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硕士论文基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 摘要 i i i i ii ii ii iii i ii l l li il y 2 0 6 15 0 3 目前，由于超声波测量技术的发展及超声波测量的众多优点，超声波热能表在户用 热量计量上显示出越来越重要的地位，成为当今热能表的发展趋势。然而由于技术的不 完善，使得超声波热能表的发展仍然存在很多问题。针对当前超声波热能表的难点及存 在的问题，重点从超声波热能表的长期供电、超声波传感器在管道上的安装问题、测时 精度以及低功耗等问题出发，设计了一种户用型、基于能量收集系统的低功耗超声波热 能表系统。 为了解决超声波热能表的长期供电问题，设计了能量收集系统。利用半导体温差发 电片将管道中的热能转化为电能；通过负载特性实验，给出了不同条件下温差发电系统 的发电能力；分析了温差发电系统在热能表上应用所出现的问题，最后采用电池电源和 温差发电系统并行设计的方案，避免了温差发电系统能力不足或温度波动等影响，很好 地解决了超声波热能表的长期工作供电问题。 i 鉴于超声波传感器在管道上的安装问题，设计了直通式管段，使超声波传播方向与 水流方向一致，不但简化了计算，而且彻底解决了超声波传感器的入射角问题。并采用 流体分析软件f l u e n t 对测量管道的直径和管道倾角两个参数进行了优化设计，达到了既 方便传感器安装和测量，又减少了压力损失。 采用了高精度的时间测量芯片t d c g p 2 ，解决了时差法的测量精度问题，并采用 了当前最流行的低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为积算仪，通过软件设置，使系统能以较 低的功耗工作。通过对流体信号的研究，采用软件设置，解决了供热管道中流体杂质或 气泡影响流量测量精度问题。 关键词：超声波热能表，能量收集，优化设计，低功耗 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , a st h ed e v e l o p m e n to ft h eu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n dm a n y a d v a n t a g e s ，u l t r a s o n i ch e a tm e t e r si sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nh o u s e h o l d h e a tm e t e r i n g ，b e c o m i n gt h et r e n do fh e a tm e t e r s h o w e v e r , d u et ot e c h n i c a li m p e r f e c t i o n s ， t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m si nt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ch e a tm e t e r s f o rt h ec u r r e n t d i f f i c u l t i e sa n dp r o b l e m si nu l t r a s o n i ch e a tm e t e r , f o c u s i n go nt h ep o w e rs u p p l yf o rt h e u l t r a s o n i ch e a tm e t e r , u l t r a s o n i cs e n s o r si n s t a l l e do nt h ep i p e l i n ei s s u e ，m e a s u r i n ga c c u r a c y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n , d e s i g n e dah o u s e h o l dt y p e ，l o w - p o w e ru l t r a s o n i ch e a t m e t e rs y s t e mb a s e do ne n e r g yc o l l e c t i o n i no r d e rt os o l v et h el o n g - t e r ms u p p l yp r o b l e m ，e n e r g yc o l l e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r h e a ti nt h ep i p e l i n ew a sc h a n g e di n t oe l e c t r i c i t yt h r o u g hs e m i c o n d u c t o rt h e r m a l p o