CN102252785A - 时差法超声波式热、冷量表及其计量方法 - Google Patents

Abstract

一种时差法超声波式热、冷量表及其计量方法，它包括由顺、逆流超声波换能器、两立柱和流量管构成的基表、进水口、出水口温度传感器、温度、时间测量模块、MCU处理器和LCD显示器，所述的温度传感器分别通过温度、时间测量模块与MCU处理器的对应温度信号端相连，顺、逆流超声波换能器沿流体方向设置，两立柱置于换能器的下方，换能器的信号输出分别与MCU处理器的输入端相连，MCU处理器的的信号输出端与LCD显示器的信号输入端相连。采用超声波热量表能有效的解决了因机械转动件的磨损而导致计量精度不精确的缺点。超声波热量表在使用过程中没有任何的转动部件和磨损部件，因此确保了其使用寿命和精度。

Description

时差法超声波式热、冷量表及其计量方法

技术领域

本发明涉及测量热量的仪表领域，尤其是按照热量计费的方法，具体地说是一种时差法超声波式热、冷量表及其计量方法。其完全符合国家城镇建设行业标准《CJ 128-2007》。

背景技术

目前，供热、冷计量收费改革在全国开展后，在广大北方地区及中部地区的供热，同时，南方地区的供冷计量用热量表的年需求量可达上百万套近千亿元的市场容量。传统的机械热量表具有使用寿命短测量精度低的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对传统的机械热量表具有使用寿命短测量精度低的的问题，提出一种时差法超声波式热、冷量表及其计量方法。采用超声波热量表有效的解决了因机械转动件的磨损而导致计量精度不精确的缺点。超声波热量表在使用过程中没有任何的转动部件和磨损部件，因此确保了其使用寿命和精度。

本发明的技术方案是：

一种时差法超声波式热、冷量表，它包括由顺、逆流超声波换能器、两立柱和流量管构成的基表、进水口温度传感器、出水口温度传感器、温度、时间测量模块、MCU处理器和LCD显示器，所述的进水口温度传感器用于检测供热、冷系统入户处的水温，出水口温度传感器用于检测供热、冷系统供热、冷后出口的水温；进水口、出水口温度传感器的信号输出端分别与温度、时间测量模块的对应温度信号输入端相连，温度、时间测量模块的时间控制信号输出端与顺、逆流超声波换能器的对应控制信号输入端相连，温度、时间测量模块与MCU处理器的对应温度信号端相连，顺、逆流超声波换能器均安装在流量管上，沿流量管内的流体方向依次设置，两立柱均安装在流量管内，分别置于顺、逆流超声波换能器的下方，顺、逆流超声波换能器的信号输出端分别与MCU处理器的对应时间信号输入端相连，MCU处理器的的信号输出端与LCD显示器的信号输入端相连。

本发明的量表还包括数据存储器和电压检测器，数据存储器的存储信号端与MCU处理器的存储信号端双向连接；电压检测器用于检测供电电池的电压，电压检测器的信号输出端与MCU处理器的对应电压信号采集端相连。

本发明的顺、逆流超声波换能器均为圆柱体形状，处于流量管的管道内液体的上方或侧面。

本发明的两立柱的上部均为反射面，呈45°斜面，两立柱的反射面相对设置。

本发明的立柱的反射面采用不锈钢材料制成，切割成45°坡面后经过抛光制成。

一种时差法超声波式热、冷量表的计量方法，它包括以下步骤：

(a)、首先，通过进水口温度传感器和出水口温度传感器，分别检测供热、冷系统入户处的水温和供热、冷系统供热、冷后出水口的水温，并将测量结果传送给温度、时间测量模块，通过温度、时间测量模块发送至MCU处理器；

(b)、MCU处理器通过控制温度、时间测量模块开启顺、逆流超声波换能器(2、3)，顺、逆流超声波换能器分别检测流量管内的沿流体方向的顺流时间T_顺流和逆流时间T_逆流，并将测量结果传送给MCU处理器，MCU处理器采用以下方程计算出流经流量管的水流速q_v：

$q_v=\frac{C^2\mathrm{\ΔT}}{2\mathrm{Lcom\θ}}$

C为超声波在水中传播的速度；ΔT＝T_逆流-T_顺流；

(c)、MCU处理器计算出的供热、冷系统释放的热、冷量：

                Q＝∫ρq_vΔhdτ

其中，Q：供热、冷系统释放的热量；

ρ：流经流量管的水的密度kg/m³；

q_v：流经流量管的水的流速m³/h，即步骤(b)得到的水流速；

τ：时间，即供热、冷量计算的积分时间；

Δh：焓值差，由进水口温度对应的焓值-出水口温度对应的焓值。

本发明的有益效果：

本发明采用超声波热量表有效的解决了因机械转动件的磨损而导致计量精度不精确的缺点。超声波热量表在使用过程中没有任何的转动部件和磨损部件，因此确保了其使用寿命和精度。

