CN105004449A - 一种自愈式精度修正超声波热能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量计量技术领域，涉及一种自愈式精度修正超声波热能计量装置，主体结构为计算处理器通过螺纹连接安装在基表壳体的计算处理器安装口上，计算处理器中的芯片经过自愈式精度修正技术编程处理，采用先进的TG840主控芯片和TDC-GP22时间芯片；计算处理器的程序中编入按照泰勒级数拟合原理求得的瞬时流量的三阶泰勒级数展开式；计算处理器的程序中编入对静态时间差的归零处理程序；计算处理器的程序中编入峰峰值和最小取值法；有效消除电子电路物理不对称、时间漂移、管道气泡和现场噪声等因素对计量精度的影响，整体结构简单，时间测量精度高，外围电路和工艺简单。

Description

一种自愈式精度修正超声波热能计量装置

技术领域：

本发明属于能量计量技术领域，涉及一种自愈式精度修正超声波热能计量装置，特别是一种采用自愈式修正技术来提高测量精度、稳定性和可靠性的超声波热能计量装置。

背景技术：

目前，集中供热和热量的分户计量作为节能减排和改善人民生活质量的重要社会事业早已成为供热界的共识，并逐步提上各级政府的议事日程；国家从2001年开始，即从热力体制改革和供热计量入手，出台了若干文件和政策规定，积极推广热量分户计量体制，特别是近两年来，国家对推广热计量工作越来越重视，要求越来越规范；新建住宅分户安装热能计量装置已成为工程验收必要条件；在现有技术中，超声波热能表是主要用于供热计量的专用仪表，2000年以后由欧洲引入国内，限于当时的芯片水平和国内仿制厂家的技术水平，所生产的热能表在计量准确度和工况使用方面都出现很大的问题，不能真正满足国内的分户计量要求，很多城市经过近两年的安装试点，纷纷决定不再采用国内表，原因在于经过1-2个采暖季后，超声波热能表出现精度超差，甚至无法正常工作；长期以来，超声波热能表精度稳定性问题，一直是困扰业界专家的首要难题，国内外技术专家和学者，试图通过加强电子元器件电学检验、高低温老化和换能器配对等形式提高电子元器件的稳定性，进而提高热能表精度的稳定性，但无法根本消除时间漂移的影响，而且出产的产品虽然出厂时合格，但在工作状况下精度逐渐超差；由于超声波热能表的精度测量非单一物理量的测量，影响精度的因素复杂，相互交叉影响；因此，分析各种因素建立正确的物理模型、选择合理的电路设计和芯片应用是基础环节；对采样方法的分析和正确选择、数据的采集处理及修正方法等，建立可靠准确的数学模型是解决误差的最终手段；因此，寻求设计一种符合国情并能达到热能表技术指标的自愈式精度修正超声波热能计 量装置，从根本上解决精度超差的问题，这种采用自愈式修正技术来提高超声波热能表的精度、稳定性和可靠性的技术方案从未见有报道。

发明内容：

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，结合实际需求，提出设计一种自愈式精度修正超声波热能计量装置，以解决现有超声波热能表由于电子电路物理不对称、时间漂移、管道气泡和现场噪声等原因造成测量误差较大，严重影响测量精度的问题，减少外围电路，简化生产工艺，降低整机的功耗，保证测量精度。