w e rg e n e r a t i o nc h i p ；t h r o u g ht h el o a dc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， t h ec a p a c i t yo fp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw a sg i v e nu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ；a n a l y s e dt h e p r o b l e m so ft h et h e r m a le n e r g ys y s t e ma p p l y i n gi nh e a tm e t e r , a n df i n a l l yu s e db a t t e r yp o w e r a n dt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mp a r a l l e l - d e s i g n e dp r o g r a mt oa v o i dt h ep r o b l e m sw h e n t h ec a p a c i t yo ft h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi si n s u f f i c i e n to rt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s a n do t h e re f f e c t s ，w h i c hs o l v e dt h ep r o b l e mo fl o n g - t e r mp o w e rs u p p l yo nu l t r a s o n i ch e a t m e t e rv e r yw e l l v i e w i n gt h ep r o b l e m o ft h eu l t r a s o n i cs e n s o r si n s t a l l e do nt h ep i p e ，t h i sp a p e rd e s i g n e da s t r a i g h t - t h r o u g hp i p e , m a k i n gu l t r a s o n i cp r o p a g a t i o nd i r e c t i o na n df l o wd i r e c t i o nt h e s a m e t h i sn o to n l ys i m p l i f i e dt h ec a l c u l a t i o n , b u ta l s os o l v e dt h ep r o b l e mo fi n c i d e n ta n g l eo f u l t r a s o n i cs e n s o r s a n du s e dt h ef l u i da n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n tt oo p t i m i z et h ed e s i g nb y c h a n g i n gt h ep i p ed i a m e t e ra n dp i p ea n g l e ，w h i c hm a d es e n s o ri n s t a l l e da n dm e a s u r e m e n t c o n v e n i e n t l ya n da l s or e d u c e dt h ep r e s s u r el o s s a h i g h p r e c i s i o nt i m em e a s u r e m e n tc h i pt d c g p 2w a su s e dt os o l v et h ep r o b l e mo f t r a n s i t t i m em e a s u r e m e n ta c c u r a c y , a n du s e dt h em o s tp o p u l a rl o w - p o w e rm i e r o c o n t r o l l e r s m s p 4 3 0 f1 4 9a st o t a l i z e r t h es y s t e ma l s oc a nb el o w e rp o w e ro p e r a t i o nb ys o f h v a r es e t t i n g s ， a n du s e ds o f t w a r ed e s i g nt oa d d r e s ss u c hp r o b l e m s 觞i m p u r i t i e so rb u b b l e sa f f e c t i n