（声学专业论文）小口径超声波热能表的研制.pdf

摘要 摘要 超声波测量技术提供了一种无阻碍式的流量测量方法，是一种没有活动部 件，且低能量消耗及高精度的流量测量方法。将超声流量测量与温度测量相结 合，可设计出超声波热能表。小口径超声波热能表相比传统的机械式热能表克 服了易损坏、精度低等缺点，因此超声波热能表将是今后热能表发展的趋势。 应用德国a c a m 公司设计的t d c g p 2 时间转换芯片开发出的超声波热能表具有功 耗低、精度高及其它方面的优势。 本文的工作主要分以下几个方面： ( 1 ) 从理论上阐述了超声波热能表的原理，分析了影响测量精度的几个因 素，并提出了提高仪器性能的一些办法。 ( 2 ) 利用t d c g p 2 与m s p 4 3 0 单片机研制了小口径微功耗的超声波热能表。 ( 3 ) 建立了小口径超声波热能表的标定试验装置，并对热能表的稳定性、 流量测量进行了实验。 ( 4 ) 对今后的工作进行了进一步的讨论。 关键词：超声波，时差法，速差法，流量测量，热能表，t d c g p 2 ，m s p 4 3 0 ，低 功耗 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e mt e c h n o l o g yp r o v i d e san o n i n t r u s i v em e t h o dt o m e a s u r ef l o ww i t h o u tm o v i n gp a r t s ，谢t hh i g hp r e c i s i o n a n d l o we n e r g y c o n s u m p t i o n u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e mc o m b i n e dt o g e t h e rw i mt h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e m ，ad o m e s t i c u s e ds m a l lc a l i b e ru l t r a s o n i ch e a t m e t e ri s p e r f e c t l y d e s i g n e d c o m p a r i n gt ot h ec l a s s i c a lm e c h a n i c a lh e a t m e t e r s ，s m a l lc a l i b e ru l t r a s o n i c h e a t m e t e rs h o w st h ea d v a n t a g e so fn om o v i n gp a r t s ，h i g hp r e c i s i o n ，s m a l lp r e s s u r e d r o p ，h a r dt od a m a g ea n de a s ym o u n t i n g t h e r e f o r ei tb e c o m e st h ed e v e l o p m e n t a l t e n d e n c yi nd e s i g n i n gh e a tm e t e r s t h i sp a p e rm a i r a yd e s c r i b e st d c g p 2 sl o w c u r r e n tc o n s u m p t i o n ，h i g hp r e c i s i o na n do t h e re x c e l l e n ta d v a n t a g e si nd e s i g n i n ga d o m e s t i cu s e du l t r a s o n i ch e a tm e t e r t h et h e s i sc o n s i s t so ff o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) e x p o u n d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h es m a l lc a l i b e ru l t r a s o n i ch e a t m e t e ri nl o g i c a l a ne f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h et e s t i n ga c c u r a c yi su s e dt h r o u g h a n a l y z i n gt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h es y s t e me r r o r , a n dt h i sm e t h o di sa p p