CN104062038A - 全温度补偿型超声波热能表 - Google Patents

全温度补偿型超声波热能表 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全温度补偿型超声波热能表，该超声波热能表包括MCU、时间数字转换器TDC-GP21、LCD段式液晶显示屏、上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器；所述的MCU通过SPI给时间数字转换器TDC-GP21发送控制指令，并接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的数据，同时还将得到的数据输出给LCD段式液晶显示屏进行显示；根据来自MCU的控制指令，并分别向上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器发送数据采集控制指令，同时对接收的数据进行处理，得到水流流速、进水温度值和出水温度值；本发明的热能表利用超声波可以保证10度至90度流量、热量的准确测量，此外采用智能低功耗芯片，能够延长了热能表的使用寿命。

Description

全温度补偿型超声波热能表
技术领域
本发明涉及一种热能表，具体涉及一种全温度补偿型超声波热能表，属于智能数据采集技术领域。
背景技术
超声波热量表根据超声波水流流速与超声波在逆流水中传播时间与顺流传播时间差成一定比例的原理进行设计和制造的一种热量计量器具。超声波热能表主要包括以下几个部分：标准测量安装管段，用于提供超声波换能器安装环境；换能器，是将电能转换为超声波能量的设备；配对温度传感器，用于提供进水管道与出水管道的温度测量；智能积算仪：提供超声波测量的电路与软件智能设计。
目前超声波热能表存在的问题：管段一致性和重复性表较差；换能器一致性和重复性较差；超声波热能表在市场上一般只做高温85度左右、50度左右、常温的国标CJ128-2007流量点精确测量；使用2-3年后出现热量计量不准确现象比较严重。
由于热水在主管道流入用户管道时温度变化比较大，在供暖时供热试水阶段，热水处于常温即10度左右。当正常供暖时，距离主管道近的住户进水温度一般都在70度左右，水流流量也比较大，供热末端一般在50度左右，供热水流较小。目前一般超声波热能表只做50度的热量校正。因此，对于用户和供热单位来说都缺乏公平。
目前市场上换能器材料涂层较厚，热能表在使用过程中，就会因为水流中杂质等颗粒影响，使得换能器表面积累水垢，最终影响超声波热能表精确计量，且国内热能表一般使用寿命都低于国标要求的6年。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种全温度补偿型超声波热能表，能够利用超声波进行精确测量，并能够实现全温度补偿。
一种全温度补偿型超声波热能表，该超声波热能表包括MCU、时间数字转换器TDC-GP21、LCD段式液晶显示屏、上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器；
所述的上游换能器和下游换能器分别设置在管道的上游和下游，两者均能够产生超声波，并将超声波信号输出给时间数字转换器TDC-GP21，且两者还接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的流速测量指令；
所述的进口温度传感器和出口温度传感器分别设置在管道的进口和出口，分别采集管道进口和出口的温度，并输出给时间数字转换器TDC-GP21，且两者还接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的温度测量指令；
所述的时间数字转换器TDC-GP21接收来自上游换能器和下游换能器产生的超声波信号，并将超声波信号转化为脉冲信号，通过SPI输出给MCU；时间数字转换器TDC-GP21接收来自口温度传感器和出口温度传感器采集的温度值；
所述的MCU通过SPI给时间数字转换器TDC-GP21发送控制指令，并接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的数据，同时还将得到的数据输出给LCD段式液晶显示屏进行显示；
所述的LCD段式液晶显示屏接收MCU输出的数据，并与按键配合用于显示热量值、水流流速、进水温度、出水温度及错误显示；
MCU通过时间数字转换器TDC-GP21分别向上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器发送数据采集控制指令，并对接收的数据进行处理，得到水流流速、进水温度值和出水温度值；采用温度10度至90度的温度补偿算法，其具体方法步骤如下：
步骤一、进行初始化；
步骤二、设置流量测量次数为N次和每次测量组数为M，1≤N≤10，1≤M≤10；
步骤三、进口温度传感器和出口温度传感器分别采集进口管路和出口管路的温度；
步骤四、开始流量测量，每次测量均得到M组流量值；
步骤五、判断是否达到流量测量次数，如果达到，则进入步骤六；如果没有达到，则返回步骤四，继续流量测量；
步骤六、采用流量滤波算法对步骤四得到的每M组流量值去除最大值和最小值，得到M-2组流量值，并对M-2组流量值求平均值为每次测量的最终流量值，N次测量共得到N个最终流量值；
步骤七：读取步骤三采集得到的温度值，判断温度处于哪个区间，温度区间如下：10-20℃、20-30℃、30-40℃、70-80℃、80-90℃，每个温度区间对应流量的补偿系数如下：
10-20℃：大流量0.978，中间流量Ⅰ:0.969，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.983；
20-30℃：大流量0.979，中间流量Ⅰ:0.978，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.978；
30-40℃:大流量0.996，中间流量Ⅰ:0.982，中间流量Ⅱ:0.981，小流量：0.934；
