超聲波熱量表流量測量系統(tǒng)的研究

郭晨霞，王學(xué)斌，楊瑞峰，葛雙超

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西省自動化檢測裝備與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051）

0 引 言

目前，我國雖然已經(jīng)大面積地使用集中供暖，但是收費標(biāo)準(zhǔn)不合理，按住戶的面積或者人口數(shù)收取供暖費，有違交易的公平性，也不符合國家節(jié)能減排，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的措施。實行分戶熱量計量既符合國家節(jié)能減排的理論，同時也使得用戶可以彈性控制熱量的使用，促進市場公平，激發(fā)用戶形成節(jié)能環(huán)保意識，提高能源的利用率[1]。

熱量表是通過將輸入和輸出管道的溫差和流量傳輸給計量裝置來計算消耗熱量的一種儀表，通過無線傳輸和表盤示數(shù)，可以清晰地讀出消耗的熱量。根據(jù)熱量表結(jié)構(gòu)和使用原理的不同，其主要分為機械式、電磁式和超聲波式[2-3]。其中，超聲波式熱量表的精度高、能耗小、適用范圍廣、耐用性強，已經(jīng)逐步替代前者，在我國廣泛使用，并成為冬季住戶使用的首選。目前國內(nèi)外主要采用積分儀系統(tǒng)來計量流量，但由于其開關(guān)不斷的切換，導(dǎo)致了測量的效率不高，精度偏低[4]。基于以上原因，本文設(shè)計基于體積流量的超聲波測量系統(tǒng)，不僅測量效率高、精度高，而且成本低、體積小、功耗小[5]，對于我國冬季用戶供暖的熱量計量制度的推廣和使用有著重大的意義。

1 超聲波熱量表測量的原理及計算方法

1.1 超聲波熱量表的測量原理

如圖1所示，該儀表主要包含流量和溫度傳感器、積算儀等部分。在用戶家中安裝熱量表時，需要把配對的溫度傳感器分別安裝在熱交換入口和出口管道上，當(dāng)熱水經(jīng)過該系統(tǒng)時，流量傳感器可以測得一對換能器內(nèi)的超聲波在順流、逆流中的傳播時間差，間接得到流速，借此求出流量，然后發(fā)出流量信號；配對的溫度傳感器分別檢測出入口溫度并把溫度信號傳送到積算器，積算器把所得到的溫度、流量信號進行計算，得到所消耗的熱量值，顯示到儀表盤供用戶讀取[6-7]；同時，超聲波熱量表含有遠(yuǎn)程抄表和遠(yuǎn)程通電能力。

圖1 超聲波熱量表原理圖

1.2 熱量計算方法

按照熱量計算的發(fā)展現(xiàn)狀可知，通用方法包括K系數(shù)法與焓差法?；跓崃W(xué)理論可知，熱交換系統(tǒng)釋放（或吸收）的熱量算式為：

式中：Q表示釋放或吸收的熱量（單位：J或W·s）；qm，qv，ρ分別是流經(jīng)熱表的水的質(zhì)量流量、體積流量、密度，單位分別是kg/h，m3/h，kg/m3；Δh表示進出口焓值差（單位：J/kg）；τ表示時間（單位：s）。

1.3 流量測量

由現(xiàn)有的流量測量法可知，可以選擇測量法有體積流量或質(zhì)量流量測量法。本文設(shè)計使用體積流量進行測量，超聲波換能器采用U型安裝方式，如圖2所示。

圖2 U型安裝方式

圖2中，因為管道直徑已知，對于流量而言，可等效為對介質(zhì)流速的測量，這種情況下，依托超聲波試差法就能實現(xiàn)流量測量[8-10]。首先，由測量芯片UTA6901發(fā)出1列脈沖，然后由換能器接收將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?，在介質(zhì)內(nèi)進行傳播，同時傳輸脈沖到UTA6901，通過UTA6901檢測發(fā)送脈沖到接收脈沖的時間間隔，得出水流速度。超聲波時差法測量原理圖原理如圖3所示。