l i e d t ot h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ( 2 ) u s et h et d c g p 2a n dt h em s p 4 3 0m i c r o p r o c e s s o rt od e v e l o pt h es m a l l c a l i b e ra n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o nu l t r a s o n i ch e a t m e t e rs u c c e s s f u l l y ( 3 ) b u i l dt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mo fs m a l lc a l i b e ru l t r a s o n i ch e a t m e t e ro ft h e e x p e r i m e n t ，d oe x p e r i m e n ta b o u tt h es t a b i l i t yo fu l t r a s o n i ch e a t m e t e r ，a n d m e a s u r et h ef l o w , t h et e m p e r a t u r ea n dt h eh e a t ( 4 ) i nt h ee n d t h ea u t h o ru s e ss o m ew o r d st od i s c u s st h en e x ts t e po ft h i s e x p e r i m e n t sa n d f u r t h e rw o r kw h i c hs h o u l db ed o n e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，t i m e - d i f f e r e n c em e t h o d ，v e l o c i t y - d i f f e r e n c em e t h o d ， u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n t ，u l t r a s o n i ch e a t m e t e r ，t d c g p 2 ，t h e m s p 4 3 0 ，m i c r o p r o c e s s o r ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 告旗姥 叫年3 月2 0 e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：务姥姥 z 0 0 1 年3 月 2 0e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 由于技术和价格等原因，目前我国北方地区的供暖大多采用按月计费，这 样不尽合理，也容易造成很大的能源浪费。有的地区即使计量，采用的绝大多 数也为国产的机械式或电磁式热能表。机械式热能表存在量程窄、启动流量大、 冷热水流量系数有差异、且随着使用时间的增加精度降低等问题。电磁式热能 表也存在磁干扰等问题。超声波热能表，特别是对采用干电池的户用型超声波 热能表目前国内还没有自主产权的成熟产品出现。 与传统的机械式热能表等相比，超声波热能表具有非接触式测量、结构简 单、测最精度高、使用方便等优点。随着能源需求量的增加，节能越来越受到 国家的重视，因此，对热能表的需求存在着极大的潜力，热能表将叮能成为一 项民族工业发展的热点，为我国的供热改革、分户计量提供一种可持续发展的 解决方案。 宁波东海集团与同济大学开展了关于小口径超声波热能表的合作研制项 目，本文主要围绕这项工作展开讨论。 1 2 常用的热能表及国内外研究现状小嗍 1 2 1 机械式热能表 机械式热能表是采用小口径机械式热水表作为热能表的流量传感器，通过 叶轮的转速来测量热水的流量，再根据进、回水的温度计算得到热能。现有的 机械式热能表最高精度达n 2 级。由于机械式热能表的造价远低于电磁式和超声 波式热能表，使其更适合作为我国供暖建筑热计量的主流热能表。然而，国内外 现有的机械式热能表，受流量计本身结构所限，特别是受我国供暖水质所限， 存在着许多问题。现有机械式热能表存在的问题： ( 1 ) 堵塞 1 第1 章绪论 我国供暖水质洁净度不高，表现为水中含有较多的杂质。水中杂质的来源 主要有两个方面：一是我国室内外供暖系统的氧化与锈蚀产生的锈渣，二是供 暖系统施工后的残留杂物。在户用热能表前加装过滤器后，一些细小杂质未能 被过滤器过滤掉而进人热能表，细小杂质会淤积在流量计叶轮的轴孔内，或卡 在叶轮与流量计的腔体之间，造成叶轮转动困难，测量精度迅速下降，并会堵 塞热能表。 ( 2 ) 磨损 现有机械式热能表的流量计主要有单流束和多流束两种，它们都采用了两 段式独立的立轴结构。