gt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yi nt h ep i p e so f h e a t i n gs y s t e mb ys t u d y i n gt h ef l u i ds i g n a l k e yw o r d ：u l t r a s o n i ch e a tm e t e r , e n e r g yc o l l e c t i o n , o p t i m i z a t i o n , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ； u 硕士论文 基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 在我国北方地区冬季比较寒冷，采暖供热也就成了城镇居民生活的基本需求i l j 。但 是长期以来，我国在集中供热上按供热面积收费，即每年只需按住房面积缴纳费用，这 种计费方式严重打消了供热公司的积极性，使得供热质量下降，导致用户不满，因此常 常会出现用户拒付暖费的现象。此外，由于只按供热面积收费，与用户用热多少无关， 因此，如果某些用户在房间无人时也不关掉暖气，更有某些用户将阀门开的很大，当房 间温度过高时宁愿开窗，也不愿将阀门关小等等【2 1 ，这些因素都造成了能源的极大浪费， 在一定程度上也与我国建设能源节约型国家、走可持续发展的道路相背离。因此，对采 暖系统和集中供热体制进行彻底改革，采用分户计量、按户收费的方式已是势在必行【3 j 。 热能表是在集中供热计量的改革中发展起来的，是测量热交换系统释放或吸收热量 多少的关键设备。热能表按所用流量传感器的不同主要分为机械式热能表、电磁式热能 表和超声波热能表【4 1 。根据目前国内外市场的产品情况，机械式热能表结构简单、价格 较低，但抗杂质和纤维能力差，对水质要求较高，而测量部件为机械构件，长期使用会 因机械部件的磨损造成测量精度的降低；电磁式热能表不但结构、测量原理都较复杂， 而且价格较高，所以很少用于户用计量，而广泛用于工业计量或大i ：1 径的楼宇上【5 1 ；超 声波式热能表对水质要求略低，而且对介质成分没有要求，测量精度高，测量传感器没 有运动的机械部件，几乎没有磨损，但其价格相对较高。近几年来，机械式热能表在市 场上所占的份额逐年减小，超声波热能表则逐渐上升，已经成为当今热能表的发展趋势 【6 】 0 目前，我国热能表的发展才刚刚起步，技术还不是很完善，生产的热能表与国外相 比存在很大差距，技术有待进一步的改进提高，这在一定程度上阻碍了我国热能表的大 力推广，影响了我国的供热体制改革。因此，在当前形势下对超声波热能表进行开发具 有深远的社会意义。 1 2 热能计量的技术现状 1 2 1 国外热能计量的技术现状 2 0 世纪4 0 年代，丹麦的梅得斯克劳申研制出了一种用于供热系统的散热器恒温 阀，可以通过传感器来控制阀门的大小以调节室内的温度，从某种意义上来讲，其可以 算得上热能表的雏形。到了2 0 世纪7 0 年代，世界范围内爆发了石油危机，这使人们意 识到当前能源的不合理利用，必须把节约能源和提高能源效率放在首位。因此欧洲各个 l 绪论 硕士论文 国家都纷纷开展节能运动，节能技术得到飞速发展，一些相关的节能设备也如雨后春笋 般被研制出来。以前的供热方式已不再适合现阶段的要求，室温控制和按用热计量收费 顺应了时代的发展，也是满足实际需求、提高能源效率和节约能源的重要途径之一【刀， 热能表也就是在这个大背景下被提出并发展起来的。 热能表一般是在流量仪表的基础上发展起来的。它基本上包括三个部分，流量测量 模块、温度测量模块和积算仪部分【剐。即是在原有的流量测量元件上，加上温度测量模 块，通过处理芯片计算再将数据结果通过显示仪器显示出来，这样就构成了热能表。热 能表最早起源于欧洲，1 9 6 4 年，德国首次进行热能表的研制工作。最初的热能表为机械 式，流量测量采用机械构件如叶轮、文丘里管、孔板等。7 0 年代后电子热能表的出现顺 应了电子化的发展潮流，不但积算方式发生了很大变化，而且增加了电子显示，使抄表 收费更加的方便。同时，微处理器的大量应用更是使得热能表朝着数字化、智能化的方 向发展t 9 l 。近几年来，由于超声波测量技术的发展及超声波测量的众多优点，越来越多 的厂家开始超声波热能表的研制，并且其占市场份额也在逐年上升。刚开始时，国外很 多国家在热量计量上大都使用机械式的热能表，但后来由于陆续出现问题，正逐步被更 换成超声波热能表。而后来进行集中供热改革的国家如罗马尼亚、斯洛文尼亚等从一开 始就放弃机械式热能表，直接选用超声波热能表。 在温度的测量上，欧洲热能表使用p t l 0 0 或p t 5 0 0 作为测温探头，但这种测温探 头的引线电阻会影响测量的精度，因此必须对引线长度进行配对，不可任意延长或缩短 引线长度。 在热量积算上，欧洲一律采取k 系数补偿法计算耗热量，一般规定热能表安装在回 水管道上【1 0 1 。 1 9 9 3 年，欧盟发布了指令9 3 7 6 e e c ，要求各成员国减小二氧化碳的排放、提高能 源利用率，并贯彻实施按实际用热计费等计划。同时，一些标准的制定实施也在不断完 善。