圖3 超聲波時差法測量原理圖

超聲波順流、逆流傳播時間td，tu：

式中：c，v分別表示水中超聲波以及水流速度；L表示傳播距離。為避免c產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)錯誤，以使所得結(jié)果更加準(zhǔn)確，將式（2）中td與tu相減相乘，得到v：

式中Δt表示時間差。根據(jù)流體力可知，管道截面各處流速存在差異，通常情況下，中間大邊緣小，故需加修正系數(shù)K，以得到修正后的流速v：

則由式（1）～式（4）可得到管道中的瞬時流量qv：

由于UTA6901檢測的是換能器延遲時間以及換能器至反射板間、兩發(fā)射板間的傳播時間。針對換能器延遲及其至反射板時間，前者能夠通過兩換能器密切對接測出，后者能夠按照介質(zhì)內(nèi)超聲波速度求得。故而，必須在程序內(nèi)把兩者補償?shù)?，只有如此，才能進一步提高計算精度，避免出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。

1.4 溫度測量

按照實際情況考慮，經(jīng)綜合對比分析，本次最終選擇電容充放電法來處理，也就是根據(jù)各種阻值電阻向某個電容充放電，計算電壓花費時間的，間接體現(xiàn)出阻值高低情況[11-13]。相關(guān)原理圖如圖4所示。

由圖4可知，首先將Rsens接入MCU的P口與模擬比較器輸入端（+）；Rref接入P口與相同的輸入端（+），并且由比較器輸入端相連一電容接地。這種情況下，可以利用P口兩端口進行控制，由Rsens或Rref向電容充放電，那么輸入端（+）電壓隨之發(fā)生改變。若Rsens先充放電，Rref后充放電，因為Rsens，Rref阻值存在差異，所以造成其充放電時間有所區(qū)別，對應(yīng)曲線圖如圖5所示。同時將比較器輸入端（-）接入MCU中的0.25Vcc。在Rsens，Rref充放電過程中，始終會與參考電壓進行比較，導(dǎo)致比較器輸出信號出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，利用定時器捕獲翻轉(zhuǎn)時的對應(yīng)值，再讀取兩定時器的差值，便能確定電阻放電時間。若確定了Rsens，Rref放電時間，則對應(yīng)曲線接近直線，其電阻型傳感器的值Rsens為：

圖4 溫度測量原理圖

圖5 電容充放電曲線

2 超聲波熱量表系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

超聲波熱表按功能劃分可分為以下幾個功能模塊：單片機控制核心、超聲波收發(fā)、溫度測量、輸入/輸出、LCD顯示、電源等。通過不同模塊間有效連接與協(xié)作，共同實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，解決測量的實際需求[14]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)利用MCU內(nèi)部定時器管理所有模塊工作時序。流量、溫度測量時間間隔分別是5 s，15 s。對于流量測量，通過MCU控制UTA6901內(nèi)部脈沖發(fā)生器提供激發(fā)脈沖，激勵一個換能器（發(fā)射部分），則另一換能器為接收部分，此脈沖信號也提供啟動信號，促使UTA6901中的計時模塊開始計時。發(fā)射部分生成超聲波，依靠管道內(nèi)液體傳播至對面，一段時間后，接收部分就能收到超聲信號，生成一響應(yīng)電信號，完成過零點檢測，得到信號接收時間，并生成一穩(wěn)定的STOP信號，使得計時模塊停止工作。通過UTA6901寄存器內(nèi)部讀取此方向聲程中超聲波信號的傳播時間，然后依靠MCU給超聲波收發(fā)模塊下達指令，促使兩換能器調(diào)換功能。按照上述流程，即能明確另一個方向聲程內(nèi)的超聲波信號傳播時間，接著依靠MCU完成信息分析與處理，確定流量值，用于顯示、保存與傳輸交互，形成一個完整的測量流量過程。對于溫度檢測來說，利用MCU控制UTA6901，打開溫度檢測功能，直接測量出電容放電時間，然后以MCU讀出該值，并通過溫度計進行計算，便可獲得所需的溫度值，即此為溫度測量過程。超聲波熱量表的基表電路板如圖7所示。

