超聲波熱量表檢測方法研究

朱民

【摘 ?要】隨著我國人民日益增長的物質(zhì)水平以及持續(xù)增長的能源需求，目前能源危機是我們所要解決的重要問題，長期以來，我國對于熱水和暖氣的提供均按照熱面積進行計算，造成了嚴(yán)重的熱量損失，近年來，超聲波熱量檢測技術(shù)逐漸成熟，因其不僅精密度高而且安裝方便得以廣泛應(yīng)用，本文基于熱量表工作的基本理論以及超聲波熱量表的檢測原理，對超聲波熱量檢測表檢測方法進行探討研究。

【關(guān)鍵詞】超聲波;熱量;檢測原理;應(yīng)用

想要解決我國目前所面臨的能源危機，一方面從尋找新的替代能源入手，其次就是節(jié)約能源【1】，我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛應(yīng)用的熱水屬于二次能源，使用量極大，在檢測使用量時，均按照熱面積結(jié)算，導(dǎo)致了能源的大量消耗，想要改變能源浪費現(xiàn)狀，必須從結(jié)算方式上進行優(yōu)化，作為我國測量和計算熱交換系統(tǒng)所釋放的熱量值的關(guān)鍵儀表【2】，我國已經(jīng)實施按熱量結(jié)算的超聲波熱量檢測儀表，它通過超聲波探頭檢測水流中超聲波的傳播速度作為計量原理，對于水的流量采用時差法進行計量，超聲波熱量檢測儀表的殼體內(nèi)沒有可以移動的部件，這個時它作為熱量表的結(jié)構(gòu)特點。目前將超聲波熱量檢測儀表廣泛應(yīng)用的原因有：精密度高、壓損小及使用口徑的范圍大，以先進的技術(shù)用于分戶的供熱計量上，超聲波熱量檢測儀表作為貿(mào)易結(jié)算類的計量儀表，不僅屬于國家規(guī)定的強制性檢測工具，也屬于穩(wěn)定性極高的主流檢測工具，因此對于超聲波熱量表檢測方法研究是十分有意義的。

1 超聲波熱量表的工作原理

1.1概述

超聲波式的熱量表是利用超聲波式的流量傳感器進行檢測的熱量表，超聲波在水中有一定的傳播速度，將超聲波在流體中順流的傳播速度和逆流的傳播速度的差值進行計算，算出流速從而得到水流的流量。超聲波熱量表分為直射式和反射式，直射式也被稱之為對射式，其原理就是將超聲波換能器檢測信號直接發(fā)射，然后將接收到的信號作為檢測流量，反射式也被稱之為對流式，超聲波換能器中的有個反射平面，將通過反射平面的發(fā)射時速作為檢測流量。

1.2超聲波熱量檢測表原理

熱量表由積分儀（計算器）、流量計、一對溫度傳感器三部分組成，利用供水和回來的溫度和水流量。一次檢測量是供/回水溫度和流量，然后用積分儀計算出熱量，基本原理就是Q=Cm△t。而超聲波熱量檢測表是將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口或回流管上（流量計安裝的位置不同，最終的測量結(jié)果也不同），流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫度高低的模擬信號，而積算儀采集來自流量和溫度傳感器的信號，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。在流動的液體中超聲波的傳播速度和在靜置的液體中傳播速度是不一樣的（管道和管壁一致），傳播速度的變化值和液體流速相關(guān)。當(dāng)我們將液體中超聲波的傳播速度測量出，就可以得到水的流速，將水的流速乘以管道的橫截面積就可計量出檢測流量。當(dāng)超聲波熱量表檢測計量時有許多方法，比如相差法、速差法、多譜勒法等等，但目前更多采用時差法進行流量的測量。時差法的檢測基本原理就是超聲波在非靜止的液體中，超聲波在順?biāo)鞣较騻鞑サ膫鞑ニ俣葧兇?，而在逆水流方向傳播的傳播速度會變小，在相同的傳播距離會產(chǎn)生不同的時間，使用兩者之間的差值同已被測出的液體流速之間的關(guān)系，可將流速求出，從而換算為檢測流量。假設(shè)超聲波信號從A順流傳到B所需時間為t1，從B到A所需時間為t2，則采用公式：