立轴底端固定，头端插人轴碗中，叶轮在水的浮力下使 轴与轴碗形成点接触。这种结构在高水温、大流量、高转速下，点接触的磨损 较大，当供暖水中细小杂质进入立轴与轴碗的间隙时，加剧了轴与轴套的磨 损。 ( 3 ) 测量不稳定 随着轴与轴碗之问的磨损，叶轮的上下窜动和左右摆动的幅度加剧，使得 设置在叶轮上的无磁流量传感器的感应片摆动加剧，造成感应片与电感探头的 间距变化，很容易导致无磁流量传感器的部分检测信号丢失，测量不稳定现象 发生，并导致测量精度下降。 ( 4 ) 结垢 通过检查供暖计量使用过程中的热能表，发现供暖水中的化学物质在高温 水中容易产生水垢。水垢的发生和发展，逐渐使热能表流动不畅、压力损失增 大、测量精度下降甚至阻塞。因为热能表流量计内流道弯曲复杂，存在着多处 阻水结构，在阻水结构的滞流和缓流表面，所以更容易形成水垢。而多流束热 能表因为比单流束热能表的流道更复杂、阻水结构更多，所以形生水垢的程度 也就更重些。 ( 5 ) 压损较大 现有单流束热能表的侧弯流道，以及多流束热能表分流的弯曲通道，这些 改变流体流动矢量的非流畅流道造成了压力损失较大。压损大不仅导致了供暖 系统动力消耗的额外增大，而且也相应加大了机械式热能表的磨损。 ( 6 ) 安装受限 现有热能表都是单向安装的，即严格规定了热能表的进水口，而且大部分 热能表还规定只能水平方向安装。由于供暖建筑的形式是多样的，热能表的安 2 第l 章绪论 装现场也是复杂多样的，供暖计量工程期望热能表能不受进出口限制，多方位 地灵活安装。 1 2 2 电磁式热能表 电磁式热能表是采用电磁流量计测量载热流体流量，再根据进、回水的温 度计算得到热能的热能表。 电磁式热能表相比机械式热能表具有如下特点： ( 1 ) 测量精度较高，运行稳定可靠，压损小，无堵塞，这是由电磁式热能表的 本身结构和工作原理所决定的。 ( 2 ) 性能优良，实用性强，仪表能够显示累计热量、累计流量、瞬时流量、入 口温度、出口温度、进出口温度差以及仪表的运行时钟和仪表的运行累计时间 等参数。用户可以通过按键随时任意翻阅。 ( 3 ) 结构简单，安装方便。既可以安装在水平管道，也可以安装在垂直管道上。 ( 4 ) 仪表可以联网实现远程抄表、远程设定、远程巡检和记录，也可以不联网， 每台仪表通过串口联线，进行人工读数，人工计费及人工抄表。 对于电磁式热能表，电极是非常重要而又十分敏感的部件，一旦其被污染， 如长期接触不清洁介质或化学反应致使电极表面生成绝缘膜或被绝缘物质覆 盖，都会造成热能表的不正常工作。另外，电磁式热能表对测量介质的电导率 值也有一定要求，一般要求大于5 u s c m ，最好高于下限值一个数量级，即高于 5 0 u s c m 。如果被测介质电导率过低，有可能影响测量的稳定性和准确性。 1 2 3ic 卡智能热能表 i c 卡智能热能表系统主要由c p u 、流量计、进回水温度传感器、阀门、非接 触式i c 卡的读写模块、显示电路及电源等组成。 ( 1 ) 微处理器是整个智能表的核心，它担负着信息判断、识别、运算、处理等工 作。 ( 2 ) 温度传感器和a d 转换器组成温度采集电路，可测量采暖设备的进回水温 度。 ( 3 ) 流量计用于测量流过取暖设备的热水体积，每流过一定体积的热水，流量 计内的干簧管闭合一次就向c p u 申请一次中断，c p u 用该信号累计流过采暖设备 3 第1 章绪论 的热水的体积来进行热能计算。 ( 4 ) 显示和键盘电路，在需要时可通过显示器来显示水温和消耗的热能以及系 统处理等；用键盘可实现各种操作，如：通过键盘可以查看水温、消耗的热能 和系统信息等。 ( 5 ) 非接触式i c 卡读写模块是i c 卡热能表的输入接口，当将i c 卡插入家中预 收费热能表的读写器时，首先读入的是卡中的密码，以判断此i c 卡的合法性。 如合法就读入所购热量并与热能表内剩余热量累加，同时将卡上购热量单元清 零，回写热能表上用热量、剩余热量等信息，以便下次购热时热力公司读取， 实现热能表信息回馈功能。 该系统不但实现了收费电子化，而且还改变了先用热后收费的状况，使供 热部门能预先收取部分费用，有利于公用事业的发展。非接触式i c 卡( 又称射 频卡) 是国外近几年发展起来的新技术，它成功地将射频识别技术和i c 卡技术 结合起来，解决了无源和免接触难题。射频卡无需专门的供电电源；它与读写 器间无机械接触，避免了接触故障；它的表面无裸露芯片，可防水，且不易产 生静电击穿及弯曲损坏等问题；射频卡使用时没有正反面。i c 卡智能热能表系 统测量精度最高可达1 5 级。 1 3 超声波热能表 热能表经历了从机械式、电子模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理 器为基础的智能式的发展过程。 超声波式热能表，作为一种较新型的热能表，在热能计量上得到了快速的 发展。越来越多的厂家开始研制并生产超声式热能表，并在多个领域进行了的 应用。 超声波热能表，通过测量超声波在热水中传播的时间( 速度) 差及进出口 的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算得到热量值。