时，流量传感器可以测得一对换能器内的超声波在顺流、逆流中的传播时间差，间接得到流速，借此求出流量，然后发出流量信号；配对的温度传感器分别检测出入口温度并把温度信号传送到积算器，积算器把所得到的温度、流量信号进行计算，得到所消耗的热量值，显示到仪表盘供用户读取[6-7]；同时，超声波热量表含有远程抄表和远程通电能力。

图1 超声波热量表原理图

1.2 热量计算方法

按照热量计算的发展现状可知，通用方法包括K系数法与焓差法。基于热力学理论可知，热交换系统释放（或吸收）的热量算式为：

式中：Q表示释放或吸收的热量（单位：J或W·s）；qm，qv，ρ分别是流经热表的水的质量流量、体积流量、密度，单位分别是kg/h，m3/h，kg/m3；Δh表示进出口焓值差（单位：J/kg）；τ表示时间（单位：s）。

1.3 流量测量

由现有的流量测量法可知，可以选择测量法有体积流量或质量流量测量法。本文设计使用体积流量进行测量，超声波换能器采用U型安装方式，如图2所示。

图2 U型安装方式

图2中，因为管道直径已知，对于流量而言，可等效为对介质流速的测量，这种情况下，依托超声波试差法就能实现流量测量[8-10]。首先，由测量芯片UTA6901发出1列脉冲，然后由换能器接收将其转变为超声波，在介质内进行传播，同时传输脉冲到UTA6901，通过UTA6901检测发送脉冲到接收脉冲的时间间隔，得出水流速度。超声波时差法测量原理图原理如图3所示。

图3 超声波时差法测量原理图

超声波顺流、逆流传播时间td，tu：

式中：c，v分别表示水中超声波以及水流速度；L表示传播距离。为避免c产生干扰，导致结果出现错误，以使所得结果更加准确，将式（2）中td与tu相减相乘，得到v：

式中Δt表示时间差。根据流体力可知，管道截面各处流速存在差异，通常情况下，中间大边缘小，故需加修正系数K，以得到修正后的流速v：

则由式（1）～式（4）可得到管道中的瞬时流量qv：

由于UTA6901检测的是换能器延迟时间以及换能器至反射板间、两发射板间的传播时间。针对换能器延迟及其至反射板时间，前者能够通过两换能器密切对接测出，后者能够按照介质内超声波速度求得。故而，必须在程序内把两者补偿掉，只有如此，才能进一步提高计算精度，避免出现严重误差。

1.4 温度测量

按照实际情况考虑，经综合对比分析，本次最终选择电容充放电法来处理，也就是根据各种阻值电阻向某个电容充放电，计算电压花费时间的，间接体现出阻值高低情况[11-13]。相关原理图如图4所示。

由图4可知，首先将Rsens接入MCU的P口与模拟比较器输入端（+）；Rref接入P口与相同的输入端（+），并且由比较器输入端相连一电容接地。这种情况下，可以利用P口两端口进行控制，由Rsens或Rref向电容充放电，那么输入端（+）电压随之发生改变。若Rsens先充放电，Rref后充放电，因为Rsens，Rref阻值存在差异，所以造成其充放电时间有所区别，对应曲线图如图5所示。同时将比较器输入端（-）接入MCU中的0.25Vcc。在Rsens，Rref充放电过程中，始终会与参考电压进行比较，导致比较器输出信号出现翻转，利用定时器捕获翻转时的对应值，再读取两定时器的差值，便能确定电阻放电时间。若确定了Rsens，Rref放电时间，则对应曲线接近直线，其电阻型传感器的值Rsens为：

图4 温度测量原理图

图5 电容充放电曲线

2 超声波热量表系统设计

2.1 系统硬件结构

超声波热表按功能划分可分为以下几个功能模块：单片机控制核心、超声波收发、温度测量、输入/输出、LCD显示、电源等。通过不同模块间有效连接与协作，共同实现预期目标，解决测量的实际需求[14]。系统硬件结构框图如图6所示。