1.3 介質(zhì)溫度對熱量計量的影響及溫度補償

在超聲波傳播速度檢測中，除了水流速度會影響超聲波速度的變化，其液體溫度也會對超聲波傳播速度產(chǎn)生影響，在檢測過程中，水溫會使熱量表發(fā)生熱漲冷縮現(xiàn)象，從而影響了管道的橫截面姐以及超聲波的傳播路程，并且在相同體積流量下的水會擁有不同的熱能，為了防止這一誤差現(xiàn)象，采用溫度補償，在超聲波熱量檢測表中均設(shè)計了溫度補償，據(jù)實驗研究證實，每5攝氏度會產(chǎn)生計量偏差約在1%左右，因此在儀器每5攝氏度設(shè)置溫度補償點，在液體中，超聲波的聲訴會在74攝氏度左右出現(xiàn)拐點，因此在70℃-80℃之間改為每2攝氏度設(shè)置溫度補償點，在水溫3℃-96℃之間設(shè)置溫度補償后，可以保證在不同水溫中，檢測到的超聲波傳播速度較為穩(wěn)定，同時也確保了超聲波熱量表檢測計量準(zhǔn)確。

2 超聲波熱量表檢測方法

2.1 概述

熱量表屬強制檢定計量器具，必須實施失準(zhǔn)報廢、到期輪換或周期檢定，且檢定周期不得超過3年的要求實施，超聲波熱量表固定時間段需要檢定，檢定的項目包括儀表的外觀檢查、密封性檢查、顯示數(shù)值誤差實驗、儀器運行檢查、重復(fù)性。其中顯示數(shù)值誤差實驗也就是示值誤差實驗，它主要是對超聲波熱量表的性能進行檢測，可作為熱能表優(yōu)劣的檢測指標(biāo)，示值誤差可以利用總量檢定法或者分量組合檢定法，每到一個檢定點的檢測次數(shù)一般進行一次，若是第一次進行示值誤差實驗時所檢測到的誤差超過了最大允許誤差范圍，則應(yīng)該進行重復(fù)的兩次測試，按規(guī)定，合格的超聲波熱量表兩次測量值不能超過最大誤差值，且三次測出的誤差值的算術(shù)平均值不應(yīng)該超過最大允許誤差，反之則為不合格。

熱量表的檢定結(jié)果依據(jù)市質(zhì)檢中心出具的檢定報告為準(zhǔn)。檢定合格的熱量表可以回裝繼續(xù)使用，并須將合格報告送至市熱力公司客服中心進行登記備案，以保障用戶的正常計量計費。檢定不合格的熱量表需要維修或更換新表。如出現(xiàn)檢定不合格和故障熱量表可聯(lián)系熱量表售后維保單位進行維修或更換，按照相關(guān)規(guī)定，維修或更換后的熱量表需要提供市質(zhì)檢中心的檢定合格報告后方可安裝使用。由于超聲波熱量表由企業(yè)生產(chǎn)出產(chǎn)后進行出廠需要進行檢測，一般采用分量組合檢定法，該方法由于效率高適合大批量檢測，而法定的計量檢測機構(gòu)采用總量檢定法。