1 9 9 7 年4 月，欧盟正式通过了统一的热能表标准代号e n 一1 4 3 4 ；国际法制计量组 织又在第二年公布了第一个国际性的热能表标准文件；至此，热能表的发展到了一个较 为成熟的阶段，热能表的发展基本定型，设计也都趋于一致【1 1 1 。 经过几十年的发展，国外热能表的发展已较为完善。从热能表的研制、一系列标准 的制定实施到仪器的标定检测最后到投入使用，国外的一些国家都有自己一套完备的方 案，而且做法都已相当成熟。 1 2 2 我国热能计量的技术现状 我国热能计量的发展起步较慢，始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 8 9 年，我国才开始关注集 中供热的计量收费问题，并于1 9 9 0 年将热能表专用电路研发列入国家“七五 科技攻 关计划。1 9 9 2 年，o m l r 7 5 国际建议热能表在我国的出版更是为热能表的研发指 2 硕士论文基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 明了方向。1 9 9 4 年以后，一些中小企业也开始自发的进行户用型热能表的研究工作。直 至1 9 9 7 年，欧洲热能表标准e n 1 4 3 4 发布之后，我国才真正步入了热能表的研制开发 工作。在那时，很多企业、高校、甚至科研院所都争相开发研制热能表【1 2 】。 2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部发布了民用建筑节能管理规定，指出新建居住建筑的集 中供热系统应实行按用热计量收费并鼓励户用热能计量仪表的研发【1 3 】，这更进一步激发 了中国仪器仪表产业对热能表开发的热情。继建设部2 0 0 1 年2 月发布热能表标准之后， 国家质检总局又在1 2 月发布了“国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 热能表”， 并且这两个国家标准和规程的编制都参照了最新的国际标准【1 4 】。2 0 0 5 年，建设部等8 部委再次发布了供热体制改革的指导意见，指出各地要继续稳步推进供热体制改革试点 工作，停止福利供热，实施建筑节能改造，探索实行用热商品化、货币化，自此热能表 的发展进入探索发展之旅。2 0 0 8 年5 月2 1 日，住房和城乡建设部明确提出了“十一五” 期间的工作任务，实现北方采暖区既有居住建筑供热计量及节能改造1 5 亿平方米。同 时，财政部印发了北方采暖区既有居住建筑供热计量及节能改造奖励资金管理暂行办 法，并预拨了部分奖励资金，进一步推进供热体制改革【1 5 】。对中国的热能表生产企业 来说，不但有国家政策的支持，而且还有资金奖励扶持，更是拥有前所未有的前景市场， 中国热能表的发展迎来了一个新的春天。 在技术研发上，由于我国的国情，我国的热能表企业不但借鉴了国外的先进技术，而 且针对我国国情做了大量的改进。在温度传感器的选用上，大都选用了符合国家标准的 p t l 0 0 0 型配对铂电阻作为测温探头。在积分计算模式上，大多不采用欧洲应用较广的k 系数法，而是采用了更符和我国国情的热焓差值计算法【1 6 1 。 关于户用热能表流量计的选用上，与国外发展大致相似，我国也是经历了由机械式 到电子式再到智能式的迈进。近几年，很多企业开始争相研制超声波热能表。超声波热 能表独特的测量原理及技术特点决定了该产品能够为供热企业提供最佳的计量方案。作 为我国热改举措中出现的新技术，超声波热能表不断显示出它不可替代的地位和巨大的 应用前景。 据不完全统计，我国生产和经营热能表的企业超过了1 0 0 多家，当中与国外的热能 表公司合资、合作或作为经营代理的大约有2 8 家，大约占全部的2 6 ，民办中小企业 大约占9 0 1 1 7 1 这在一定程度上也说明了我国的热能表产业底子还很薄弱，需要做大做 强。 虽然我国热能表在这短短的十几年内得到了很大的发展，但是相对于国外，我国的 发展依然不够成熟。不仅在设计制造上比较单一，而且测量精度较低，这些都一定程度 上制约了热能表的发展。中国热能表以后的发展更需要热能表企业不断向国外的公司学 习，专注于重点技术的突破。同时，也要发挥政府的主导作用，推进立法作为供热计量 改革的保障【1 8 】。 3 i 绪论 硕士论文 1 3 超声波热能表的难点及存在的问题 超声波热能表的电源为了避免人为干扰一般采用内装式设计，采用电池供电，而电 池的电量是有限的，这就意味着一旦电池电量用尽，就无法直接更换电池。若要更换电 池，就必须有专业人员把表拆封，更换电池后再封装好，否则就只有更换新表。对于热 力公司来说，不但要培训专业的人员，还要逐户地更换电池，这将大大增加热力公司的 开支。目前，超声波热能表的电池使用寿命一般为5 6 年，若更换新表，对于用户也是 笔不小的费用，用户也必然不会同意。 截至2 0 1 1 年，我国的供热体制改革已将近1 5 年，然而至今热能表依然没能在我国 推广开来。究其原因，不但分户计量改造难度大，而且国内热能表质量难以保证，后期 维修保养费用高昂，无论热力公司还是用户都难以承受，而影响热能表寿命的主要原因 就是电源问题。因此，如何解决好热能表的长期供电问题已变得非常迫切，将会直接影 响到热能表的推广使用。 根据超声波传感器在管道上的安装方式不同，超声波热能表有外夹式、插入式和管 段式三种形式。