由于其测量腔体 内部没有任何可动部件、不易堵塞、对介质的成份或杂质含量没有严格的要求， 因此，从超声波热能表一出现，就受到了用户的重视。目前，欧洲的热力公司 使用的热能表已有5 0 以上采用的是超声波式的，无论是使用周期成本，还是 可靠性和准确性，超声波式热能表均优于电磁式和机械式热能表。另外，较低 的压力损耗也有利于解决今后大规模使用户用热能表而产生的水力平衡问题， 4 第1 章绪论 这也是所有热力公司非常关注的。 关于热能表使用的电源，国际标准允许使用交流式电源或者内藏电池。国 外已经生产出的户用型热能表，是用电池供电，可以使系统工作五、六年，而 目前国内还没有这样成熟的户用型热能表。 1 4 本文主要工作 本文的研究工作主要足基于小口径超声波热能表研制项目的实际需要进行 的，其主要目的是采用超声检测技术，通过测量超声波沿载热液体顺向和逆向 传播时的声速差，算出液体流速及流量；再根据测得的进出口温度，经过密度 和热焓值的补偿及积分计算得到热量值。 本文的工作主要有以下几点： ( 1 ) 对超声波热能表的原理以及设计进行阐述，并对影响热值测量精度的各 种可能因素进行分析，提出降低这些影响的改进方法。 ( 2 ) 在上述分析的基础上研制出超声波热能表及试验装置，并对流量、温度 以及热值进行测量试验。 ( 3 ) 基于前面的理论及试验，最终形成仪器，经过标定，通过验收。 5 第2 章超声波热能表原理 第2 章超声波热能表原理 2 1 超声波液体流量测量原理 当超卢波在流动的媒质中传播时，相对于固定的管道管壁而言，超声的传 播速度与在静止媒质中的传播速度是不同的，其变化值与媒质流速有关。通过 测量流动媒质中超声传播速度的变化，可以测定媒质的流速流量，这就是通常 超卢波测流量的原理圳噬。 超声波测量液体流量的方法有时差法、相差法、频差法、速差法、声束位 移法、多普勒法等方法。超声波流量测量时，测量声传播路径上的介质流动线 平均流速，并通过与修正系数相乘转换为管道截面上的面平均流速，从而可以 用截面积和面平均流速的乘积计算瞬时流量。声道长度与传播时问的测量是超 声波流量测量的两个最关键的凶素。 本文采用速差法进行超声波流量测量，基本原理如下图2 1 所示： 换能器1 图2 1 基本测晕原理图 换能器2 假设超卢在两换能器之间传播的声程为三，超声传播方向与轴向之间的夹 角为矽，管道内液体静止时的声速为c o ，则当管道截面内的液体流速均匀分布 并且流速为“时，超卢波的顺向传播的声速可以表示为： q ：一l ：+ u c o s 矽 ( 2 1 ) q 2 百2 逆向传播的声速表示为： 6 第2 章超声波热能表原理 三 乞2 i 2 叫c o s 缈 ( 2 2 ) 则顺向和逆向的声速差为： c = q c 2 = 2 u c o s ( 2 3 ) 因此由上式得到： u ：生：j l 正一三) ( 2 4 ) = 一= 一i j l 厶鼍， 2 c o s t p 2 c o s t p 、t lt 2 7 上式即为速差法超声波液体流量测量流速的基本公式，式中，f 1 为超声波 沿顺向传播时的声时。厶为超声波沿逆向传播时的声时。 实际应用时，由于测量得到的顺向声时 与逆向声时t ，包含了电路、电缆 及换能器等产生的声延时瓦、乃，因此，必须扣除其影响，此时式( 2 4 ) 可改写 为： “：r _ ( 上一j 一 ( 2 5 ) 2 c o s c p 、t 1 一t 2 一砭7 管道内液体的瞬时流量g 为： g = 孚面lc 击一去， kmz2cos 6 ， 口= 一l - j o ， 1 4 矽、f 1 一瓦f 一厶7 式中，d 为管道直径。 从上述的超声波液体流量测量原理可以看出，采用速差法测量液体流速有 很大的优越性，首先是公式只和声程、换能器的安装角度及顺向和逆向的传播 声时有关，而和液体静止的声速，温度和液体成分等无关，这对实际的测量 是非常有利的。流量测量时最关键的是声时的测量，只要准确测出顺向和逆向 传播声时、t ：、声延时、乞及管道直径d 、声程三、换能器安装角度缈等， 就能准确求得管道内的流速u 及瞬时流量g 。 从上面的公式推导可以看出，推导的前提条件是管道中的液体流场要均匀 分布，在管道截面上每一点的流速都是一样的，而这只是一种理想状况，实际 应用中流场无论如何不能达到均匀分布，流场的速度分布不仅和流速、管道的 粗细、流量计的安装位置、管道的形状、流量计安装附近有无弯管等条件有关， 7 第2 章超声波热能农原理 甚至还和管道中的温度分布、管道表面的粗糙度等条件有关。因此，实际应用 中，流场的完全均匀分布几乎是不可能的。 在通常情况下，管道截面上的流速分布可以记做u ( r ，印，也就是说管道截 面的流速是距管道中心的半径，和截面内径向夹角0 的函数，而超声波流量计测 得的液体流速实际上是沿超声传播路径上的线平均流速u ，： u l = p ( ，o ) d l ( 2 7 ) 而要测得液体的流量，希望得到的却是沿管道截面的面平均流速u 。