超聲波熱量表的計量原理及設計

路銀川，甄敬然

LU Yin-chuan, ZHEN Jing-ran

（中州大學 工程技術學院，鄭州 450044）

0 引言

節能減排肯定是我們國家近些年發展的一個最大的戰略。我國現在熱能的消耗占北方冬季能源消耗的50%，可以看出無論是國家的能源政策，還是迫在眉捷的實際需求，我們都必須節能。而我國現行的供熱收費制度是按面積收費，這種供熱體制由于居民用戶沒有供熱調節手段，用多用少一個樣，所以節約用熱積極性不高，其次，熱力公司由于收費困難，技術創新和設備改造積極性也遭受挫折。因此我國供熱水平一直處于較低水平，導致了我國熱力資源的極大浪費。在這種背景下，國家相繼提出了許多節能降耗計劃，國家建設部已將熱量計量收費列入《建筑節能“九五”計劃和2010年規劃》，提出居民供熱體制改革，要依照多用多付，少用少付的原則，進行熱計量收費。目前在中國市場的國外熱量表技術成熟,標準化程度高,但是價格昂貴.我國對熱量表的需求量大,因此,研制開發低成本、符合國際標準的熱量表是大勢所趨[1,2]。

1 熱量計量原理

熱量表測量系統框圖如圖1所示，系統由流量傳感器、進口溫度傳感器、出口溫度傳感器及STC12C5410AD單片機、LED顯示器等部件組成。熱力公司供應的熱水以較高的溫度流入交換系統后以較低的溫度流出，在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。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, 給出表示溫差的模擬信號；流量傳感器安裝在流體入口或回流管上，發出與流量成正比的脈沖信號；單片機采集來自3路傳感器的信號，計算出熱交換系統獲得的熱量。

圖1 熱量表測量系統框圖

傳熱量一般由載熱流體的質量、比熱容和溫度變化等因素決定。對熱量表來說，進出口的焓值還與時間成比例。國內熱量表一般采用焓差法計算熱量。具體計算方法如公式（1）所示，詳見CJ128—2007《熱量表》[3]。

式中，Q—熱交換系統釋放或吸收的熱量，J；

qm—流經熱量表的水的質量，kg/h；

Δh—熱交換系統中進口和出口溫度下的比差，J/kg；t—時間；

ρ—流經熱量表的水的密度，kg/m3；

qv—流經熱量表的水的體積 ，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，超聲波流量計的主要特點是：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強腐蝕，非導電性等性能的液體的流量測量，也能測量氣體的流量；對于大口徑管道的流量測量，不會因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達5:1；輸出與流量之間呈線性等優點。本文流量測量采用超聲波頻率差法流量計[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，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發射器與接收器用。首先由F1發射出第一個超聲脈沖，被F2接收，此信號經放大后再次觸發F1的驅動電路，使F1發射第二個超聲脈沖，…，F1的脈沖重復頻率為f1。緊接著，由F2發射超聲脈沖，F1為接收器，F2的脈沖重復頻率為f2。f1與f2的頻率差Δf 與被測流速v成正比。

圖2 超聲波頻率差法流量計

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）可得流體的流速計算公式為：

那么瞬時體積流量q為：

超聲波頻率差法，與聲速無關，并且克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。

圖3 溫度采集電路

3 溫度傳感器

熱量表的國家標準中對溫度測量的要求很高，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、穩定性、一致性更好的鉑電阻，主要有Pt100、 Pt500、Pt1000，國外戶用熱量表采用的大多是Pt100或Pt500型鉑電阻,而Pt1000鉑薄膜電阻更適應中國的國情,在國產熱量表中得到廣泛應用。 Pt1000具有結構簡單、體積小、物理化學性能穩定、電阻溫度系數分散性小、測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩定性好、使用方便、不需冷端補償、應用廣泛等特點。在應用中嚴格進行配對，以保證入水口和出水口測溫傳感器的一致性[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用于控制電源開關，為了降低的功耗，在不需要轉換時，可以關閉采集電路的電源；U7是高精度電源芯片，選用超低功耗、高精度的基準電源芯片 LT6656-3。R1、R2、RPT1、R3組成橋式測量電路，RPT1為溫度傳感器Pt1000，用于檢測水的溫度； R3是可變電阻，用于0℃時的校準，校準后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、U3三個運算放大器組成典型的三運放儀表放大器，可以放大橋式電路的微弱輸出信號，選用CMOS運算放大器SGM8521。熱量表中溫度測量單元的檢測溫度為0～100℃，經信號調理電路處理后對應的輸出電壓0～2. 977 9 V。

由于 PT1000 的分度表過于龐大，進行查表運算時要占用系統較大的存儲空間，且每次查找時要花費相當長的時間，系統利用最小二乘法對系統進行了優化，得到了如下公式（5）所示溫度——電壓的關系式。

式中，u為測量得到的電壓值，V；t 為電壓對應的溫度值，℃。

這樣用一個簡單的多項式就可以利用采集到的電壓值直接計算出對應的溫度值，避免了復雜的查表和插值計算，有利于系統的低功耗。

4 STC12C5410AD微控制器

傳統熱量表常采用MSP430系列單片機，其測量精度要求較高時，必須使用復雜的調理電路、高位數的A/D轉換器，使系統成本居高不下，難以普及使用。本論文采用STC系列新一代單片機STC12C5410AD，它是宏晶科技生產的高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，是目前芯谷科技在宏晶系列單片機技術攻關研究中已經取得全線突破的典型優勢解密系列。STC12C5410AD的指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快8-12倍，帶自校準A/D轉換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，可每秒采樣8、16、32或128次，并且在單周期轉換方式中的一次轉換之后自動掉電，在空閑期間極大地減少了電流消耗。比較因此，可減少信號調理環節和顯示環節的擴展，簡化系統結構，降低系統功耗

5 結束語

當今世界能源危機日益加劇，世界各國都從各個方面不同程度地進行節能減排。據統計，按熱計量進行供暖收費可以有效推動節能行為，總體可節約20%以上，因此作為能量計量手段之一的熱量表，其計量原理和方法的科學性及其計量精度愈發重要。隨著電子技術的迅速發展，各種集成芯片產品越來越多，超聲波熱量表的性能越來越完善，而價格也隨之大幅下降，這些都將為各種超聲波熱量表的發展提供十分有力的硬件環境，使熱量的分戶計量能方便的推廣使用。

[1] 黃攀雄. 超聲波流量計的發展與應用[J]. 上海: 自動化儀表, 1998(3).

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

[3] 城市建設研究院. CJ128—2007熱量表[S]. 北京: 中國標準出版社, 2007.

[4] 梁森, 王侃夫. 自動檢測與轉換技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

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