超声波热量表技术研究报告Word格式文档下载.docx
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再根据管段的截面积和时间得出瞬时流量（m3/h）
Q=∏*D*D/4*V′*3600
（2-2）
注：
此处V′和V稍有差异，在后文有说明。
3）、流量测量设计中所碰到的问题及解决方法
3.1声延时
3.1.1声延时的影响
我司在超声波热量表实际应用时发现，由于实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2，包含了电路、电缆、以及换能器和声楔等产生的声延时a1、a2，因此必须扣除其影响，则瞬时流速（m/s）公式2-1可改写为：
V=L/2*（（t2-a2）-（t1-a1））（（t1-a1）*（t2-a2））
（3-1）
液体流量测量最关键的是时间的测量，在已知管道直径D、声程L的情况下，只要准确测出顺流和逆流的传播时间t1、t2以及声延时a1、a2，就能准确求得管道内的液体流速V以及瞬时流量Q。
3.1.2如何测量声延时a1、a2
（1）在已知声程L和温度T的情况下，通过查表得到T所对应的超声波在管道内液体静止时的液体声速C，则对应的超声波在声程L中传播的时间tL=L/C，然后用实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2减去超声波在声程L中传播的时间tL，便可得到声延时a1、a2，计算相关公式如下：
tL=L/C
（3-2）
a1=t1-tL
（3-3）
a2=t2-tL
（3-4）
（2）通过测量超声波发射脉冲的一次回波和二次反射回波的时间（声时），得到声延时a1、a2。
假设在顺流中测得的一次回波的时间为t1，二次反射回波的时间为t1′，对应的超声波在声程L中传播的时间tL，则：
t1=tL+a1
（3-5）
t1′=3*tL+a1
（3-6）
由公式3-5可得：
3*t1=3*tL+3*a1
（3-7）
由公式3-7与公式3-6相减可得：
a1=（3*t1-t1′）/2
（3-8）
在逆水声延时a2的求得如上类似。
说明：
在实际测量中，因为时间差的单位为ns级，而t1、t2的时间单位为ms级，公式2-1中的（t2－t1）（t1*t2），设计中在流速较小的情况下不考虑声延时，但在流速较大的情况下加以考虑。
还有管径较小的情况下也加以考虑，因为管径小随之声程也会小，因此t1、t2的时间也会相对大管径的时间要小。
因此我司在热量表生产过程中，采用第一种算法，设置口径和流量标定时，在软件算法里，对相对应的口径和流速进行延时补偿。
3.2液体流场的不均匀分布
3.2.1流量的修正原理
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，在管道截面上的每一点的流速都一样的，而这只是一种理想状况。
我司在实际应用中发现，流场无论如何不能达到均匀分布，流场的速度分布不仅与流速、管道的粗细、管道的形状、管道表面的粗糙度、流量计的安装位置、流量计安装附近有无弯管等条件有关（有生产工艺和现场安装位置决定），甚至还和管道中液体的密度、液体的运动粘度等条件有关。
因此，实际应用中，流场的完全均匀分布几乎是不可能的。
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速度V，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V′。
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。
则：
V′=K*V
（3-9）
根据公式2-2和公式3-9可得实际瞬时流量（m3/h）:
Q=K*∏*D*D/4*V*3600
（3-10）
液体流速在管道中的实际流场可分为层流、过度流和紊流，而这三种流场的状态是由雷诺数Re决定的，雷诺等人实验表明：
液体流场状态不仅和平均流速V有关，还和管径D、液体的动力粘滞系数u和液体的密度p有关。
以上4个参数可组合成一个无因次数，叫雷诺数，用Re表示。
