一種高精度超聲波熱量表的設計

李世光，賈俊征，李凱旋，高正中，譚 沖

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東，青島266590)

?

一種高精度超聲波熱量表的設計

李世光，賈俊征，李凱旋，高正中，譚 沖

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東，青島266590)

針對影響超聲波熱量表精度的內流場因素，根據時差法測量原理，設計了一種高精度熱量表。在基表的進水端內腔增加一個沙漏狀的喉道結構，防止產生新的渦流和壓損；采用柱狀的反射裝置使其附近空間更寬闊，避免產生射流；在測量管段前后增加漸縮段和漸擴段的“喇叭口”以及增大長徑比，改變流體流動特性，使其迅速平穩。經過改進后的基表，內流場性能得到改善。實驗測量結果表明，測量精度顯著提高，達到了預期的要求，符合行業標準2級表的要求。

熱量表；時差法；流喉道結構；喇叭口；長徑比

針對影響現有超聲波熱量表測量的流場問題，設計了一種高精度的超聲波熱量表。根據流體力學知識并結合工程實踐經驗，對基表結構進行優化，使測量管道內流體流動平穩，改善基表內水流的特性，提高測量精度。

1 超聲波熱量表的工作原理

超聲波熱量表通過采集上下游超聲波換能器在流體中的超聲波的信號，用順流和逆流的時間差來測量流體流速，從而間接測出流體流量[4]。通過測量進水和回水的溫度來計算得出熱交換系統吸收或釋放的能量[5]。

熱量的計算采用歐洲流行的k系數法，熱交換系統吸收或釋放的能量的計算公式[6]為

(1)

式中：Q為熱交換系統吸收或釋放的能量，J；τ為累積流量的時間，h；k為熱焓修正系數，J/m3；qv為瞬時熱水流量，m3/h；△T為進回水的溫度差，℃。

圖1 熱量表硬件結構框圖

Fig.1 Hardware structure diagram of heat meter

圖2 基表結構示意圖

Fig.2 Diagram of base table structure

2 超聲波熱量表硬件結構設計

超聲波熱量表硬件結構主要由微處理器MSP430模塊、TDC-GP22芯片模塊、流量測量模塊以及溫度測量模塊等組成，熱量表硬件結構如圖1所示。

2.1 熱量表基表設計

1.3 評定標準 ①手部水腫測量：采用排水法測量，選用由Brand和Wood根據阿基米德原理設計的體積測量器，將手浸入裝入水的容器至腕橫紋處，測量排出水的體積從而算出腫脹手體積[7]，患手和健手的體積差表示腫脹程度，分別測量3次取其平均值。②關節活動度(range of motion,ROM)測量：用量角器測量II-Ⅴ指掌指關節屈曲最大關節活動度(maximum metacarpophalangeal joint,MMP)，測量3次取其平均值[2]。

由流體力學相關專業知識可知，粘性流體在不同流速下存在不同狀態，通常把雷諾數Re作為判別層流和湍流的準則，而且實際工程上一般取臨界雷諾數Re=2 000。當Re≤2 000時，流動為層流，管內速度分布為拋物線規律，管道中心軸線上的速度最大；當Re>2 000時，流動是湍流，為對數分布，速度梯度較小，圓管中心線上的速度較層流時小，在管徑不變的情況下更趨近于面平均速度[7]。結合工程實踐經驗，基表結構設計如圖2所示。

圖2所示熱量表的基表，受風洞實驗設備前端加一個喉道來獲得平穩氣流的啟發在進水端內腔增加一圈光滑的環形突起，其內腔形狀的縱截面面積呈先逐漸縮小再緩慢增大的沙漏狀，進水部內腔平滑過渡到中間部內腔，即在進水端內腔上形成先沿光滑曲線收縮再緩慢擴張的喉道結構[8]。其中光滑收縮可以減少因管徑橫截面積減小產生的壓力損失；環形突起前段的收縮段將流體的橫截面緩慢減小，來流漩渦迅速衰減，加劇流體內部的能量交換，起到整流來流的作用；流體流動在收縮段時，在管道壁上不會出現分離現象，防止產生新的漩渦。環形突起的后段沿軸線方向的長度大于前段，形成的錐形部較長而平緩過渡，該錐形部的緩慢增大可防止分離漩渦的產生，進一步起到整流作用；流體流速減小，反射片裝置附近的能量損失減少。在進水部內腔采用的環形突起結構，對來流起到較好的整流效果，還可以防止產生新漩渦和壓力損失，提高熱量表對不同來流的適應性以及測量精度。

