郭晨霞，王學(xué)斌，楊瑞峰，葛雙超

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西省自動(dòng)化檢測(cè)裝備與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051）

0 引 言

目前，我國(guó)雖然已經(jīng)大面積地使用集中供暖，但是收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不合理，按住戶的面積或者人口數(shù)收取供暖費(fèi)，有違交易的公平性，也不符合國(guó)家節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的措施。實(shí)行分戶熱量計(jì)量既符合國(guó)家節(jié)能減排的理論，同時(shí)也使得用戶可以彈性控制熱量的使用，促進(jìn)市場(chǎng)公平，激發(fā)用戶形成節(jié)能環(huán)保意識(shí)，提高能源的利用率[1]。

熱量表是通過將輸入和輸出管道的溫差和流量傳輸給計(jì)量裝置來計(jì)算消耗熱量的一種儀表，通過無線傳輸和表盤示數(shù)，可以清晰地讀出消耗的熱量。根據(jù)熱量表結(jié)構(gòu)和使用原理的不同，其主要分為機(jī)械式、電磁式和超聲波式[2-3]。其中，超聲波式熱量表的精度高、能耗小、適用范圍廣、耐用性強(qiáng)，已經(jīng)逐步替代前者，在我國(guó)廣泛使用，并成為冬季住戶使用的首選。目前國(guó)內(nèi)外主要采用積分儀系統(tǒng)來計(jì)量流量，但由于其開關(guān)不斷的切換，導(dǎo)致了測(cè)量的效率不高，精度偏低[4]?；谝陨显?，本文設(shè)計(jì)基于體積流量的超聲波測(cè)量系統(tǒng)，不僅測(cè)量效率高、精度高，而且成本低、體積小、功耗小[5]，對(duì)于我國(guó)冬季用戶供暖的熱量計(jì)量制度的推廣和使用有著重大的意義。

1 超聲波熱量表測(cè)量的原理及計(jì)算方法

1.1 超聲波熱量表的測(cè)量原理

如圖1所示，該儀表主要包含流量和溫度傳感器、積算儀等部分。在用戶家中安裝熱量表時(shí)，需要把配對(duì)的溫度傳感器分別安裝在熱交換入口和出口管道上，當(dāng)熱水經(jīng)過該系統(tǒng)時(shí)，流量傳感器可以測(cè)得一對(duì)換能器內(nèi)的超聲波在順流、逆流中的傳播時(shí)間差，間接得到流速，借此求出流量，然后發(fā)出流量信號(hào)；配對(duì)的溫度傳感器分別檢測(cè)出入口溫度并把溫度信號(hào)傳送到積算器，積算器把所得到的溫度、流量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到所消耗的熱量值，顯示到儀表盤供用戶讀取[6-7]；同時(shí)，超聲波熱量表含有遠(yuǎn)程抄表和遠(yuǎn)程通電能力。

圖1 超聲波熱量表原理圖

1.2 熱量計(jì)算方法

按照熱量計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀可知，通用方法包括K系數(shù)法與焓差法。基于熱力學(xué)理論可知，熱交換系統(tǒng)釋放（或吸收）的熱量算式為：

式中：Q表示釋放或吸收的熱量（單位：J或W·s）；qm，qv，ρ分別是流經(jīng)熱表的水的質(zhì)量流量、體積流量、密度，單位分別是kg/h，m3/h，kg/m3；Δh表示進(jìn)出口焓值差（單位：J/kg）；τ表示時(shí)間（單位：s）。

1.3 流量測(cè)量

由現(xiàn)有的流量測(cè)量法可知，可以選擇測(cè)量法有體積流量或質(zhì)量流量測(cè)量法。本文設(shè)計(jì)使用體積流量進(jìn)行測(cè)量，超聲波換能器采用U型安裝方式，如圖2所示。

圖2 U型安裝方式

圖2中，因?yàn)楣艿乐睆揭阎?，?duì)于流量而言，可等效為對(duì)介質(zhì)流速的測(cè)量，這種情況下，依托超聲波試差法就能實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量[8-10]。首先，由測(cè)量芯片UTA6901發(fā)出1列脈沖，然后由換能器接收將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ǎ诮橘|(zhì)內(nèi)進(jìn)行傳播，同時(shí)傳輸脈沖到UTA6901，通過UTA6901檢測(cè)發(fā)送脈沖到接收脈沖的時(shí)間間隔，得出水流速度。超聲波時(shí)差法測(cè)量原理圖原理如圖3所示。