Re=V*D*p/u
（3-11）
在式中液体的动力粘滞系数u和液体的密度p还与管道中液体的压力和液体的温度有关，在已知管道中液体的压力和液体的温度，便可通过查表获得液体的动力粘滞系数u和液体的密度p，因此修正系数K的大小也必须由雷诺数Re决定。
3.2.2真实流量的修正
上面提到修正系数K的大小是由雷诺数Re决定的，但是雷诺数Re的值是由平均流速V，还和管径D、液体的动力粘滞系数u和液体的密度p决定的，而且不同的管道结构、不同管径d处在不同的流场状态（层流、过度流和紊流）所对应的雷诺数Re是不一样的。
真实的流量修正首先必须测量出液体的管道中的温度（在压力一定的情况下），根据温度查表获得液体的动力粘滞系数u和液体的密度p。
然后根据实际的管道结构和管径判断出流场状态（层流、过度流和紊流）所对应的雷诺数Re，最后根据Re的值计算修正系数K的值。
（因公式3-11中的V是平均流速，而实际测量的流速是超声传播路径上的线流速，但是线流速也可以参与计算，只是雷诺数Re的值对应的流场状态有所改变。
不影响真实的流量修正）
我司经过大量的实验，把不同管径的流场状态（层流、过度流和紊流）所对应雷诺数Re的值找出来，并制成表格。
在设计软件时，可以通过仪表设置管径，根据不同的管径查找该管径流场状态所对应的雷诺数Re，然后再根据Re计算该管径的修正系数K。
使超声波热量表在实际测量时平均流速V无限接近真实值。
3.3超声波传感器安装位置的准确性
3.3.1传感器安装位置准确性的原因
由于超声波流量计是通过测量沿超声传播路径上的线平均速度，来获取的流量。
假设两个超声波传感器的安装位置不在一条直线上，则测量时将会产生很大的误差。
因此必须对两个超声波传感器的安装位置的准确性作出判断。
3.3.2传感器安装位置准确性的判断方法
由于仪表可以准确的测量出真实顺流和逆流的传播时间t1、t2，则超声波在管道内静止时的液体传播时间t静为：
t静=（t1+t2）/2
（3-12）
已知两换能器之间的传播声程为L，如果知道液体的温度，可通过查表获得超声波在静止液体中声速C，一般情况下，超声波测量液体流量时，不对温度进行检测，对于常温水一般取20℃来对应超声波在静止液体中的声速，即1482.3m/s。
t静=L/C
（3-13）
将公式3-12除以3-13，可得一个百分比数据：
（t1+t2）/2/L/C
（3-14）
我司设计工艺上规定，只有传输时间比在97%～103%范围内才认为认为传感器安装位置正确，否则为不合格品，必须重新安装传感器或者重新生产铜管。
4）、热量计量原理
将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表采集来自三路传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。
热量表系统原理图如图2所示。
图2热量表热量计量系统原理图
热量的计算公式为：
……………………………………………………
（1）
式中：
Q—释放（或吸收）的热量值，单位：
J;
qm—流经热量表中水的质量流量，单位：
kg/h;
qv—流经热量表中水的体积流量，单位：
L/h;
—流经热量表的水的密度，单位：
kg/m3;
△h—热交换系统中入口温度与出口温度下对应的水的比焓值差，单位：
kJ/kg;
t—时间，单位：
h。
说明
✓温度及密度为非整数时，进行了插值修正；
✓基于功耗考虑，在正常运行模式下，计算器每4秒测量一次当前的流量、入口和出口的水温，并作为后继4秒时间内的热量功率。
5）举例热量计算过程
热量表开始时显示数据：
时间
当前累积热量值
2012年1月1日13时40分00秒
100KJ
并且此时计算器测量水温、流速：
当前入口温度
当前出口温度
当前流速
50
44
1m3/h
计算器查内部标准可知：
50度水的密度：
988.25Kg/m3;
焓值：
209.85；
KJ/Kg；
44度水的焓值：
184.77KJ/Kg;
55度水至44度水的焓值差为：
209.85－184.77＝25.08KJ/Kg