外夹式安装和维护最为方便，但超声波信号必须通过管道和流体介质， 信号衰减很大，发射和接收信号通道较为复杂，测量精度也相对较低【1 9 】。管段式的传感 器直接与被测液体接触，避免了超声波通过管壁后的声速变化以及衰减的影响，传感器 出厂前就已安装好，能保证较高的测量精度，对3 0 0 m m 以下的管径常采用这种结构。插 入式需要测原管道管径、壁厚等，这些都会引入误差，影响测量精度，而且需要专业人 员对管道打孔安装，比较繁琐。目前，户用超声波热能表也大多采用管段式。 超声波传感器在管道上的配置方式不同，其管段结构也一般不同。如图1 1 所示，目 前最常用的管段式结构多为z 式，其结构简单，几乎没有压力损失【2 0 】，但是在这种结构 挠缆器瑞薇 号l 线 换能器 超声渡管段 图1 1 超声波热能表管段式结构 下超声波传播的距离较短，不利于时差法的实现，很难保证测量的精度。同时，这种结 4 硕士论文基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 构还要考虑到超声波传感器的入射角，如果入射角选择不当，不但使超声波信号强度衰 减，而且会在流量的计算公式中引入一个角度，增加了计算的复杂度；另外，角度的测 量也会引入误差，对测量造成很大的影响。 超声波流量测量按测量原理主要可以分为时差法、频差法、相差法、多普勒效应法 和相关法等【2 1 2 5 1 。其中，时差法比较简单，应用也最为广泛，超声波热能表的流量测量 原理大多采用时差法。 虽然时差法在超声波热能表上的应用很广，但它也存在着不足。因为它不但很难精 确地测量出超声波在流体中顺逆流传播的时间差，而且不易准确的估算出管道中流体的 流速分布。对于时间差的测量，近年来主要运用高速时间计数器来实现测量精度，但是 采用这种方法，若要提高测量精度，就必须要运用更高速的时间计数器，这样不但提高 了系统的频率，使功耗增大，而且也使系统的整体成本提高。随着集成电路的发展，产 生了一种新型的时差测量技术，即采用门电路的传播时延作为基准时间，再乘以信号通 过门电路的个数就可精确地测量出信号传播的时间。因此，它的测量精度主要取决于芯 片的门电路传播延迟时间，随着数字电路的飞速发展，目前此种方法已经可以实现几十 皮秒的测量精度 2 6 1 。 此外，我国的供热系统大多为封闭式设计，热水循环利用，长期使用会使热水管网 出现水垢和小颗粒杂质，这些漂浮在管道中的小颗粒杂质虽然不会危害供热管网但是会 影响超声波的传播方向，当超声波遇到这些杂质时就会发生反射，致使接收传感器接收 不到信号，给流量测量带来极大的干扰。当水温较高时会在管道壁上形成气泡，以及在 流过弯道时产生的湍流等，这些都会给超声波热能表的流量测量精度带来巨大的影响。 1 4 本课题的主要研究内容 针对当前超声波热能表的难点及存在的问题，本文重点从超声波热能表的长期供 电、超声波传感器在管道上的安装、时间测量精度等问题出发，设计了一种户用型、能 长期供电的低功耗超声波热能表系统。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： l 、超声波热能表管道的优化设计 鉴于超声波传感器在管道上的安装配置问题，本文设计了直通式管段，使超声波传 播方向与水流方向一致，不但简化了计算，而且彻底解决了超声波传感器的入射角问题。 但是这种管道也有缺点，就是管道中压力损失较大，因此需要对管道结构进行优化设计， 尽可能减小压力损失。 2 、长期供电问题的研究 包括长期供电方法的研究以及方案的确定、硬件电路设计、负载性能分析以及在热 能表上的应用等。 5 l 绪论 硕士论文 3 、超声波热能表硬件电路设计 硬件电路设计部分包括超声波发射、接收电路、超声波传感器的切换电路、超声波 信号处理电路、温度测量电路、液晶显示电路以及处理器外围电路的设计等。 4 、软件系统的设计 包括基本测量功能的实现，软件系统的低功耗设计，当水流中出现杂质或气泡时， 通过软件编程解决。同时，通过软件设计消除各种延时误差，对其进行补偿。 6 硕士论文基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 2 超声波热能表管道的优化设计 2 1 超声波流量测量原理 在超声波的流量测量原理中，时差法测量较为简单，易于实现，在超声波热能表的 应用中也最为广泛。根据超声波传感器的安装配置不同，其测量原理也各有差异。目前 超声波热能表中多采用斜射式测量，即超声波传播方向与水流成一角度，这种测量方法 引入了超声波入射角，不但使流量计算变得复杂，而且也成了测量中误差产生的原因。 本文设计的直通式管道完全避免了这一情况，使超声波传播方向与水流方向一致，测量 原理比斜射式更为简单。 2 1 1 斜射式流量测量原理 时差法是通过在测量管道上放一对超声波发射和接收传感器，分别在顺流和逆流方 向发射超声波脉冲，测量其传播时间差彳f 。其测量原理如图2 1 所示，其中：管径为d ， 图2 1 斜射式时差法测量原理 为超声波传播距离，0 为水流方向与超声波传播方向夹角，y 为水流速度，c 为超声 波在水中的传播速度，死为超声波由传感器进入被测液体所经历时间【2 7 3 2 1 。 