为了实现上述发明目的，本发明涉及的自愈式精度修正超声波热能计量装置，其主体结构包括基表壳体、壳体进水口、壳体出水口、第一换能器安装口、第二换能器安装口、计算处理器安装口、第一换能器、第二换能器、换能器盖板、第一反射柱、第二反射柱、计算处理器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一铜接头、第二铜接头、显示屏、按钮和连接线；铜合金材质的基表壳体为具有热水流通过的中空管腔式的壳体结构，基表壳体两端部设有带螺纹的壳体进水口和壳体出水口，用于基表壳体与外设的管道进行螺纹连接，基表壳体上部分别设有第一换能器安装口、第二换能器安装口和计算处理器安装口；第一换能器和第二换能器分别安放在第一换能器安装口和第二换能器安装口内，第一换能器安装口和第二换能器安装口上方盖有换能器盖板，并用螺钉固定牢固；基表壳体内部底壁上正对第一换能器和第二换能器的位置分别装有金属制成的第一反射柱和第二反射柱；计算处理器通过螺纹连接安装在基表壳体的计算处理器安装口上，计算处理器中的芯片经过自愈式精度修正技术编程处理，采用先进的TG840主控芯片和TDC-GP22时间芯片，TG840主控芯片以Cortex-M3为内核，具有运算处理功能，使整个计量装置的性能得到提升，TDC-GP22具有双精度模式45ps或四精度模式22ps，实现高精度的时间测量；计算处理器的程序中编入按照泰勒级数拟合原理求得的瞬时流量的三阶泰勒级数展开式，完成对瞬时流量的非线性修正； 计算处理器的程序中编入对静态时间差的归零处理程序，以消除零点漂移；计算处理器的程序中编入峰峰值和最小取值法，消除气泡和噪声的信号干扰；计算处理器上分别接有由pt1000的铂电阻丝制成的第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器的感温端分别为第一铜接头和第二铜接头；第一换能器和第二换能器通过连接线分别与计算处理器连接，计算处理器上分别设有显示屏和按钮，实现计量信息的显示和调控。在使用时，先将基体壳体安装在供热水回路的进水管的指定位置，使进水从壳体进水口流入，通过基体壳体后再从壳体出水口留出；将第一铜接头安装在进水管道上设定位置，将第二铜接头安装在回水管道上设定位置；按下按钮，计算处理器指令第一换能器和第二换能器分别发出正向和反向超声波信号，正向超声波信号经第一反射柱反射到第二反射柱，再经第二反射柱反射到第二换能器，第二换能器采集到信号后经过连接线传递给计算处理器，反向超声波信号经第二反射柱反射到第一反射柱，再经第一反射柱反射到第一换能器，第一换能器采集到信号后经过连接线传递给计算处理器，计算处理器经过运算得出正反向时间差，进而运算得出瞬时流量；第一温度传感器和第二温度传感器分别感应进水管道和回水管道的温度并传递给计算处理器，计算处理器运算得出温度差，再将瞬时流量和温度差代入设定的热量计算公式进行运算得出热量值并显示在计算处理器上的显示屏上，实现热量的精确计量和显示。

本发明与现有技术相比，采用零点和最小取值法有效消除电子电路物理不对称、时间漂移、管道气泡和现场噪声等因素对计量精度的影响；采用泰勒技术拟合仅需标定七个流量点，与现有技术需要标定上百个流量点相比，提高了热能表的生产效率，且精度更高；其整体结构简单，原理可靠，时间测量精度高、外围电路和工艺简单，设计合理，使用安全可靠，环境友好。

