高精度低成本超声波热能表的研制

　　伴随着我国关于建筑、 节能等法律法规的推出，热能已成为商品，热能表的使用已经成为必然趋势。 然而由于传统热能表存在着种种弊端，使热能表的推广受到了限制。 本设计就是在克服了传统热能表易损坏、精度低等缺点的基础上，采 用超声 波技 术，研 制出的 新型 高精度、低功耗、经济适用型超声波热能表。本设计的核心部 分—数 据 采 集 部 分 ， 是 由 德 国 ACAM 公 司 设 计 的TDC -GP2 时间转换芯片来实现 。 也正 是由于 使用 了此芯片，才能使热能表的精度达到 PS 级。

　　1 系统总体设计

　　超声波热能表是由超声波换能器、温度传感器和微处理器组成的智能仪表， 由于仪表的测量管径较小，流速较低，而且整个仪表设计采用单一锂电池供电，因此，小流量超声测量电路和低功耗设计是系统设计的关键，同时还要保证测量的精度需求，这也正是本系统的优点。高精度、低功耗超声波热能表的硬件电路主要由以下几个部分组成:微处理器芯片、时间转换芯片、超声波流量测量电路、温度测量电路、显示电路、供电和电源管理电路以及 RS-485 通讯电路等。 整个系统的结构图如图 1 所示。

　　2 超声波流量 、 热量测量原理及电路设计

　　由图 1 所示，热能表的流量测量是由顺逆 2 个换能器运用时差法得出的。 下面对时差法的基本原理做一简单的介绍[ 1-2]。

　　图 2 为超声波时差法原理示意图。 顺流换能器和逆流换能器，分别安装 在流 体管 线的两 侧 ，并 且相距 一定的距离 ，管线 的内直 径为 D，超声 波行走 的 路 径 长 度 为L ， 超 声 波 顺 流 时 间 为 T上 游， 逆 流 时 间 为 T下 游， 超 声 波的传播方向与流体的流动方向来角为 θ，流体的流动速度为 V。 由于流体流动的原因，超声波顺流传播 L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用式(3)表示。

　　为了简化计算，可以假设流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常 微小 的 ，可 以忽略 不计 ，因此可以将(3)式简化为：

　　需要特 别强 调的一 点是 V 是流 体沿着 管道 中 心 线的线速度，考虑到液体流速沿管道直径的不均匀分布情况，还需要加 1 个流速(分布)修正系数 K。 则瞬时流量的公式为：

　　求得瞬 时流 量后，在 超声 热量 表中，热 量 的 积 分 计算 采 用 欧 洲 流 行 的 K 系 数 法:设 测 得 进 水 管 的 水 温 为T1 ， 出水管水温为 T2 ， 则进出水的温度差为 △T ， 利用流量 传 感 器 对 供 水 管 道 的 瞬 时 热 水 流 量 Q 进 行 计 量 ，经过一定时间的累计，便 得到 用户消 耗的 热量值 ，其数 学表达式为：