则顺流时间乃计算公式为： 五= t o + 志 ( 2 1 ) 逆流时间乃为： 乏= 瓦+ 淼 ( 2 2 ) 7 2 超声波热能表管道的优化设计 硕士论文 时间差为： a t = 瓦一五= 万2 l 丽v s i n o v ( 2 3 ) ，一一 一s l n 一廿 因矿远远小于c ，可将上式化简为： 出2 l _ v f s i n o ( 2 4 )出_ 一 ( 2 4 ) ，1 z 、， 从而得到流体速度与传播时间差的关系式为： r 2 y = l a t ( 2 5 ) 2 l s i n o 、7 另外，因为矿是流体沿管道中心线的线速度，因此需要加一个流速修正系数k 以 修正流速沿管道直径的不均匀分布，那么瞬时流量q 的计算公式为： q ：7 c d 2 - k v ( 2 6 ) 一 4 、 7 2 1 2 直通式流量测量原理 如图2 2 所示，采用直通式测量方法，首先由系统发送一系列的脉冲信号到上游的 超声波传感器，传感器经压电效应将脉冲信号转换为超声波信号；然后超声波信号经水 流传播到下游的超声波传感器，再经过压电效应将超声波信号转为电压信号；最后通过 滤波、放大电路处理送入检测电路，这一过程称为顺流测量。反之，下游传感器发射超 声波，上游传感器接收超声波并转化为电压信号，则称为逆流测量。具体测量原理如下 所示： 8 一 逆流 v - 一兰j 受传感器 超声 顺流 - 超声波顺流传播时间为： 图2 2 直通式时差法测量原理 三 厶= 1 c + y 传感器 ( 2 7 ) 硕士论文 基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 其中：三为超声波传播距离，c 为超声波在水中的传播速度，y 为水流速度。 同理，超声波逆流传播时间为：l 2 c 一矿 ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式减去( 2 7 ) 式得超声波在顺逆流中传播时差为： 2 l v ( 2 9 ) 址2 c 2 一v 2 超声波在水中的速度约为1 5 0 0 m s ，远远大于水流的速度，因此上式( 2 9 ) 可简化为： 2 己y 扛丁 ( 2 1 0 ) 最终可得水流速度： 陆等 ( 2 1 1 ) 瞬时流量： d ：r c d 2 k v ( 2 1 2 ) 14 其中，d 为管道直径，k 为流速修正系数。 2 2 直通式管道的结构 以往的超声波热能表的测量管道多采用斜射式，即超声波的飞行路径与水流的方向 成一定的角度。这在一定程度上给测量带来很大的影响，一方面管道管壁会对超声波信 号起到一定的衰减作用，另一方面超声波传感器入射角的选择不当同样会造成接收信号 强度降低，而且传感器的安装配置也很麻烦，直接影响了测量精度。本文设计的直通式 管道完全避免了以上这些问题。超声波信号在传感器之间直线传播，传感器可通过螺纹 连接固定在管道中，这不但简化了传感器在管道上的安装及配置方式，而且简化了流量 的计算，更利于提高测量精度【3 4 。 根据户用型超声波热能表的应用特点，本文选择1 5 m m 的小管径作为研究对象。直 通式管道的基本结构采用两个直管段相贯，并将一直通管固定在相贯管中形成的，其中 水平管段为进出口连接管段，倾斜管段为传感器安装管段，也即测量管道。如图2 3 所 示，其中a 、b 端为进出水口，连接供热管网，a b 管段的公称直径d 为1 5 m m ，c d 管 为超声波测量管道，c 、d 端为超声波传感器安装端，两端的传感器可以通过螺纹连接 将传感器牢牢固定在管道中，这样就可以避免了传感器由于安装不当所带来的问题。具 体工作原理如下：若a 为进水口，则水流经由c 端到达d 端，最后到达b 端，b 为出 水口。因此，a 、b 端之间并不是直通的，而是c 、d 端直通。这样，超声波在水中的 路径与水流的方向一致或成1 8 0 度角，所以称为直通式测量。 9 2 超声波热能表管道的优化没计 硕i ：论文 为了便于进。步的分析计算，初设a b 、c d 两真管段长度均为1 0 0 m m ，倾角0 为 3 0 0 ，c d 测量管道内径为1 5 m m ，其内部固定一内径为1 0 m m 的小管道，通过凸台与 c d 管接触，并保证两边各有5 m m 的固定区域。为了缓解管道突变而造成水流过急，因 此在c d 管前后各预留2 0 m m 作为水流缓冲区。 2 3 管道的优化设计 图2 3 直通式管段示意图 由流体只有黏性以及管道壁面粗糙的影响，流体流经管道时其能量必然有所损 失。当流体流过弯头、三通等装置时，流体运动受到扰乱，也必然产生压力损失。而较 大的压力损失会给测量带来很大的影响，因此，在管道的设计中必须要对管道的压力损 失进行分析，使压力损失尽量减小f 3 5 1 。 直通式管道虽然有众多优点，但是压力损失较大，因此，为了减小管道的压力损失， 本文采用流体分析软件f l u e n t 对管道压力损失进行分析，通过分析结果对直通式管道进 行优化设计。 2 3 1f l u e n t 软件求解步骤 l 、确定几何形状，生成计算网格 为了便于分析及观察，本文对直通式管道的二维截面图进行分析。首先在u g n x 6 0 中画出一维截面图，然后导入g a m b i t 软件进行预处理1 3 6 】。