则从2012年1月1日13时40分04秒到2012年1月1日13时40分08秒之间的每小时热量值为：
988.25×
1×
25.08＝24785.31KJ；
热量表4秒后的累积热量值显示为为：
100+24785.31KJ/3600×
4=127.53KJ
即：
2012年1月1日13时40分04秒
127.53KJ
根据客户需求不同，也可以采用KWh单位显示。
2、方案论证
我司的热量表发展历程中，实际上是一个寻找“防堵塞”“精度高”“寿命长”产品的过程。
从机械表到超声波表；
从对射式超声波表到中轴反射式超声波表，一次次的产品更新换代，都是在围绕解决“防堵塞”，提高热量表使用精度，延长热量表使用寿命做工作的。
1）、我司在早期生产了一小批机械单流束表，并取得了CMC证书。
机械单流束表，如下图示。
这款产品最大的优点：
一是成本低，消费者容易接受。
二是不惧怕浑水及颗粒杂质的堵塞。
缺点：
一是叶轮轴发生偏转性磨损，导致应用寿命较短；
二是叶轮易挂、卡、缠绕“线状”污物，使的应用寿命没有保障。
机械单流束表示意图
我司在实验室里模拟实际环境，做了长时间的老化测试：
在70度水温环境下，在循环水中加入一些无机酸、碱，24小时一直最大流量循环跑水，试验发现，叶轮轴在100天因为腐蚀和磨损，造成测量精度平均下降0.5％,150天平均下降0.82％，（试验热量表为DN20，数量8台），因此我司取消了机械表的后续生产。
2）、我司当时同步进行了“对射”方式超声波热量表的试制，如下图所示：
这款产品的优点是：
在信号传播过程中没有“折射”性损失，传播质量较好；
但存在着不可解决的问题。
由于进水端换能器与被测介质在入口介质流动方向上形成一个夹角，这个“夹角”对转换器而言是一个污物沉积区。
当流经腔体的循环介质含有泥、砂、絮装物、悬浮物等浑浊污物时，这些物体不能被“流体”全部冲刷带走，污物被沉积在这个夹角沉积区内。
当时为了验证污物沉积区到底对产品的测量存在多大影响，我司做了专门的试验，在50度的循环水中，100Kg水放置3Kg一些泥土和微小颗粒的砂（按比例），使用小流量进行24小时循环测试，试验结果发现，仅仅30天，在夹角处就有了污物沉积区，测量信号衰减约30％，平均精度下降0.6％。
（试验热量表为DN25，数量6台）。
因此换能器部分必须经常拆卸清洗，而且清洗后必须重新标定，不便于大规模的运用，因而公司当时放弃“对射”方式超声波热量表的后续生产。
3）、我司通过试验证明“对射”方式的产品存在着不可解决的缺点后，马上转向了对“反射”方式产品的研发、生产、销售及试点等工作。
在结构上，“反射”方式的产品，可分为“管壁式”反射和“中轴线”式反射两种。
管壁式反射如图所示：
特征：
换能器发射后的信号，通常是以管段内壁自身反射镜、并且只有一个反射点，在经过一次反射（折射）后，信号被另一只换能器所接受，从而完成一个信号的传播过程。
优点是：
由于管径内没有反射镜专用支架存在，管道空间畅通无阻，所以压损较小、防堵塞性能较好。
这是该款产品的最大亮点或卖点。
但是存在如下的问题：
根据流体学原理可知，流体在管道内的流速，随截面分布的不同，其流速大小亦不同。
其中，中轴线上流速最快，越靠近管壁流速越慢，管壁处的流速是零，所以管壁上很容易结垢、结晶。
这样，日积月累，导致有效信号逐渐衰减。
所以，依靠管壁本身做信号反射镜的产品，使用寿命较短。
由于V型自身结构决定，在换能器底平面与内壁管径沿线之间存在着一个凹形窝如图所示：
由于这个“凹形窝”存在，将给V型反射方式带来致命的弊端：
正常安装时，“凹形窝”会聚集很多的气泡、悬浮物，从而影响信号传播质量；
如倾斜安装，“凹形窝”将成为污物沉积区，污物沉积在“凹形窝”时很难被介质流体冲走，导致计量精度逐渐下降，使用寿命较短。
当时为了验证以上两种现象，我司做了专门的试验，
在50度的循环水中，100Kg水放置3Kg一些泥土和微小颗粒的砂（比例）和一些悬浮颗粒，热量表水平安装，使用小流量进行24小时循环测试，试验结果发现，50天后，在管壁底处就有了污物沉积区，测量信号平均衰减25％左右，平均精度下降0.4％。