進出水部與中間部上的連接位置處安裝有配對的超聲波換能器，換能器下面是柱狀結構的反射片裝置，由于反射式結構是利用反射柱的發射面改變超聲波信號的傳播方向實現流量測量的，反射柱足夠大的反射面才能保證信號的正常傳播，圓形的反射面積最大且圓形的反射柱也方便加工。流體流動從柱狀反射裝置兩側匯入測量管道內，反射柱起到了導流的作用；反射片形狀的改變使反射裝置附近空間更寬闊，避免產生射流。

流體繞圓柱后在第一測量段流動混亂，需要在測量前端增加“喇叭口”(漸縮段)來進行導流。在測量段后端增加“喇叭口”(漸擴段)來進行導流，流體進入右側的測量段。相對安置的一對反射裝置均與換能器的中心軸線相對應，反射體的反射面與測量管內的水平面呈45度角；梯形“喇叭口”的腰與測量管道內的水平面呈45度角，對稱的梯形“喇叭口”分別連接最小管徑段，梯形“喇叭口”的高度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.9。

增大長徑比可以使測量管道內流場特性改善。在測量管道長度不變的情況下，縮小管道直徑即增大長徑比，會影響流體流速變化以及流動特性，流體在整個測量管道內流動發展平穩。在一定程度上降低前后反射裝置的擾流對測量管道內流場的影響，提高流場性能。

圖3 TDC-GP22外圍電路設計圖

Fig.3 TDC-GP22 peripheral circuit diagram

2.2 TDC-GP22外圍電路設計及電源電路

由于TDC-GP22芯片內部繼承的功能，包括第一波自動檢測功能、高精度溫度檢測、脈沖發生裝置、模擬開關、比較器、窗口功能以及時鐘標定等，僅需要外部加一個簡單的單片機(無需帶有任何A/D轉換)就可以完成。TDC-GP22芯片外圍電路設計如圖3所示。

為使整體元件的個數降到最低，在超聲波回波路徑當中，僅在壓電陶瓷換能器上鏈接到一對RC上；在溫度測量路徑當中，僅有額外的一個溫度穩定電阻以及放電電容；振蕩器選擇一個32.768 kHz石英晶體，FIRE_IN管腳可以用于32.768 kHz晶振的輸出驅動，因此單片機不需要一個低功耗的振蕩器；對于電源部分則需要應用旁通電容來給VCC和VIO去耦，分別通過一個10 Ω電阻進行分離。

TDC-GP22芯片利用內部的邏輯門延遲來高精度測量時間間隔，對供電電源的性能要求較高。選用BL8503型低功耗穩壓芯片，其良好的負載突變瞬態響應特性及溫度特性，可確保芯片和電源系統的穩定性。極低的靜態功耗(Iq=3.0 μA)延長電池壽命，使電源電路穩定可靠。電源電路如圖4所示。

利用集成在TDC-GP22內部的模擬電路輸入部分測量流量，該芯片的FIRE_UP引腳與電阻R3、電容C7連接到換能器1上，FIRE_DOWN引腳與電阻R2、電容C4連接到換能器2上，兩個換能器相互進行超聲波信號的接收或發送，設計成超聲波的外圍電路，簡化整個電路設計。

TDC-GP22內部集成的溫度測量單元有PT1、PT2、PT3和PT4等4個電阻測量端口，PT1引腳和PT2引腳分別用來連接測量上游(熱水)和下游(冷水)溫度的配對溫度傳感器Pt1000,其測量是基于PT3和PT4上連接的電阻R6在電容上的放電時間,從而電容會對參考電阻和Pt1000電阻分別放電。溫度測量是自動完成的。TDC-GP22根據微處理器發送的Start_Temp_Restart操作碼測試溫度，TDC-GP22進行2次或者8次的熱身測量后按PT1→PT2→PT3→PT4順序測量端口實際溫度。中斷標志位會在4次實際測量結束后置位。MSP430微處理器依次讀取寄存器registers 0到registers 3中的4個測量值，根據RC電路電容放電時間值與電阻的比例關系，計算出外接Pt1000的電阻值，再通過查詢鉑電阻不同阻值與溫度的對應表即可得到測量端的溫度值[2]。