： u s2 j 11 | u ( r , o ) d s ( 2 8 ) 因此，用上述超声方法测得的液体线平均流速应该加以修正： u s = k 叱 ( 2 9 ) 式中，以称为动力校正因子，其值可由下式得到： 专肛哪 仁毒瓦 q 1 0 对于不同的截面流速分布，校正因子k 也会有所不同，考虑k 后的流量测 量公式变为： g ：7 r d 2 k c 三一( 上一上) ( 2 1 1 )口= i 一jk 么1 l ， 1 4 2 c o s o 、f l 一五t 2 一乇7 由于超声波液体流量计是用线平均流速来表征面平均流速，而在不同的流 场中线平均流速和面平均流速的关系有一定的区别，这种区别会直接影响到超 声波液体流量计的精度，故动力校正因子屯，对超声波液体流量计而言是一个很 重要的参数。根据大量实验提出的速度分布函数的半经验公式，当管道内流速 较小时，动力校正因子砧较小，当管道内流速增大，动力校正因子砭的变化在 1 范围内。 8 第2 章超声波热能表原理 2 2 超声波热能测量原理 2 2 1 超声波热能测量基本原理 采用超声检测技术，测出液体的流速及流量，再根据测得的进出口( 进水、 回水) 温度，经过密度和热焓值的补偿及积分计算得到热量值心。 其原理如图2 2 所示： 温度传感器p t l 换能器h 1温度传感器p t 2 进口 换能器h 2 图2 2 超声波热能表原理图 出口 图中，超声换能器h 1 、h 2 用于流量测量，温度传感器p t l 、p t 2 用于载 热液体进出口温度的测量。 测得管道内的液体流量g 后，再根据测得的热交换回路中的入口温度巧、 出口温度即可计算得到释放的热量值q 。热量的计算公式有两种形式，分别 为焓差法与热系数法。 2 2 2 焓差法 根据工程热力学原理，当流体流经采暖系统后，所释放的热量q 为： q = f ( h ，- h r ) d t ( 2 1 2 ) 式中： q 释放的热量，材 流经热能表中的载热液体的质量流量，堙s t 热交换回路中入口温度对应的载热液体的比焓值，u 姆 吃热交换回路中出口温度对应的载热液体的比焓值，u 堙 9 第2 章超声波热能表原理 r 时间，s 2 2 3 热系数法池1 q = r 后( 够一彰) d y ( 2 1 3 ) 式中： q 释放的热量，j 或k w h y - 戡热液体流过的体积，m 3 够热交换网路中载热液体入口处的温度，。c 鼠热交换回路中载热液体出口处的温度，。c 后热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的系数，j m 3 。c 或k w h m 3 。c 根据欧洲标准e n l 4 3 4 “热能表 ，热系数的计算可采用以下公式： 七：! 型i( 2 1 4 ) ve 广o r 式中： l ，比容，m 3 堙 y ：型丝 ( 2 1 5 ) p 式中： r = 4 6 1 5 2 6 d ( k g k 1 f 臼，( 当体积计量位置在入口处) l 毋( 当体积计量位置在出口处) 匕= 一啊。( 7 卜n - ) 1 1 - - | ( f 1 2 2 2 ) 以 ( 2 1 6 ) 其中：臻、4 为常数 1 0 第2 章超声波热能表原理 刀= 尸p + r 尸= 1 6 5 3 m p a ) f = 0 0 ( 0 = 1 3 8 6 k ) 可以看出，热系数是由焓差计算得来的，所以说焓差法和热系数法在本质 上是相同的。两种计算方法间的计算差别远小于热能表的误差限，所以采用不 同方法引起的计算差别是完全可以忽略的。但是在不同的情况下，应根据实际 情况考虑采用不同的方法： ( 1 ) 在测量过程中，为了计算方便，当流量传感器输出质量流量时，采用焓 差法计算；流量传感器输出体积流量时，采用热系数法计算。 ( 2 ) 相对于水的焓值和密度表，热系数表的数据量非常庞大，所以大部分出 版物都不可能提供十分全面的热系数表。例如热能表检定规程中，提供 了0 6 m p a 和1 6 m p a 下的从( 1 1 5 0 ) 。c 的水的密度和焓值，但只提供了 0 6 m p a 下，进口温度从( 5 0 9 5 ) 。c ，出口温度从( 5 - - 9 4 ) o c 的热系数。所 以很多热能表生产厂家采用焓差法来计算热交换量。 采用热系数法计算时，应注意热系数表对应的流量计量位置是在热交换回 路的入口处还是出口处( 如j j g 2 2 5 2 0 0 1 热能表检定规程附录中的热系数表 对应的流鼍计量位置在出口处) ，如果与实际的流量计量位置不同，则需要对测 得的流星进行密度修正。 根据质量守恒定律： , o s = v r p 式中： ”热交换回路入口处测得的流量，m 3 圪热交换回路出口处测得的流量，m 3 p ，热交换【口1 路入口处载热流体的密度，k e , m 3 屏热交换回路出口处载热流体的密度，堙聊3 所以： 9 = r ( 0 钞( 够一o , ) a v r 或： q = r ( 砖争蚂吲d _ ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 第2 章超声波热能表原理 式中： t 一一体积计量位置在热交换回路入口处时的热系数， 七形办朋3 o c 屯一一体积计量位置在热交换回路出口处时的热系数， 尼办聊3 o c ，朋3 。