（试验热量表为DN25，数量12台），将流量台两头封住，水流截止，打开换能器，发现在“凹形窝”处有一些悬浮颗粒。
在50度的循环水中，100Kg水放置3Kg一些泥土和微小颗粒的砂（比例）和一些悬浮颗粒，热量表倾斜30度安装，使用小流量进行24小时循环测试，试验结果发现，50天后，在下“凹形窝”处就有了污物沉积区，测量信号平均衰减20％左右，平均精度下降0.3％。
（试验热量表为DN25，数量12台）。
因而公司当时放弃“管壁”方式超声波热量表的后续生产。
4）为解决耐磨、污物沉积、气泡等问题，提高热量表使用寿命我司研究出了中轴反射式热量表。
中轴线反射如图所示：
反射镜面与流体流动方向呈45°
角，并通过专用支架被固定在流速最快的管道中轴线上。
由于无机械结构，耐磨;
测试通道在水流中间，而且冲击倾斜反射面，沉积物相对影响减小很多；
而且换能器测试界面与管道平行，不会存在气泡和悬浮物累积，所以信号衰减很小。
所以，安装要求就可以降低，从而提高产品使用的适应性。
三、技术特点与创新点
1、技术特点:
1）、进行流量全量程的流量补偿：
每种口径的热量表进行流量全量程的流量补偿，确保热量表在等温度下的准确度。
根据我们公司多年热量表研发经验：
热量表的流量准确度受到基表的影响很大，而且流场曲线并不是线性变化。
在进行流量测量、计算时我们采用分段线性拟合，并针对我们的基表和换能器部分的参数进行严格的配对，引入热量表全量程的流量补偿，补偿点多达50个，并且在小流到分界流量点之间更是有25个点补偿点之多。
虽然校表过程中，我们以5个标准流量点作为校表基准，但由于程序内部已包含各补偿点的对应关系，最终实现了不管是在过载流量点、分界流量点、最小流量点，还是在流量点之间的其他值都满足国家规范中对准确度的要求。
2）、进行温度补偿：
在热量表检测过程中，影响最大的因素就是温度。
水温会产生超声波声速的变化，会使热量表差生膨胀进而影响截面积、声程等，也会使流过的同样体积的水带有不同的热能，为补偿这些变化，在设计中增加了温度补偿。
由于本产品实际每5℃约产生计量偏差1%，因而本产品按5℃间隔设定温度补偿点，中间的温度差值计算。
同时由超声波在74℃左右为声速拐点，因而在70℃-80℃之间以每2℃设一温度补偿点。
当热量表在温度（4～95）℃范围内进行温度了补偿，确保了热量表在不同水温下的计量准确度。
3）、超低功耗：
由于热量表采用一次性锂电池供电，为保证使用年限，本产品采用低功耗器件进行研发，包括TI公司16位低功耗MSP430单片机作为主CPU，德国ACAM公司设计的TDC-GP2时间转换芯片，并进行分时工作，从而保证功耗低于10uA；
一节3.5Ah锂电池理论可用年限：
2.8×
1000000/10/24/365=31.96年
注：
电池的自放电为每年衰减约1％，电池在2.7V进行低压报警，所以我们计算时使用2.8Ah，根据理论和我们做过的电池试验，能保证产品使用时间8+2年。
系统程序主要由主程序、中断服务程序和一系列的功能子程序组成。
其中主程序主要完成系统的初始化、校准、数据计算与存储和开中断等；
系统的测量、数据交换等通过中断来完成。
另外，基于MSP430单片机是建立在低功耗的基础上，而系统的功耗正比于CPU的工作时间，所以程序设计时尽量缩短CPU运行时间，利用MSP430的各个工作模式，进行合理的切换。
另外，利用I/O口对模块供电进行控制，即根据工作的需要接通相应的功能模块电源。
通过对程序结构的设计，对流量的计算还有对温度的测量都不是需要CPU持续工作来测量的，甚至于每次执行之间的间隔是相对较长，同时这些操作任务可由CPU高速运行时短时间完成。
进而避免了CPU在有效运行后的长期处于等待状态，程序结构设计中，在完成测量后要进入低功耗模式LPM3（1uA以下），由定时器或外部中断唤醒，这样极大地降低了系统的待时功耗，做到系统有效运行和电路动态运行时才消耗电流。
同时充分利用CPU内的定时器实现按键和显示程序的延迟，尽量避免指令循环延时；
作为主CPU，MSMP430内部拥有32KFLASH储存器，125ns指令执行时间,能极大满足产品开发要求。