图形导入后，s h i f t + 鼠标左 1 0 硕一 ：论义基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 键选择线段，分别将计算区域根据进水口、测量区、出水口划分成3 个面域。面域建立 后。组成面的边将变为蓝色。然后定义几何边线上的网格节点密度，如图2 4 所示，内 容主要是选中线、确定线上节点的数量、确定肖点在线上的分卸。划分面网格时，对于 进水【 和出水口均有楔形区域，因此面1 和面3 采用三角形网格划分，面2 采用四边形 网格划分，最终划分的网格如图2 6 所刁；。 e d 口 i l - e 幻e5 l 剑 一溉k 州协呐i v e e s e s 叭触 f o r mj i ，岫f n t 呻”i 蛳孵 嗍，a p p 坤三竺翊 t y ps u c c r 舒oj i ! ! ：! 垒1 jd o u b l es t d e c l 黼 【1 l u 。 。 竺! a p p l y 则 厂一i 舢叭u e l o p 岫, s i t m e s r l r e m o v eo l dm e s h j 峋f l o r es , t z ef u n c t l 甜1 ， - 附7l 冉- 1 1 。ic 咐i 矧2 4 边网格划分 幽2 5 面网格划分 图2 6 网格划分结果图 2 超声波热能表管道的优化设i 1 预j j 论文 2 、设置边界类型 边界类型主要是设置流体的进出口以及壁面等边界。由于入口处压力未知且流体不 c ，j 压缩，凶此选择速度入口。对于出r 】边界上的压力和速度均不可知，出口选择自由出 流边界条件【37 1 。g a m b i t 对用户没有定义的边界线会统统定义为固壁边界，而内部边 线将会自动转换成内部连续区域【3 8 1 。i # 实上有些边线虽然在内部但其实为固壁条件，因 此需要手动设置。最后，将三个面域联合，设为同一个流体区域，具体设置如图2 7 、 罔2 8 所示。至此，在g a m b i t 软件中的预处理结束，导出网格保存。 图2 7 流体边界设l ；： 图2 8 流体i x 域设置 3 、输入并检查网格 启动f l u e n t 软件，选择2 d 求解器，读入网格文件。网格文件读入成功后，点击c h e c k 检查网格，f l u e n t 在信息反馈窝1 2 1 将网格信息显示出来，注意要保汪最小体积不能为负 值，否则f l u e n t 软件无法进行计算。 4 、优化网格 扣。歼s m o o t h s w a p 对话框，点击s m o o t h 按钮，再点击s w a p ，进行网格优化，重复 上述操作，直到f l u e n t 软件报告没有需要交换的面为止f 3 9 1 。 5 、单位转换 在g a m b i t 软件中的长度单位为m ，为了操作方便需要将长度单位转换为m m 。打 j r - s c a l eg r i d 对话框，在网格长度单位右侧下拉列表中选择m m ，单击转换长度单位， 再单击s c a l e 即可。 6 、建立求解模型 求解器设置 打开s o l v e r 对话框如图2 9 所示，选择非耦合求解法、隐式算法、2 d 空问、定常 硕i ：论文 基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 流动，其它保留默认设黄。 湍流模型设嚣 打开v i s c o u sm o d e l s 对话框如图2 1 0 所示，选择标准c - 湍流模型，保留默认的湍 流模型常数4 0 1 。 图2 9 求解器设置对话框图2 1 0 湍流模型设置对话框 7 、设置流体的物理属性 打丌m a t e r i a l s 对话框，点击d a t a b a s e 选择液体水，点击c o p y 拷j ! 属性，冉点击 c h a n g e c r e a t e 按钮进行修改。 8 、设置边界条件 打开边界条件对话框如图2 1 1 所示，在z o n e 栏内选择f l u i d ，点击s e t 按钮弹出f l u i d 设置对话框如图2 1 2 ，在下拉列表中选择w a t e r 。 i d 一 型剑到刖 图2 1l 边界条仲对话框l j2 1 2 流体材料选择对话椎 2 超声波热能表管道的优化设计 硕上论文 同样选择i n l e t 设置入口速度边界条件，如图2 1 3 所示，根据一般户用热水管道水 流速度不大了：o 8 m s ，本例设置速度大小为1 州s 【4 。在湍流定义方法下拉列表框内选择 强度与水力直径，湍流强度等于o 1 6 与按水力直径计算得到的雷诺数的负八分之一次方 的乘积，计算得1 1 ，水力直径为1 5 m m 。 出 1 边界为自由 士 流，且只有一个出口。因此如图2 1 4 中的流率权数设置为l 。埘 于擘面及其他边界，保持默认设冠。 9 、流场初始化 在求解选项中单击初始化选项，打丌s o l u t i o ni n i t i a l i z a t i o n 对话框，如图2 1 5 所示。 在下拉列表巾选择入旧边界i n l e t ，点击i n i t ，再点击c l o s e 关闭对话框。 