c 或 ，所3 。c 或 所以说，如果实际的流量测量位置与热系数表的流量计量位置不一致，就 会引起误差，如流量计量位置在入口处，而查得的热系数对应出口处时，将会 对热量值引起误差： = ( 丛一1 ) 1 0 0 p f 此时，这个误差是不能忽略的。 2 2 4 影响超声波热能表测量精度的因素与解决方法1 从超声波热能测量原理可以看出，影响热能测量精度的因素或误差来源主 要有： ( 一) 几何尺寸误差 ( 1 ) 换能器间距离( 或声程) 三 声程三的误差主要有：换能器安装时产生的距离误差厶、现场应用过程中， 由于温度变化及管道的热胀冷缩效应引起的距离误差a 厶、现场运行过程中， 由于换能器表面结垢引起的距离误差厶等几部分。 声程三产生的误差与其造成的流量测量误差成线性关系： g 址 一= 一 g 因此，声程三产生1 的误差将引起流鼍测量1 的误差。 厶引起的误差为系统误差，可以通过采用科学的安装方法和准确的测量 工具，确保换能器安装时的准确定位及距离的精确测量来减小。另外，通过 流量计的实流标定也可进一步消除厶引起的流量误差。鸲引起的误差一般较 小，可以忽略不计，a 厶引起的误差可以通过对换能器的定时清洗来消除。 ( 2 ) 声传播路径与管道轴线问夹角矽 1 2 第2 章超声波热能表原理 由于流最g 正比于二，因此夹角妒的测量误差缈将会引起较大的流量 c o s 缈 测量误差： a q ：辔( 缈) 矽= 辔( 缈) 矽 g 当缈= 4 5 0 时，t p 有o 5 0 的误差将会造成0 8 的流量测量误差，当缈= 6 0 0 时，矽有0 5 0 的误差将会造成1 5 的流量测量误差。 a t p 引起的误差为系统误差，可以通过换能器安装时角度t , o 的精确测量及流 量计的实流标定来修正消除。 ( 3 ) 管道直径d 管道直径d 的误差主要有：短截安装时的直径测量误差a o , 、现场应用过 程中，由于温度变化及管道的热胀冷缩效应引起的直径误差a d 2 、现场运行过 程中，由于管道内结垢引起的直径误差蛆等几部分。 由于流量印和直径d 的平方成线性关系，因此： 一a q ：三d q d 直径d 产生1 的误差将引起流量测量2 的误差。 a d l 引起的测鼍误差为系统误差，可以通过在测量短截的多个断面和方向 上测量管道直径求平均值，来提高直径的测量精度。另外，通过流量计的实流 标定也可以进一步消除a d i 引起的流量误差。 a d 2 引起的误差一般较小，可以忽略不计。a d 3 引起的误差和管道内的结 垢情况有关，结垢越严重，引起的误差越大。一般情况下，可以通过对管道的 定期清洗来消除其影响。 ( 二) 声时测量误差 从超声流量测量原理可以看出，流量q 可以近似地看成与顺逆向声时差 a t ：= f ：- t i 成线性关系，对于图2 1 所示换能器安装方式的直径d 为1 2 r a m 的 管道，当矽= 4 5 0 、c o = 1 4 0 4 m s 、u = 1 8 l i h 时，f = 0 2 8 n s ，此时，0 i n s 的声 时差误差测量将引起0 3 的流量测量误差。 ( 三) 密度及热焓误差 密度是温度的函数，热焓值与介质、介质温度及压力有关，其值可以从相 1 3 第2 章超声波热能表原理 关的热工技术手册中查得。实际上，在户用采暖系统中，进出口处温差不大( 约 几o c ) ，系统中进、出口处水的密度可以认为不变；压力变化也很小，水的热 焓值也可以认为不变。同样，压力变化对水的密度影响也可以不与考虑。因此， 只需测得液体的压力、进出口处的温度，并从相关数据表中查出对应的密度和 热焓值即可，其误差很小。 本章小结 本章主要讲述了超声波液体流量测量及热能测量的基本原理，分析了影响 测罱精度的各个因素，并对提高测量精度的方法作了讨论，为更好地解决检测 中的实际问题提供了研究方向。 1 4 第3 章超声波热能表系统的实现 第3 章超声波热能表系统的实现 前一章讲述了超声波热能表流量测量和热能测最的一些基本原理及影响热 能测量的冈素及提高测量精度的方法。本章主要介绍小口径超声波热能表的硬 件与软件实现。 对于小口径超声波热能表特别是户用型热能表，要求使用干电池供电，从 而使得其使用周期成本相对于其它热能表更低。不仅如此，小口径超声波热能 表的长寿命特性必然会将供热改革所导致的社会成本降至最低。因此，无论从 经济的角度，还是从社会的角度，小口径超声波户用型热能表的研制都为我国 的供热改革、分户计量提供了一种可持续发展的解决方案。 3 1 超声波热能表的结构及功能 超声波热能表的结构、功能主要分为三部分：( 1 ) 传感器( 一次表) 部分， 包括一对或多对超声波换能器、二个铂电阻温度传感器，( 2 ) 热能表测量装置 即电路( 二次表) 部分，及( 3 ) 接口部分，如图3 1 所示： 温度侍感器1 温度传感器2 超声换能器 信感器部分 图3 1 超声波热能表测量系统 计算机 图中，第一部分为传感器部分，其中每个超声换能器都能发射或接收超声 波，个温度传感器分别测量进水口和出水口的温度。 