圖3 超聲波時(shí)差法測(cè)量原理圖

超聲波順流、逆流傳播時(shí)間td，tu：

式中：c，v分別表示水中超聲波以及水流速度；L表示傳播距離。為避免c產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，以使所得結(jié)果更加準(zhǔn)確，將式（2）中td與tu相減相乘，得到v：

式中Δt表示時(shí)間差。根據(jù)流體力可知，管道截面各處流速存在差異，通常情況下，中間大邊緣小，故需加修正系數(shù)K，以得到修正后的流速v：

則由式（1）～式（4）可得到管道中的瞬時(shí)流量qv：

由于UTA6901檢測(cè)的是換能器延遲時(shí)間以及換能器至反射板間、兩發(fā)射板間的傳播時(shí)間。針對(duì)換能器延遲及其至反射板時(shí)間，前者能夠通過兩換能器密切對(duì)接測(cè)出，后者能夠按照介質(zhì)內(nèi)超聲波速度求得。故而，必須在程序內(nèi)把兩者補(bǔ)償?shù)?，只有如此，才能進(jìn)一步提高計(jì)算精度，避免出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。

1.4 溫度測(cè)量

按照實(shí)際情況考慮，經(jīng)綜合對(duì)比分析，本次最終選擇電容充放電法來處理，也就是根據(jù)各種阻值電阻向某個(gè)電容充放電，計(jì)算電壓花費(fèi)時(shí)間的，間接體現(xiàn)出阻值高低情況[11-13]。相關(guān)原理圖如圖4所示。

由圖4可知，首先將Rsens接入MCU的P口與模擬比較器輸入端（+）；Rref接入P口與相同的輸入端（+），并且由比較器輸入端相連一電容接地。這種情況下，可以利用P口兩端口進(jìn)行控制，由Rsens或Rref向電容充放電，那么輸入端（+）電壓隨之發(fā)生改變。若Rsens先充放電，Rref后充放電，因?yàn)镽sens，Rref阻值存在差異，所以造成其充放電時(shí)間有所區(qū)別，對(duì)應(yīng)曲線圖如圖5所示。同時(shí)將比較器輸入端（-）接入MCU中的0.25Vcc。在Rsens，Rref充放電過程中，始終會(huì)與參考電壓進(jìn)行比較，導(dǎo)致比較器輸出信號(hào)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，利用定時(shí)器捕獲翻轉(zhuǎn)時(shí)的對(duì)應(yīng)值，再讀取兩定時(shí)器的差值，便能確定電阻放電時(shí)間。若確定了Rsens，Rref放電時(shí)間，則對(duì)應(yīng)曲線接近直線，其電阻型傳感器的值Rsens為：

圖4 溫度測(cè)量原理圖

圖5 電容充放電曲線

2 超聲波熱量表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

超聲波熱表按功能劃分可分為以下幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制核心、超聲波收發(fā)、溫度測(cè)量、輸入/輸出、LCD顯示、電源等。通過不同模塊間有效連接與協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，解決測(cè)量的實(shí)際需求[14]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)利用MCU內(nèi)部定時(shí)器管理所有模塊工作時(shí)序。流量、溫度測(cè)量時(shí)間間隔分別是5 s，15 s。對(duì)于流量測(cè)量，通過MCU控制UTA6901內(nèi)部脈沖發(fā)生器提供激發(fā)脈沖，激勵(lì)一個(gè)換能器（發(fā)射部分），則另一換能器為接收部分，此脈沖信號(hào)也提供啟動(dòng)信號(hào)，促使UTA6901中的計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)。發(fā)射部分生成超聲波，依靠管道內(nèi)液體傳播至對(duì)面，一段時(shí)間后，接收部分就能收到超聲信號(hào)，生成一響應(yīng)電信號(hào)，完成過零點(diǎn)檢測(cè)，得到信號(hào)接收時(shí)間，并生成一穩(wěn)定的STOP信號(hào)，使得計(jì)時(shí)模塊停止工作。通過UTA6901寄存器內(nèi)部讀取此方向聲程中超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間，然后依靠MCU給超聲波收發(fā)模塊下達(dá)指令，促使兩換能器調(diào)換功能。按照上述流程，即能明確另一個(gè)方向聲程內(nèi)的超聲波信號(hào)傳播時(shí)間，接著依靠MCU完成信息分析與處理，確定流量值，用于顯示、保存與傳輸交互，形成一個(gè)完整的測(cè)量流量過程。對(duì)于溫度檢測(cè)來說，利用MCU控制UTA6901，打開溫度檢測(cè)功能，直接測(cè)量出電容放電時(shí)間，然后以MCU讀出該值，并通過溫度計(jì)進(jìn)行計(jì)算，便可獲得所需的溫度值，即此為溫度測(cè)量過程。超聲波熱量表的基表電路板如圖7所示。