圖7 超聲波熱量表基表電路板結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

從功能角度來講，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含主程序、中斷服務(wù)子程序兩方面。前者實現(xiàn)初始化動作后，將處于低功耗狀態(tài)；另外一些任務(wù)包括時差/溫度測量和按鍵顯示等中斷事件，把主控制器由休眠狀態(tài)喚醒，再進行流量、熱量運算與保存結(jié)果，一旦處理完畢，便重新回到低功耗狀態(tài)。針對上述兩方面，可劃分出一系列模塊，經(jīng)歸納整理可知，具體包括系統(tǒng)初始化、實時時鐘等，如圖8所示。

由圖8可知，該系統(tǒng)的主程序核心功能在于實現(xiàn)不同模塊間的協(xié)調(diào)控制，同時面向MCU和外部器件實現(xiàn)初始化設(shè)置，讀出存儲工具原有信息呈現(xiàn)給用戶，再結(jié)合初始值求出相關(guān)參數(shù)，最后重新回到低功耗模式，隨時響應(yīng)中斷服務(wù)程序，其通過主控制器調(diào)用，上電便會立即運行，首要工作就是實現(xiàn)系統(tǒng)、參數(shù)、顯示和按鍵的初始化，以調(diào)用所需功能；中斷服務(wù)程序直接管理系統(tǒng)各工作時序，利用定時器功能劃分儀表不同模塊的任務(wù)，再向各個模塊的軟件標(biāo)志位置，進而激活此模塊。經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)選擇單按鍵與LCD，前者可以滿足各項功能操作需求（不包含復(fù)位），接著基于按鍵時長執(zhí)行對應(yīng)功能，而LCD用來顯示熱量、累計流量、載熱液體入口溫度和出口溫度。

3 實驗與結(jié)果分析

超聲波熱量表測量裝置如圖9所示。

圖9 超聲波熱量表測量裝置

利用本文系統(tǒng)完成溫度及流量的測量實驗，再進行歸納整理和結(jié)果分析，詳情如表1所示。

表1 溫度測試結(jié)果 ℃

利用熱量表檢定裝置可以完成流量測試，二級表流量傳感器測試準(zhǔn)確度為WR，具體計算如下：

式中：qp為常用流量；q為使用范圍內(nèi)的流量。在此選用公稱直徑DN20的測試管道，參考國家標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007、JJG225—2001，對其在45℃下進行檢測，詳情如表2所示。

表2 流量測試結(jié)果

通過上述實驗結(jié)果分析表明，該超聲波熱量表測量精度高，測量誤差小，能夠滿足國家二級表測量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本文系統(tǒng)功耗完成實驗測量與計算，所得結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，熱表休眠狀態(tài)下，電流不超過5μA，工作狀態(tài)下，平均電流/消耗功率分別不超過7μA，0.1 mW。綜上所述，熱量表測量系統(tǒng)不僅精度高，成本低，而且在功耗方面也有很大提升，展現(xiàn)出良好實用性，可以滿足用戶實際需求，因此，值得深入研究與重視。

4 結(jié) 語

通過與傳統(tǒng)熱量表測量方案的比較，以及對實驗結(jié)果的分析，充分說明本文等優(yōu)點超聲波熱量表精度高、功耗低、測量成本低及可靠性高等優(yōu)點，并解決了傳統(tǒng)熱量表使用周期短、成本高、功耗大、精度低等問題。說明了該系統(tǒng)的設(shè)計合理可行，具有很高的應(yīng)用價值，適合廣泛的推廣和應(yīng)用。