第_ 部分为电路部分，由于要求研制的热能表功耗极低，正常工作时只有 几百微安最多几毫安，因此，经过大量的调研及试验，最后采用了德国a c a m 公 1 5 第3 章超声波热能表系统的实现 司生产的t d c - g p 2 时间转换芯片及m s p 4 3 0 单片机，并且超声发射电压只有3 3 v 。 第三部分为接口部分：具有r s 2 3 2 串口输出及脉冲输出功能，便于用户和 热能表连接，且接口连接时从外部接口取电或采用无线光电传输方式。 热能表的核心是传感器、单片机模块及t d c _ _ g p 2 高精度时间测晕模块。热 能表可实现所有计算功能，能单独使用，也可通过接口将数据传给计算机或其 它上位机。 连接上位机后，可通过上位机对热能表进行设置参数的读取、修改。也可 读取热能表的测量结果，实时显示测量数据及图表，以方便观察及实时存储关键 数据。 3 2 换能器的设计与研制 超声换能器是超声波热能表的重要组成部分，是进行能量转换的器件。 超声换能器具有发射声波和接收声波的功能。超声换能器的主要换能部件 是压电晶片，根据用途的不同，可以分为圆弧形、平板形、球壳形、棒形和管 型等。本文中采用平板形晶片。 对于超声波热能表，换能器的安装有多种方式，如下图3 2 所示： 换能器1 嚣2 ( 2 ) 1 6 换能器2 第3 章超声波热能表系统的实现 换能器1换能器2 ( 3 ) ；7 ij l ( 4 ) ( 5 ) 图3 2 换能器安装结构示意图 一般来说，换能器的通道数越多，结构布置越合理，流场对流量测量的影 响也越小。本文中，由于测量管道的口径很小，一般只有十几毫米，并且研制 的热能表要求用干电池供电，因此采用了图中( 1 ) 所示的对穿型方式，并且为 单通道。 1 7 第3 章超声波热能表系统的空现 虽然换能器的发射频率越高，测量精度也越高，但由于频率越高时声信号 的衰减也越大，因此，从折中考虑，换能器中采_ i j j 了频率为l5 m i z 的发射、接 收型晶片，晶片直径为1 0 m ， 圈33 为安装超声换能器后的测量短管实物图： 圈33 测量短管实物圉 33 超声波热能表的线路设计与实现 3 3im s p 4 3 0 简介 热能表采用的微处理器( 单片机) 为t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 3 7 ”“。它有6 种工作模式，分别是活动模式( 删) 、低功耗模式0 ( i p m 0 ) 、低功耗模式1 ( l p m i ) 、 低功耗模式2 ( l p m 2 ) 、低功耗模式3 ( l p b l 3 ) 、低功耗模式4 ( l p m 4 ) 。在3 v 电源 下各模式的电流消耗的典型值分别为( 除了l p m i ) ：3 4 0 , u a ，7 0 , q a 1 7 , u a ， 2 肌4 ，0i , a a ，功耗都非常低。当工作在低功耗模式l p m 0 l p m 4 时，因为禁 j - c p u 及时钟工作，达到r 降低屯流消耗目的。如果禁止外围模块，则可以进 一步降低总电流消耗。外围模块的工作与否不受c p u 影响，它们由各自的控制 寄存器挣制。 m s p 4 3 0 可存l8 36 v 低电压下工作，热能表采用t i 公司推荐的33v 工作电压，由电池供电。m s p 4 3 0 在c p u 外使用1 个钟表晶体振荡器生成辅助时 第3 章超声波热能表系统的实现 钟a c l k ，能够保证一些低频率应用场合的要求。对于一些低频率工作的外设可 直接作为信号源或时钟，同时在c p u 内部使用结合数字控制振荡器d c o 的f l l 技术，将a c l k 倍频升高，作为系统的主时钟m c l k 。它使得指令能够在较低晶 振下获得高时钟的运行速度，能够满足高速实时的要求。高、低频率之间的切 换只需6 脚。 图3 4 为m s p 4 3 0 f 4 3 7 单片机的结构示意图： 牖x 0 扩仃c “脚c c 科獭脯脚妻铺静潮玛凫玛 一 卅狞 3 3 2t d c - g p 2 简介 图3 4m s p 4 3 0 f 4 3 7 单片机结构示意图 t d c 即时间数字转换器。t d c - g p 2 啪3 是德国a c a m 公司t d c 系列的新一代产 品。它具有超高的精度和小尺寸的封装，尤其适合于低成本的工业应用领域。 t d c g p 2 具有高精度时间测量，高速脉冲发生器，停止信号使能，温度测量和 时钟控制等功能，这些特殊功能模块使得它尤其适合于超声波流量测量和热量 测量方面的应用。这款芯片利用现代化的纯数字化c m o s 技术，将时间间隔的测 量量化到6 5 p s 的精度。 图3 5 为t d c g p 2 芯片内部原理图： 1 9 第3 章超声波热能表系统的实现 o d o r t 一 e 矗s t a f t s d 1 一 h s t o d l 一 日一瓣= “j 柳一 5 目脚一 1 r 1 4 一 ，t 3 一 盯2 一 f t i 一 一。一i 1 ! 