圖7 超聲波熱量表基表電路板結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從功能角度來講，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序、中斷服務(wù)子程序兩方面。前者實(shí)現(xiàn)初始化動(dòng)作后，將處于低功耗狀態(tài)；另外一些任務(wù)包括時(shí)差/溫度測(cè)量和按鍵顯示等中斷事件，把主控制器由休眠狀態(tài)喚醒，再進(jìn)行流量、熱量運(yùn)算與保存結(jié)果，一旦處理完畢，便重新回到低功耗狀態(tài)。針對(duì)上述兩方面，可劃分出一系列模塊，經(jīng)歸納整理可知，具體包括系統(tǒng)初始化、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，如圖8所示。

由圖8可知，該系統(tǒng)的主程序核心功能在于實(shí)現(xiàn)不同模塊間的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)面向MCU和外部器件實(shí)現(xiàn)初始化設(shè)置，讀出存儲(chǔ)工具原有信息呈現(xiàn)給用戶，再結(jié)合初始值求出相關(guān)參數(shù)，最后重新回到低功耗模式，隨時(shí)響應(yīng)中斷服務(wù)程序，其通過主控制器調(diào)用，上電便會(huì)立即運(yùn)行，首要工作就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、參數(shù)、顯示和按鍵的初始化，以調(diào)用所需功能；中斷服務(wù)程序直接管理系統(tǒng)各工作時(shí)序，利用定時(shí)器功能劃分儀表不同模塊的任務(wù)，再向各個(gè)模塊的軟件標(biāo)志位置，進(jìn)而激活此模塊。經(jīng)綜合考慮，系統(tǒng)選擇單按鍵與LCD，前者可以滿足各項(xiàng)功能操作需求（不包含復(fù)位），接著基于按鍵時(shí)長(zhǎng)執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能，而LCD用來顯示熱量、累計(jì)流量、載熱液體入口溫度和出口溫度。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

超聲波熱量表測(cè)量裝置如圖9所示。

圖9 超聲波熱量表測(cè)量裝置

利用本文系統(tǒng)完成溫度及流量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行歸納整理和結(jié)果分析，詳情如表1所示。

表1 溫度測(cè)試結(jié)果 ℃

利用熱量表檢定裝置可以完成流量測(cè)試，二級(jí)表流量傳感器測(cè)試準(zhǔn)確度為WR，具體計(jì)算如下：

式中：qp為常用流量；q為使用范圍內(nèi)的流量。在此選用公稱直徑DN20的測(cè)試管道，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CJ128—2007、JJG225—2001，對(duì)其在45℃下進(jìn)行檢測(cè)，詳情如表2所示。

表2 流量測(cè)試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，該超聲波熱量表測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小，能夠滿足國(guó)家二級(jí)表測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本文系統(tǒng)功耗完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算，所得結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，熱表休眠狀態(tài)下，電流不超過5μA，工作狀態(tài)下，平均電流/消耗功率分別不超過7μA，0.1 mW。綜上所述，熱量表測(cè)量系統(tǒng)不僅精度高，成本低，而且在功耗方面也有很大提升，展現(xiàn)出良好實(shí)用性，可以滿足用戶實(shí)際需求，因此，值得深入研究與重視。

4 結(jié) 語

通過與傳統(tǒng)熱量表測(cè)量方案的比較，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，充分說明本文等優(yōu)點(diǎn)超聲波熱量表精度高、功耗低、測(cè)量成本低及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并解決了傳統(tǒng)熱量表使用周期短、成本高、功耗大、精度低等問題。說明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理可行，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，適合廣泛的推廣和應(yīng)用。