测量芯片采用德国ACAM公司全球领先的专用时间测量芯片TDC-GP2，完全适用于时间、相位、频率和被动传感器的测量，具有高精度、短时间、低功耗优点。
测温部分采用JUMO的铂电阻作为温度传感器，可以有效的提高测量的精度和可靠性。
根据前面的介绍可知超声波热量表检测的声波时间差，这个时间差在3μs以内，因此需要高速数据处理的MCU，另外在声波发射和接收的时间点的选取和抗干扰方面的考虑，我们产品引入了流量专用芯片。
最重要的是采用严密的算法，检测时，提供芯片电源，不检测时就切断流量芯片、触发器、比较器等芯片的电源。
因为热量表的检测对电源电压稳定性要求特别高，故我们引入超低功耗的MSP430芯片，做到了静态时功耗在10μA以内，工作时功耗小于500uA（每次时间小于50uS），这样确保了热量表的长期运行的要求。
通过使用严密的算法，低功耗器件以及进口流量专用芯片，做到超低微功耗设计。
4）、多种通讯接口：
同一热量表，多种通讯接口，满足市场的要求
目前国内，不同地区对热量表的认知度不同，计量要求并不完全统一，在项目的实现上很具有地方特色。
在这样的环境下，我们热量表设计上存在两种抄表模式：
M-BUS和红外抄表。
这样就实现了市场对产品不同要求下，满足对产品的一致性和生产效率的要求。
5）菜单分客户：
热量表的使用菜单分客户使用
针对国内的具体情况，热量表实际使用者是普通的群众和物业管理者。
针对这类人群，我们详细的做市场调研，并把与使用者密切相关的参数归到同一个菜单下，用户直接按压按钮就可直接看到自己购买热量表的实际运营。
热量表在进入市场前都要经过国家技术部门的检测和认可，这类人员专业性比较强，故我们把热量表与检测相关的参数归到另一个菜单下，并且需要在满足一定条件下才允许调用这类菜单。
这样的做法，使热量表使用简单，针对性强，便于热量表的推广。
6）、测量准确度高：
利用当前市面上最佳器件TDC-GP2时间转换芯片进行超声波时差计算，保证了测量的准确度。
同时，在充分理解GP2的性能基础上，辅助于管段设计，使进、回水时间差在全流量范围内值处于3nS~2000nS之间，避免了一些采用同样设计思路但时间差不合理造成数据溢出或分辨率不够的问题。
7）、外挂式结构：
积分仪能够与基表分离，方便施工安装，方便用户读数，在温度较高或较低时，可选择将积分仪安装在接近常温的环境中，让超声波热量表的使用寿命更长，不易老化。
8）、密封性：
内置一小袋干燥剂，解决由于积分仪内部中空气中的水分，在热量表使用过程中由于高温升华，凝结在显示屏上的问题。
为保证热量表的密封效果，外界中空气中的水分不进入热量表中，我公司使用专门研发设计的硅胶密封圈，使其在-15至55度的环境中具有一定弹性，在长期使用过程中（8+2年）不被老化，同时在进行外壳盒盖时，拧螺丝工艺使用10Kg扭力的电螺丝刀以保证整个热量表的密封效果。
使其能在低温、潮湿的环境中长期使用。
9）、抗干扰：
模块使用硬件看门狗和软件看门狗结合的方法，即使在非常恶劣条件下，热量表也能及时复位工作，不会造成死机现象。
10）、陶瓷换能器：
热量表流量传感器选用PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷换能器，具有热温定性好、转换效率高（95%以上）的特点，保障热量表能长时间高精度，稳定的工作。
有专家说，当前热量表基本已成熟，但换能器最让人担忧的器件，作最关键的器件之一，换能器有一系列苛刻的技术指标。
它是个电容性质的器件，在众多的电子器件中以电容的精度最差，温度系数也最差。
因此，对温度系数的补偿至关重要，否则，定是影响测量的最严重的因素。
在小流量点附近有时能造成数十倍甚至上百倍的测量误差，特别是用时差法测量的电路，为此本产品设计中增加了补偿电路，以补偿其温度特性。
它是一个振荡源，超声波是由它发出的。
结构酷似压电陶瓷片喇叭上的发声器，它在水中最怕压力的变化，水压变化对于测量精度影响非常大，为此本产品所用换能器均经过3Mpa以上水压15分钟的打压测试，以确保换能器外壳的耐压等级。
它是一个信号
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