圖4 電源電路

Fig.4 Power circuit

2.3 M-BUS通訊接口硬件電路設計

該系統設計了可以實現遠程抄表功能的M-BUS通訊接口，M-BUS是一種低成本，能多節點、長距離通信的總線，在熱表中進行通信。采用光電隔離后的M-BUS接口設計電路如圖5所示。

圖5 M-BUS通訊電路圖

Fig.5 M-BUS communication circuit diagram

該M-BUS通訊電路選用TSS721A芯片，其符合EN1434-3通信標準，是M-BUS儀表總線的專用數據收發的芯片，采用光耦TLP521-1與總線互連。穩壓電源3.3 V集成在芯片內部，總線可以延時關斷故障。

3 系統軟件設計

系統軟件在IAR FOR MSP430 環境下用C語言進行編寫，系統上電后，①主程序首先進行MSP430微處理器和TDC_GP22芯片以及其他外圍元器件的初始化，設置實時時鐘；②微處理器進入低功耗LMP3模式，SFR中各模塊允許確定各自控制器工作狀態的配置；③中斷請求或允許狀態控制模塊的動作，當微處理器MSP430被一個允許的中斷喚醒，就會執行中斷程序，SR和PC保存入堆棧，中斷事件發生的現場被保存；④復位SR中的運行模式控制位OscOff、SCG1和CPUOff自動。系統的程序流程如圖6所示。

圖6 系統軟件設計流程圖

為了降低系統功耗，采用數學模型簡單的增量式PID調節算法，有著超調和快速調節控制的優點。通過反復調試，配置合適的PID參數，使溫度測量的瞬態相應速度以及流量測量的穩定性得到較大的提高[9]。溫度不會瞬變，可以每30秒采集一次；流量會瞬變，需要每1秒采集一次。

4 實驗測量數據與分析

通過實驗測出溫度及流量的數據來驗證該設計的超聲波熱量表的高精度以及可靠性，進一步驗證所設計的超聲波熱量表達到了預期的要求。

4.1 溫度測量

根據行業標準CJ 128-2007的出廠規定[10]，選取5塊小口徑DN25型熱量表在恒溫槽HWC-R-L和精密數字測溫儀SPI1602A上進行溫度測試,溫度測量的實驗數據表1所示。

由實驗結果數據可知，測量中的溫度傳感器Pt1000的配對誤差絕對值小于0.037 ℃。

4.2 流量測量

溫度保持在55 ℃下，將選取的熱量表放在熱量表檢定裝置RJZ15-25Z上分別對5個不同的流量點進行流量測試，流量測量的實驗數據如表2所示。

測試結果表明，所設計的熱量表精度高，誤差絕對值≤ 0.9%。

表1 溫度測量結果

表2 流量測量結果

Tab.2 Flow measuremments

流量點/(m3/h)累計流量測試值/m3累計流量實際值/m3相對誤差/(±%)要求/(±%)0.0650.00503440.005080.89763.080.0800.00511470.005160.87792.880.1500.01084960.010910.55362.470.4700.04052690.040360.41352.152.0000.09462050.094820.21042.04

流量傳感器出廠測試按照2級表的準確度公式

(2)

式中：qp為常用流量，查閱行業標準CJ 128-2007可知公稱直徑DN25對應的qp值為3.5 m3/h；q為使用范圍內流量值。

為與不考慮流場因素的流量測量表進行精度比較，用MATLAB軟件對本論文設計的基表與文獻[2]中基表的流量測量實驗數據進行誤差曲線對比(如圖7)。

圖7 不同流量點的誤差曲線圖

Fig.7 Different flow point of error curve

由圖7可看出，本研究設計的熱量表在低流量段(0.05～0.5 m3/h)的測量誤差較小且誤差曲線波動不大，表明流喉道結構起到了很好的整流效果。而且，本研究設計的熱量表在所有流量范圍內誤差明顯小于文獻[2]中的誤差，且較快速趨于平穩，超聲波熱量表的適應性顯著提高，達到了預期的要求。