2.2 超聲波熱量表檢定中示值誤差實驗相關(guān)問題

根據(jù)JJG225—2001《熱量表》規(guī)定。超聲波熱量表應(yīng)該按照3種情況進行鑒定，詳情分析參見表1。根據(jù)時差法測量流量的原理，以AT89C51單片機和ispLSI 1032可編程邏輯芯片為核心，設(shè)計了包括超聲波發(fā)射接收電路，放大檢測電路，鎖相環(huán)電路，時鐘發(fā)生電路在內(nèi)的超聲波流量測量系統(tǒng)，并進行了制板以及調(diào)試。對于總量檢定法的相關(guān)問題，超聲波熱量表的檢定裝置包括流量檢定系統(tǒng)、計算器檢定系統(tǒng)及溫度傳感器檢定系統(tǒng)等構(gòu)成?？偭繖z定法也稱為整體檢測方法，應(yīng)用于整體式超聲波熱量表，對其進行檢定，詳細(xì)做法是將標(biāo)準(zhǔn)的檢定裝置分別設(shè)定一個流量和溫差，熱量的標(biāo)準(zhǔn)值由標(biāo)準(zhǔn)裝置直接給出，把被檢超聲波熱量表的熱量示值與標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，即可得到被檢超聲波熱量表的誤差。只有這種檢定方法對于熱量表才是真實意義上的檢測。通過插入恒溫槽中的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻提供的溫差值和標(biāo)準(zhǔn)電磁流量計或電子秤提供體積值由計算機根據(jù)相關(guān)的熱力學(xué)測得標(biāo)準(zhǔn)熱量值，其公式為： ，由此公式得出標(biāo)準(zhǔn)熱量值，通過比較標(biāo)準(zhǔn)熱量值和超聲波熱量表檢測出的熱量值做比較，可以計算出被檢定的超聲波熱量表誤差。根據(jù)超聲波熱量表在檢定時，兩個溫度傳感器已經(jīng)分別插進了恒溫槽中，并且恒溫槽中已經(jīng)設(shè)定了規(guī)定溫度，且設(shè)置的規(guī)定溫度應(yīng)該在50℃上下5攝氏度范圍內(nèi)波動，超聲波熱量表在進行溫度補償時，是根據(jù)恒溫槽中溫度傳感器的信息采集，從而進行數(shù)據(jù)計算，因此恒溫槽相比于實際的介質(zhì)溫度變化偏差，會對檢測結(jié)果造成較大的影響。

2.3 超聲波熱量表放大和檢測電路的調(diào)試

在超聲波熱量表中，放大電路分為三級，在三級中，前級和末級中的放大電路較為簡單，將這兩者基于原理實現(xiàn)比較容易，在中間級的放大電路，是由UA733和一片TL441組成。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)驗證所得，應(yīng)用特殊的連接方法基本上可以解決在中間級別的放大倍數(shù)不夠的問題，中間放大電路可以允許的輸入信號的最大變化在上下3V左右，它的動態(tài)放大幅度已經(jīng)可以滿足超聲波輸入信號時的變化幅度。當(dāng)超聲波輸入的信號峰值達(dá)到了9mv時，中間級輸出為79my左右，末級輸出達(dá)到1100mv。而且當(dāng)輸入信號增大時，其余兩個的放大級別也會相應(yīng)變大。但是當(dāng)輸入信號持續(xù)增大時，在末尾的放大級別最大也只能到1500mv，總而言之，超聲波在經(jīng)過了三級放大電路后，其信號值可以達(dá)到2v左右，達(dá)到峰值以后可以繼續(xù)檢測，繼續(xù)鑒別電路需求。

3 討論

法定的計量檢測機構(gòu)采用總量檢定法，解決超聲波熱量表中總量檢定結(jié)果誤差最好的辦法，就是保證恒溫槽的溫度和液體的溫度一樣，但是只針對進口的安裝式熱量表，出口的熱量表需要低溫槽，這是最直接的方式，但是要使溫度保持一致是十分困難的，因為難以把控，加之需要的能量較大，不適合加戶日常的檢修過程，合情的進行補充數(shù)據(jù)有助于提高計量準(zhǔn)確度，并對超聲波熱量表檢定中示值誤差實驗相關(guān)問題進行了相關(guān)解釋。

4 結(jié)束語

綜上所述，我們從結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，基于超聲波熱量表工作的基本理論以及超聲波熱量表的檢測原理，同時我們在借鑒和吸收國內(nèi)外先進的超聲波熱量表技術(shù)的基礎(chǔ)上，對超聲波熱量檢測表檢測方法進行探討研究，希望對此行業(yè)有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅琴，李鳴，徐愛華.基于MSP430的熱量表的溫度測量EJ].計量與測試技術(shù)，2008.

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