70-80℃:大流量1.021，中间流量Ⅰ:1.027，中间流量Ⅱ:1.037，小流量：1.005；
80-90℃:大流量1.035，中间流量Ⅰ:1.037，中间流量Ⅱ:1.029，小流量：1.028；
所述大流量为2500～5000L/h，中间流量Ⅰ为750～2500L/h，中间流量Ⅱ为250～750L/h，小流量为50～250L/h；
步骤八、根据步骤七得到的温度值所处的不同温度区间，对步骤六得到的N个最终流量值进行流量补偿，将流量值乘以补偿系数得到所需的流量值；
步骤九、结束。
所述上游换能器和下游换能器表面材料涂层的厚度小于1.5毫米。
有益效果：
本发明采用低功耗MCU以及设定较长温度和流量测量周期，使得超声波热能表静态功耗小于10微安，采用温度10度至90度的温度补偿算法，可以保证10度至90度流量、热量的准确测量，且采用每个温度区间所对应的流量补偿系数，从而可以提高流量补偿精度。
附图说明
图1为本发明全温度补偿型超声波热能表的原理图。
图2为本发明全温度补偿方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种全温度补偿型超声波热能表，该超声波热能表包括MCU、时间数字转换器TDC-GP21、LCD段式液晶显示屏、上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器，利用MCU和时间数字转换器TDC-GP21采集流速与温度值，并根据Q＝C×M×△T得到热量值，其中Ｑ为消耗热量，Ｃ为水的比热，Ｍ为流经管道的水的质量，△Ｔ为进水温度与出水温度差。
MCU通过SPI给时间数字转换器TDC-GP21发送控制指令，并接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的数据，同时还将得到的数据输出给LCD段式液晶显示屏进行显示。
时间数字转换器TDC-GP21根据来自MCU的控制指令，并分别向上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器发送数据采集控制指令，同时对接收的数据进行处理，得到水流流速、进水温度值和出水温度值。
当时间数字转换器TDC-GP21接收到MCU的温度测量指令，时间数字转换器TDC-GP21就会对测温电路放电，通过对温度传感器放电时间测量，以及标准温度电阻放电，测的放电时间，配对温度传感器放电时间与标准温度电阻的比值，就可以计算出进水温度和出水温度。
当时间数字转换器TDC-GP21接收到MCU的流速测量指令，将上游换能器和下游换能器输出的超声波信号转换为脉冲，从而得到超声波传播时间。
流速测量原理为：水流流速与下游飞行时间减去上游飞行时间差成一定的数据关系，因此时间数字转换器TDC-GP21测的上下游飞行时间差，就可以反推出水流流速，根据流速以及进出水温度差，就可以得到热量消耗，达到计量目的。
LCD段式液晶显示屏接收MCU输出的数据，并与按键配合用于显示热量值、水流流速、进水温度、出水温度及错误显示，当按键次数不同时，LCD段式液晶显示屏就会显示相应的显示项。
上游换能器和下游换能器固定在管道内部，用于将电能转换为超声波，超声波转换为电能的装置，接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的流速测量指令并产生超声波，超声波在水中传播到达上游换能器(或下游换能器)接收端，换能器接收端将超声波信号输出给时间数字转换器TDC-GP21转换为脉冲。
进口温度传感器和出口温度传感器接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的温度测量指令，分别采集进口管路和出口管路的温度，并输出给时间数字转换器TDC-GP21。
如附图2所示，所述的热量表采用温度10度至90度的温度补偿算法，实现全温度精确流量测量，其具体方法步骤如下：
步骤一、进行初始化；
步骤二、设置流量测量次数为N次和每次测量组数为M，N和M取值均为10。
步骤三、进口温度传感器和出口温度传感器分别采集进口管路和出口管路的温度；
步骤四、开始流量测量，每次测量均得到10组流量值；
步骤五、判断是否达到流量测量次数10，如果达到，则进入步骤六；如果没有达到，则返回步骤四，继续流量测量；
步骤六、采用流量滤波算法对步骤四得到的每10组流量值去除最大值和最小值，得到8组流量值，并对8组流量值求平均值为每次测量的最终流量值，10次测量共得到10个最终流量值；
步骤七、读取步骤三采集得到的温度值，判断温度处于哪个区间，温度区间如下：10-20℃、20-30℃、30-40℃、70-80℃、80-90℃，每个温度区间对应流量的补偿系数如下：
10-20℃：大流量0.978，中间流量Ⅰ:0.969，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.983；
20-30℃：大流量0.979，中间流量Ⅰ:0.978，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.978；
30-40℃:大流量0.996，中间流量Ⅰ:0.982，中间流量Ⅱ:0.981，小流量：0.934；
70-80℃:大流量1.021，中间流量Ⅰ:1.027，中间流量Ⅱ:1.037，小流量：1.005；
80-90℃:大流量1.035，中间流量Ⅰ:1.037，中间流量Ⅱ:1.029，小流量：1.028；
上述中，大流量为2500～5000L/h，中间流量Ⅰ为750～2500L/h，中间流量Ⅱ为250～750L/h，小流量为50～250L/h，由于整个流量区间为50～5000L/h，其流量区间较大，将其分成大流量、中间流量Ⅰ、中间流量Ⅱ和小流量四个流量区间，方便测量并能保证测量精度。
由于温度升高，所测量得到的流量值会发生变化，每个温度区间均对应一个标准的流量值，实际应用中温度在40-70之间其对应的流量值是恒定的，且与标准的流量值也是对应的，因此不需要进行流量补偿。
步骤八、根据步骤七得到的温度值所处的不同温度区间，对步骤六得到的10个最终流量值进行流量补偿，将流量值乘以补偿系数得到所需的流量值.