图6 系统硬件结构框图

该系统利用MCU内部定时器管理所有模块工作时序。流量、温度测量时间间隔分别是5 s，15 s。对于流量测量，通过MCU控制UTA6901内部脉冲发生器提供激发脉冲，激励一个换能器（发射部分），则另一换能器为接收部分，此脉冲信号也提供启动信号，促使UTA6901中的计时模块开始计时。发射部分生成超声波，依靠管道内液体传播至对面，一段时间后，接收部分就能收到超声信号，生成一响应电信号，完成过零点检测，得到信号接收时间，并生成一稳定的STOP信号，使得计时模块停止工作。通过UTA6901寄存器内部读取此方向声程中超声波信号的传播时间，然后依靠MCU给超声波收发模块下达指令，促使两换能器调换功能。按照上述流程，即能明确另一个方向声程内的超声波信号传播时间，接着依靠MCU完成信息分析与处理，确定流量值，用于显示、保存与传输交互，形成一个完整的测量流量过程。对于温度检测来说，利用MCU控制UTA6901，打开温度检测功能，直接测量出电容放电时间，然后以MCU读出该值，并通过温度计进行计算，便可获得所需的温度值，即此为温度测量过程。超声波热量表的基表电路板如图7所示。

图7 超声波热量表基表电路板结构

2.2 系统软件设计

从功能角度来讲，系统软件设计主要包含主程序、中断服务子程序两方面。前者实现初始化动作后，将处于低功耗状态；另外一些任务包括时差/温度测量和按键显示等中断事件，把主控制器由休眠状态唤醒，再进行流量、热量运算与保存结果，一旦处理完毕，便重新回到低功耗状态。针对上述两方面，可划分出一系列模块，经归纳整理可知，具体包括系统初始化、实时时钟等，如图8所示。

由图8可知，该系统的主程序核心功能在于实现不同模块间的协调控制，同时面向MCU和外部器件实现初始化设置，读出存储工具原有信息呈现给用户，再结合初始值求出相关参数，最后重新回到低功耗模式，随时响应中断服务程序，其通过主控制器调用，上电便会立即运行，首要工作就是实现系统、参数、显示和按键的初始化，以调用所需功能；中断服务程序直接管理系统各工作时序，利用定时器功能划分仪表不同模块的任务，再向各个模块的软件标志位置，进而激活此模块。经综合考虑，系统选择单按键与LCD，前者可以满足各项功能操作需求（不包含复位），接着基于按键时长执行对应功能，而LCD用来显示热量、累计流量、载热液体入口温度和出口温度。

3 实验与结果分析

超声波热量表测量装置如图9所示。

图9 超声波热量表测量装置

利用本文系统完成温度及流量的测量实验，再进行归纳整理和结果分析，详情如表1所示。

表1 温度测试结果 ℃

利用热量表检定装置可以完成流量测试，二级表流量传感器测试准确度为WR，具体计算如下：

式中：qp为常用流量；q为使用范围内的流量。在此选用公称直径DN20的测试管道，参考国家标准CJ128—2007、JJG225—2001，对其在45℃下进行检测，详情如表2所示。

表2 流量测试结果

通过上述实验结果分析表明，该超声波热量表测量精度高，测量误差小，能够满足国家二级表测量标准。根据本文系统功耗完成实验测量与计算，所得结果不难发现，热表休眠状态下，电流不超过5μA，工作状态下，平均电流/消耗功率分别不超过7μA，0.1 mW。综上所述，热量表测量系统不仅精度高，成本低，而且在功耗方面也有很大提升，展现出良好实用性，可以满足用户实际需求，因此，值得深入研究与重视。

4 结 语

通过与传统热量表测量方案的比较，以及对实验结果的分析，充分说明本文等优点超声波热量表精度高、功耗低、测量成本低及可靠性高等优点，并解决了传统热量表使用周期短、成本高、功耗大、精度低等问题。说明了该系统的设计合理可行，具有很高的应用价值，适合广泛的推广和应用。