本发明的超声波小口径基表换能器采用“U”型反射法，采用“U”型反射法的优点在于：A.两只换能器始终保持在液体上方或侧面，不会有污垢沉淀在换能器上而导致测量精度的不精确。B.相对于直对射安装方法，“U”型反射具有受压力均匀的优点，而直对射安装则会有一只换能器始终受到水的冲击力而减少使用寿命。超声波基表结构采用不锈钢壳体，整只基表内不含有塑料结构。反射面采用不锈钢材料制成，反射面由圆柱体切割成45度坡面然后经过抛光制成。采用全自动压床压入不锈钢壳体内，具有密封性能。为了提供精度测量分辨率，超声波直管段内采用“缩径”的处理技术，在保持压损合格的前提下采取“缩径”的方法有效解决了小流量的稳定性。

本发明的时差法超声波式热、冷量表的技术指标如下：

1.整机静态电流＜10uA；

2.整机动态电流＜10mA；

3.整机平均电流＜30uA；

4.温度测量精度：0.01℃；

5.流量测量精度符合国家热量表行业标准CJ128-2007的2级精度要求；

6.流量测量范围：(0.03-25.0)m³/h；

7.温度范围：(4-95)℃；

8.温差范围：(3-90)K；

9.最大工作压力：1.6MPa。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的基表的结构示意图。

图3是本发明的流程图。

图4是超声波测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种时差法超声波式热、冷量表，它包括由顺、逆流超声波换能器2、3(型号：CSB1M)、两立柱4和流量管1构成的基表、进水口温度传感器、出水口温度传感器、温度、时间测量模块(温度，时间测量模块选用德国的TDC-GP2测量芯片)、MCU处理器(型号：MSP430F415)和LCD显示器，所述的进水口温度传感器用于检测供热、冷系统入户处的水温，出水口温度传感器用于检测供热、冷系统供热、冷后出口的水温；进水口、出水口温度传感器的信号输出端分别与温度、时间测量模块的对应温度信号输入端相连，温度、时间测量模块的时间控制信号输出端与顺、逆流超声波换能器2、3的对应控制信号输入端相连，温度、时间测量模块与MCU处理器的对应温度信号端相连，顺、逆流超声波换能器2、3均安装在流量管1上，沿流量管1内的流体方向依次设置，两立柱4均安装在流量管1内，分别置于顺、逆流超声波换能器2、3的下方，顺、逆流超声波换能器2、3的信号输出端分别与MCU处理器的对应时间信号输入端相连，MCU处理器的的信号输出端与LCD显示器的信号输入端相连。

本发明的量表还包括数据存储器和电压检测器，数据存储器的存储信号端与MCU处理器的存储信号端双向连接；电压检测器用于检测供电电池的电压，电压检测器的信号输出端与MCU处理器的对应电压信号采集端相连。

本发明的顺、逆流超声波换能器2、3均为圆柱体形状，处于流量管1的管道内液体的上方或侧面。本发明的两立柱4的上部均呈45°斜面，相对设置。

超声波小口径基表换能器采用“U”型反射法，采用“U”型反射法的优点在于：A.两只换能器始终保持在液体上方或侧面，不会有污垢沉淀在换能器上而导致测量精度的不精确。B.相对于直对射安装方法，“U”型反射具有受压力均匀的优点，而直对射安装则会有一只换能器始终受到水的冲击力而减少使用寿命。

超声波基表结构采用不锈钢壳体，整只基表内不含有塑料结构。反射面采用不锈钢材料制成，反射面由圆柱体、椭圆柱体或矩形柱体切割成45度坡面然后经过抛光制成。采用全自动压床压入不锈钢壳体内，具有密封性能。为了提供精度测量分辨率，超声波直管段内采用“缩径”的处理技术，在保持压损合格的前提下采取“缩径”的方法有效解决了小流量的稳定性。相对与塑料件的反射结构而言本设计具有精度高，不受液体温度及压力变化影响的优点。

图2中给出换能器2向换能器3发射超声波的路径示意图用“箭头”标注。换能器2和3处于管道内液体的上方，在管道内承受的压力是基本相等的(接收和发射面平行与液体流动面)。即使管道内有污垢只能沉淀到管道底部而不会沉淀到换能器上。图2中虚线为管道内壁。下方的两个柱体(圆柱体、椭圆柱体或矩形柱体)为反射面(45度)。而图4采用的“Z”形对射(也是指超声波传播的路径)两只换能器承受的压力是不同的，顺流方向的换能器承受压力小于逆流方向换能器所承受的压力(液体流动对换能器所附加的冲击力)。所以当流速过高时对逆流方向的换能器的寿命和精度是有影响的。当管道内沉积的污垢过多时将会覆盖掉换能器的发射和接收面从而影响精度。

一种时差法超声波式热、冷量表的计量方法，它包括以下步骤：

(a)、首先，通过进水口温度传感器和出水口温度传感器，分别检测供热、冷系统入户处的水温和供热、冷系统供热、冷后出水口的水温，并将测量结果传送给温度、时间测量模块，通过温度、时间测量模块发送至MCU处理器；