步骤九、结束。
上述中，换能器表面材料涂层厚度小于1.5毫米，保证换能器超声波谐振频率大于17KHz，达到国外换能器机械平直因素。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全温度补偿型超声波热能表，其特征在于，该超声波热能表包括MCU、时间数字转换器TDC-GP21、LCD段式液晶显示屏、上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器；
所述的上游换能器和下游换能器分别设置在管道的上游和下游，两者均能够产生超声波，并将超声波信号输出给时间数字转换器TDC-GP21，且两者还接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的流速测量指令；
所述的进口温度传感器和出口温度传感器分别设置在管道的进口和出口，分别采集管道进口和出口的温度，并输出给时间数字转换器TDC-GP21，且两者还接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的温度测量指令；
所述的时间数字转换器TDC-GP21接收来自上游换能器和下游换能器产生的超声波信号，并将超声波信号转化为脉冲信号，通过SPI输出给MCU；时间数字转换器TDC-GP21接收来自口温度传感器和出口温度传感器采集的温度值；
所述的MCU通过SPI给时间数字转换器TDC-GP21发送控制指令，并接收来自时间数字转换器TDC-GP21输出的数据，同时还将得到的数据输出给LCD段式液晶显示屏进行显示；
所述的LCD段式液晶显示屏接收MCU输出的数据，并与按键配合用于显示热量值、水流流速、进水温度、出水温度及错误显示；
MCU通过时间数字转换器TDC-GP21分别向上游换能器、下游换能器、进口温度传感器和出口温度传感器发送数据采集控制指令，并对接收的数据进行处理，得到水流流速、进水温度值和出水温度值；采用温度10度至90度的温度补偿算法，其具体方法步骤如下：
步骤一、进行初始化；
步骤二、设置流量测量次数为N次和每次测量组数为M，1≤N≤10，1≤M≤10；
步骤三、进口温度传感器和出口温度传感器分别采集进口管路和出口管路的温度；
步骤四、开始流量测量，每次测量均得到M组流量值；
步骤五、判断是否达到流量测量次数，如果达到，则进入步骤六；如果没有达到，则返回步骤四，继续流量测量；
步骤六、采用流量滤波算法对步骤四得到的每M组流量值去除最大值和最小值，得到M-2组流量值，并对M-2组流量值求平均值为每次测量的最终流量值，N次测量共得到N个最终流量值；
步骤七：读取步骤三采集得到的温度值，判断温度处于哪个区间，温度区间如下：10-20℃、20-30℃、30-40℃、70-80℃、80-90℃，每个温度区间对应流量的补偿系数如下：
10-20℃：大流量0.978，中间流量Ⅰ:0.969，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.983；
20-30℃：大流量0.979，中间流量Ⅰ:0.978，中间流量Ⅱ:0.962，小流量：0.978；
30-40℃:大流量0.996，中间流量Ⅰ:0.982，中间流量Ⅱ:0.981，小流量：0.934；
70-80℃:大流量1.021，中间流量Ⅰ:1.027，中间流量Ⅱ:1.037，小流量：1.005；
80-90℃:大流量1.035，中间流量Ⅰ:1.037，中间流量Ⅱ:1.029，小流量：1.028；
所述大流量为2500～5000L/h，中间流量Ⅰ为750～2500L/h，中间流量Ⅱ为250～750L/h，小流量为50～250L/h；
步骤八、根据步骤七得到的温度值所处的不同温度区间，对步骤六得到的N个最终流量值进行流量补偿，将流量值乘以补偿系数得到所需的流量值；
步骤九、结束。
2.如权利要求1所述全温度补偿型超声波热能表，其特征在于，所述上游换能器和下游换能器表面材料涂层的厚度小于1.5毫米。
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