曼巳! 塑器 札u 量釜_ l = - 。 2 单壹一 们一 i 医“二耋 星 图3 5t d c - g p 2 芯片内部原理图 | r s t n 从图中可以看出，g p 2 内部集成了非常多的适用于超声波流量热量测量的 功能。 t d c - g p 2 利用信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时间间隔，如图 3 6 ： 升 图3 6 时间数字转换原理 也就是说，t d c - g p 2 计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，或 者在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。t d c 具有非常智慧的电路设计， 2 0 裂0 上黯q 徽 k c t c b一，c”m譬儿 第3 章超声波热能裹系统的实现 担保器件莆i 在芯片上的特殊的布线方法使精确而相等的逻辑门时间延迟成为了 现实。测量结果的精度非常严格地依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。 测量精度从4 0 p s 到1 0 0 p s 可以通过简单的测量内核以及现代化的c m o s 技术达到。 由于传播延迟本身是与温度和供电电压有关的。因此测量值必须经过校准。 校准通过测量一个和两个参考时钟的周期完成。如图37 所示： r1r _ m r e “f | | | li m 一 冒= 二至三 ：卫蠢 广 广 图37t i ) c _ g p 2 时问测量及校准示意图 t d c - g p 2 的单次时间间隔测量的典型精度为6 5 p s ，也就是说内部通过1 个逻 辑门的时间被确定在大约6 5 p s 。 假设被测管径l o o r m ，流量为7 0 l m i n ，以及下面给出的参数：流速v = 0 1 4 8 5 s ，声程l = 01 4 1 4m ，液体静态声速c 。= 1 8 0 0m s ，此时，顺逆向的声时差 at 1 32n s ，以g p 2 的6 5 p s 精度测量所获得的流量测量精度将町以优于o5 。 t d cg p 2 具有非常好的数据统计特性。它的内部集成了一个噪声单元这个 噪声单元的主要日的就是为了在多次测量取平均值的时候可以最大限度地消除 噪声。由于量化误差通过普通平均的方法是没有办法消除的，因为最小的量化 阶越已经同定，平均只能虽高达到揖小量化阶越的精度，那么通过这个噪声单 元的引入( 即被测时间宽度引入小的随机变化) ，使平均后的精度能够达到甚 至低于量化阶越的精度。 通过时间测量数据的多次平均，可以使得在测量很小流量的情况下同样可 阻得到非常好的流量测量精度。 图38 给出了t d c 一6 p 2 在不同温度范围情况下流量剃慑的精度落点： 第3 章超声波热能表系统的实现 ”17 嚣篓 ，l ! ! ! ! ! _ ，。i i ： 融卜# ： 二二二二二：二：二二二：二二： * 一一 一 m 图38t d c g p 2 在不同温度范围情况下流量测量的精度落点 图中，误差数据足用t d c g p 2 开发 j 来的实际超声波流量测量系统所测得的，从 图中可以看出，在大流罱的情况下在任何温度范围情况下测量的精度都可以 保证在1 之内，在小流量的情况f ，钡i 最精度在25 之内。 下面介绍t d c _ g p 2 测量的节能优势： t d cg p 2 的个非常大的优势就是超低的电流消耗。因为t d cg p 2 将测量以 脉冲的形式来进行，尤其是在超声波测量中如图3 7 所示，t d c 的核心测晕单 元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量s t a r t 信号上升沿到下一个参考时钟上 升沿和s t o p 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时问则由记录基准 时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。 在超声波热能表的设计中，由于应片 t d cg p 2 进行设计，大大的降低了系统的功 耗，可以使用小号的锂电池来代替通常使用的大号d 型电池。 t d cg p 2 测量系统的各部分功耗： 1 ) 时间测量 3 27 6 8 k h z 由微处理器提供，小于o5 ua 。 4 州z ：低电状态为0ua ，激活状态为2 7 0ua 。 t d c ：非激活状态为 - - j 上的关心和精神上的鼓励，使我愉快的度过我 的研究生生活。在我两年多的硕士研究生学 - - j 中，卢老师给了我极大的关心、 支持和帮助，使我在科研素质和工作能力等方面都有了很大的提高。在此对卢 老师表示深深的谢意! 感谢宁波华涛仪表有限公司的各位工作人员对小口径超声波热能表的研制 项目提出了宝贵的意见，给我的工作提供了巨大帮助。 论文完成过程中，还受到了鲍丽莎硕士、王凯硕士等的帮助和支持，在此 我谨向他们表示