1 4 i n l e t v e i o 嘶s p e c i f i c a t i o nm e t h o d m a g n e t i c , n o n n a lt ob o u n d a r y： _ - - - - _ _ - _ _ _ 一 晰e n c ef r a m e 网1 v t l o c l t ym a g n i t u d e ( m s 厂一厮磊 l - j 训曲c 刺帅岫6 阿而丽丽赢_ 1 1 u 而u e n 晓吨n s 畔阳而一 h y d r a u i i c d a m 岫i m m j 屠一 到型剧 图2 1 3 入口边界设置对话框 c o m p u t ef r o mr e f e r e m c ef l a m e l i ! ! ：= ：j r e l a 饥i o c e , z o n e “ f b s o l u t e 舭蛔嘶吣j 厂一 i 幽州y w i 肿o e l yilif习sl)1 j 、 型型则型堕 图2 1 5 初始化对话框 图2 1 4 出l 】边界殴置对诵框 图2 1 6 表面监视器设置对话框 硕i ：论文堆i ：能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 1 0 、设置监视窗口 为了观察出口处的压力是否经迭代后达至0 稳定值，可以设冠监视器实时监视求解过 程中出口边界匕的压力值。具体设置如下，首先找到求解选项中的监视器，打开表面监 视器如图2 1 6 所示，设置表面监视器个数为1 ，勾选p l o t 选项，点击d e f i n e 按钮弹出 对话框如图2 1 7 所示，在报告内容旱选择压力和绝对压力，报告类型里选择面积平均， 监视表面选择出口o u t l e t ，点击o k 确定。 蝴潮一 h_rc帅一 瓤【龇姗一。、。- i 岬t耻o0一 b s 妣p t s s u 佗 陋州b g 蚓觚f 球 ， s a i 雠 g ： x 挑 i 蝴r h 一 ；螨 甜c i 酣耵 ； 阳w 鼬 铂 ：i 三讨 - a _ n d l l 陋慨 m i t o r 1 一c 傩i 嘶能；k s c i i i 。c | | h c i p ： j 一 o瑚瑚抛拱瑚 咖 图2 1 7 表面监视器定义对爵框图2 1 8 出口平均绝对压力变化曲线 1 1 、迭代求解 在求解菜单下打开迭代对话框，输入迭代次数3 0 0 ，点击迭代开始计算。由图2 1 8 可以看出，经3 0 0 次迭代计算后，出口截面上的平均绝对压力已经基本达到稳定状态， 说明计算结果已经收敛，结束迭代，保存数据。 2 3 2 计算结果显示 将速度以矢量图、绝对压力以云图形式显示出来。如图2 1 9 所示，水流在进入测量 管道以及从测量管道流出时速度有较大的变化，而在测鼍管道中水流较为平稳。在图 2 2 0 压力分布图上，参考压力点设在管道中心位置，大小为一个大气压。从图上可以看 出，压力沿着水流方向从入口到出口逐渐降低，冈此可以通过入口与出口的最大压力差 来近似表示整个管道的压力损失。 | | n| | | | | | _| | | | 8 9 7 e + 0 0 8 5 3 e + 0 0 8 0 8 e + 0 0 7 6 3 e + 0 0 7 1 8 e + 0 0 67 3 e + 0 0 6 2 8 e + 0 0 5 8 3 e + o o s 3 8 e + 0 0 4 9 4 e + 0 0 44 9 e + 0 0 4 0 4 e + 0 0 3 5 9 e + 0 0 3 1 4 e + 0 0 2 6 9 e + o o 2 2 4 0 + 0 0 1 7 9 e + 0 0 1 3 5 e + 0 0 8 9 7 e - 0 1 4 ，4 9 e - 0 1 5 2 9 e - 0 7 v e l o c i t yv e c t o r sc o l o r e db yv e l o c i t ym a g n i t u d e ( m s ) 1 5 0 e + 0 5 1 _ 4 5 e + 0 5 1 3 9 e + 0 5 1 3 4 e + 0 5 12 9 e + 0 5 1 2 3 e + 0 5 1 1 8 e + 0 5 11 3 e + 0 5 1 0 7 e + 0 5 1 0 2 e + 0 5 9 6 9 e + 0 4 9 1 6 e + 0 4 8 6 3 e + 0 4 8 1 0 e + 0 4 7 5 7 e + 0 4 7 0 5 e + 0 4 6 5 2 e + 0 4 5 9 9 e + 0 4 5 4 6 0 + 0 4 4 9 3 0 + 0 4 4 4 0 e + 0 4 图2 1 9 速度父毓图 c o n t o u r so fa b s o l u t ep r e s s u r e ( p a s c a l ) 图2 2 0 绝对压力分布图 硕士论文基于能量收集技术的低功耗超声波热能表的技术研究 2 3 3 数据处理 将计算得到的入i c l 界面和出口界面处的绝对压力按直径分布长度导出，求出压力损 失画出曲线图2 2 1 。 f 弋 l。 弋 k i 一 。 ， 弋 。，一 ? 。? l崔l掌 佛，钟符 ”， ， 僦赫州厄慨一。蕊。0 。“ 批警夸口毫轻鲰葛镪赫 一批i 舐胁。瓣盛 图2 2 1 管道压力损失曲线 从图中可以看出，越接近管道出口界面中心