5 結束語

利用流體力學相關知識，結合工程實踐經驗，依據流體流動的發展過程和流場分布規律，優化基表結構，從而改善基表內水流特性，提高測量精度。根據行業標準對設計的超聲波熱量表進行溫度測試、流量測試，測試結果表明所設計的超聲波熱量表具有高精度以及穩定性好的特點，符合行業標準2級表的要求，達到了預期要求。

[1]林文卓,王樹鐸. 國內戶用超聲波熱量表技術現狀[J]. 暖通空調,2012,42(12):128-132. LIN Wenzhuo,WANG Shuduo.Technological status of domestic household ultrasonic heat meters[J].Heating Ventilating & Air Conditioning,2012,42(12):128-132.

[2]高正中,譚沖,趙聯成,等.基于TDC-GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設計[J].電子技術應用,2015,41(7):61-63,67. GAO Zhengzhong,TAN Chong,ZHAO Liancheng,et al.The design of ultrasonic heat meter with high precision and low power consumption based on TDC-GP22[J].Application of Electronic Technique,2015,41(7):61-63,67.

[3]肖洋.U型反射體超聲波熱量表流量計量的水流動態特性數值分析[D].西安:長安大學,2014.

[4]李廣峰,劉昉,高勇.時差法超聲波流量計的研究[J].電測與儀表,2000(9):13-19. LI Guangfeng,LIU Fang,GAO Yong.Travel time difference method of the ultrasonic flowmeter[J].Electrical Measurement & Instrumentation,2000(9):13-19.

[5]屈永.超聲波熱量表的技術研究與設計[D].南京:南京理工大學,2014.

[6]梁燦,袁濤,張寶芬,等.基于TDC-GP2的超聲波熱量表[J].儀表技術與傳感器,2010(10):15-17. LIANG Can,YUAN Tao,ZHANG Baofen,et al.Ultrasonic Heat Meter Based on TDC-GP2[J].Instrument Technique and Sensor,2010(10):15-17.

[7]BERREBI J,MARTINSSON P.-E,WILLATZEN M,et al.Ultrasonic flow metering errors due to pulsating flow[J].Flow Measurement and Instrumentation,2004,15(3):179-185.

[8]孫望.超聲波熱量表內流場特性研究[D].合肥:中國科學技術大學,2014.

[9]李世光,申夢茜,王文文,等.一種Mecanum輪式移動平臺增量PID控制系統設計[J].山東科技大學學報(自然科學版),2016,35(1)：86-90. LI Shiguang,SHEN Mengxi,WANG Wenwen,et al.Mobile platform incremental PID control system design based on mecanum wheels[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2016,35(1)：86-90.

[10]熱量表國家標準.CJ128-2007，熱量表中華人民共和國城鎮建設行業標準[S].

(責任編輯：傅 游)

An Design on Ultrasonic Heat Meter with High Precision

LI Shiguang,JIA Junzheng,LI Kaixuan,GAO Zhengzhong,TAN Chong

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

In view of internal flow as a major influence on ultrasonic heat meter’s accuracy,a new type of ultrasonic heat meter with high precision is designed based on the principle of time difference measurement.A new hourglass-shaped throat structure is added to the water inlet end cavity of the base table to deter from new eddy and pressure loss.It takes a columnar reflex attachment to widen its nearby space to avoid jet flows.It can change the flow features to make its smooth through the added bell-mouthing of the converging segment and the expanded segment back and forth on the end of measuring tube and the increased length-diameter ratio .The improvement on performance of internal flow is made through improved base table. The experimental results shows that the measurement accuracy has improved dramatically to achieve the anticipated demands and conform with the requirements of the industry-standard second level table.

heat meter;dfference measurement;fluid throat structure;bell-mouthing;length-diameter ratio

2015-12-08

中國博士后科學基金項目(2015T80729)；青島市博士后研究人員應用研究項目資助(2015190)

李世光(1962—)，男，山東青島人，高級工程師，研究方向為電力系統及其自動化、控制理論與控制工程、檢測技術與自動化裝置. 賈俊征(1989—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為電力系統自動化.E-mail:jiajz1203@163.com

TH701

1672-3767(2016)05-0096-06