(b)、MCU处理器通过控制温度、时间测量模块开启顺、逆流超声波换能器(2、3)，顺、逆流超声波换能器2、3分别检测流量管1内的沿流体方向的顺流时间T_顺流和逆流时间T_逆流，并将测量结果传送给MCU处理器，MCU处理器采用以下方程计算出流经流量管1的水流速q_v：

顺流和逆流的时间差为：

$\frac{L}{C+q_v\×\cos \mathrm{\θ}}-\frac{L}{C-q_v\×\cos \mathrm{\θ}}=\frac{2\mathrm{VL}\cos }{C^2-{q_v}^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}$

整理后得到：(由于超声波的传播速度“C”约为1500m/s而管道内的液体速度“q_v”最高约为2米/s，所以说q_v ²cosθ相对于1500²可以忽略。)

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{2\mathrm{VL}\cos \mathrm{\θ}}{C^2}$

因此我们得到一个流速与时间差的线性公式：

即： $q_v=\frac{C^2\mathrm{\ΔT}}{2L\cos \mathrm{\θ}}$

C为超声波在水中传播的速度。

(c)、MCU处理器计算出的供热、冷系统释放的热、冷量：

            Q＝∫ρq_vΔhdτ

其中，Q：供热、冷系统释放的热量；

ρ：流经流量管1的水的密度kg/m³；

q_v：流经流量管1的水的流速m³/h，即步骤(b)得到的水流速；

τ：时间，即供热、冷量计算的积分时间；

Δh：焓值差，由进水口温度对应的焓值-出水口温度对应的焓值。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种时差法超声波式热、冷量表，其特征是它包括由顺、逆流超声波换能器(2、3)、两立柱(4)和流量管(1)构成的基表、进水口温度传感器、出水口温度传感器、温度、时间测量模块、MCU处理器和LCD显示器，所述的进水口温度传感器用于检测供热、冷系统入户处的水温，出水口温度传感器用于检测供热、冷系统供热、冷后出口的水温；进水口、出水口温度传感器的信号输出端分别与温度、时间测量模块的对应温度信号输入端相连，温度、时间测量模块的时间控制信号输出端与顺、逆流超声波换能器(2、3)的对应控制信号输入端相连，温度、时间测量模块与MCU处理器的对应温度信号端相连，顺、逆流超声波换能器(2、3)均安装在流量管(1)上，沿流量管(1)内的流体方向依次设置，两立柱(4)均安装在流量管(1)内，分别置于顺、逆流超声波换能器(2、3)的下方，顺、逆流超声波换能器(2、3)的信号输出端分别与MCU处理器的对应时间信号输入端相连，MCU处理器的的信号输出端与LCD显示器的信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的时差法超声波式热、冷量表，其特征是该量表还包括数据存储器和电压检测器，数据存储器的存储信号端与MCU处理器的存储信号端双向连接；电压检测器用于检测供电电池的电压，电压检测器的信号输出端与MCU处理器的对应电压信号采集端相连。

3.根据权利要求1所述的时差法超声波式热、冷量表，其特征是所述的顺、逆流超声波换能器(2、3)均为圆柱体形状，处于流量管(1)的管道内液体的上方或侧面。

4.根据权利要求1所述的时差法超声波式热、冷量表，其特征是所述的两立柱(4)的上部均为反射面，呈45°斜面，两立柱(4)的反射面相对设置。

5.根据权利要求4所述的时差法超声波式热、冷量表，其特征是所述的立柱(4)的反射面采用不锈钢材料制成，切割成45°坡面后经过抛光制成。

6.一种基于权利要求1所述的时差法超声波式热、冷量表的计量方法，其特征是它包括以下步骤：

(a)、首先，通过进水口温度传感器和出水口温度传感器，分别检测供热、冷系统入户处的水温和供热、冷系统供热、冷后出水口的水温，并将测量结果传送给温度、时间测量模块，通过温度、时间测量模块发送至MCU处理器；

(b)、MCU处理器通过控制温度、时间测量模块开启顺、逆流超声波换能器(2、3)，顺、逆流超声波换能器(2、3)分别检测流量管(1)内的沿流体方向的顺流时间T_顺流和逆流时间T_逆流，并将测量结果传送给MCU处理器，MCU处理器采用以下方程计算出流经流量管(1)的水流速qv：

$q_v=\frac{C^2\mathrm{\ΔT}}{2\mathrm{Lcom\θ}}$

C为超声波在水中传播的速度；ΔT＝T_逆流-T_顺流；

(c)、MCU处理器计算出的供热、冷系统释放的热、冷量：

                  Q＝∫ρq_vΔhdτ

其中，Q：供热、冷系统释放的热量；

ρ：流经流量管(1)的水的密度kg/m³；

q_v：流经流量管(1)的水的流速m³/h，即步骤(b)得到的水流速；

τ：时间，即供热、冷量计算的积分时间；

Δh：焓值差，由进水口温度对应的焓值-出水口温度对应的焓值。

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