附图说明：

图1是本发明的整体外观结构原理示意图。

图2是本发明的整体剖面结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的自愈式精度修正超声波热能计量装置，其主体结构包括基表壳体1、壳体进水口2、壳体出水口3、第一换能器安装口4、第二换能器安装口5、计算处理器安装口6、第一换能器7、第二换能器8、换能器盖板9、第一反射柱10、第二反射柱11、计算处理器12、第一温度传感器13、第二温度传感器14、第一铜接头15、第二铜接头16、显示屏17、按钮18和连接线19；铜合金材质的基表壳体1为具有热水流通过的中空管腔式的壳体结构，基表壳体1两端部设有带螺纹的壳体进水口2和壳体出水口3，用于基表壳体1与外设的管道进行螺纹连接，基表壳体1上部分别设有第一换能器安装口4、第二换能器安装口5和计算处理器安装口6；第一换能器7和第二换能器8分别安放在第一换能器安装口4和第二换能器安装口5内，第一换能器安装口4和第二换能器安装口5上方盖有换能器盖板9，并用螺钉固定牢固；基表壳体1内部底壁上正对第一换能器7和第二换能器8的位置分别装有金属制成的第一反射柱10和第二反射柱11；计算处理器12通过螺纹连接安装在基表壳体1的计算处理器安装口6上，计算处理器12中的芯片经过自愈式精度修正技术编程处理，采用先进的TG840主控芯片和TDC-GP22时间芯片，TG840主控芯片以Cortex-M3为内核，具有运算处理功能，使整个计量装置的性能得到提升，TDC-GP22具有双精度模式45ps或四精度模式22ps，实现高精度的时间测量；计算处理器12的程序中编入按照泰勒级数拟合原理求得的瞬时流量的三阶泰勒级数展开式，完成对瞬时流量的非线性修正；计算处理器12的程序中编入对静态时间差的归零处理程序，以消除零点漂移；计算处理器12的程序中编入峰峰值和最小取值法，消除气泡和噪声的信号干扰；计算处理器12上分别接有由pt1000的铂电阻丝制成的第一温度传感器13和第二温度传感器14，第一温度传感器13和第二温度传感器14的感温端分别为第一铜接头 15和第二铜接头16；第一换能器7和第二换能器8通过连接线19分别与计算处理器12连接，计算处理器12上分别设有显示屏17和按钮18，实现计量信息的显示和调控。

本实施例在使用时，先将基体壳体1安装在供热水回路的进水管的指定位置，使进水从壳体进水口2流入，通过基体壳体1后再从壳体出水口3留出；将第一铜接头15安装在进水管道上设定位置，将第二铜接头16安装在回水管道上设定位置；按下按钮18，计算处理器12指令第一换能器7和第二换能器8分别发出正向和反向超声波信号，正向超声波信号经第一反射柱10反射到第二反射柱11，再经第二反射柱11反射到第二换能器8，第二换能器8采集到信号后经过连接线19传递给计算处理器12，反向超声波信号经第二反射柱11反射到第一反射柱10，再经第一反射柱10反射到第一换能器7，第一换能器7采集到信号后经过连接线19传递给计算处理器12，计算处理器12经过运算得出正反向时间差，进而运算得出瞬时流量；第一温度传感器13和第二温度传感器14分别感应进水管道和回水管道的温度并传递给计算处理器12，计算处理器12运算得出温度差，再将瞬时流量和温度差代入设定的热量计算公式进行运算得出热量值并显示在计算处理器12上的显示屏17上，实现热量的精确计量和显示。

实施例2：

本实施例分别对多个计量装置进行稳定性和重复性计量实验，其具体内容和步骤为：

(1)取本实施例的产品6只，分别标识1#、2#、3#、4#、5#、6#；根据JJG225-2001《热量表检定规程》要求，在相同测试条件下，分别在3个流量点(2500、250、50L/h)下检定换能器更换前、更换后未标定静态与更换后标定静态三者的流量精度，测试数据结果如下：

(2)取本实施例的产品和其他厂家生产的热量表各3只，分别标识1#、2#、3#、4#、5#和6#；根据JJG225-2001《热量表检定规程》要求，在相同测试条件下，分别在3个流量点(2500、250、50L/h)下检定更换换能器前后的流量精度，实验数据对比如下：

(3)取本实施例的产品10只，分别标识1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#，在(50±5)℃水中，分别在2500、750、250和50L/h四个流量点连续对其实验前后的流量进行测量，实验数据对比如下：

实验前测试数据：

实验后测试数据：

(3)取本实施例的产品10只，在水温为(60±5)℃的测试条件下进行实验，经过2～3个采暖季后对其进行精度检测，测量精度仍符合国家二级表标准。

分析上述实验数据可得，更换换能器在本实施例产品使用中，在元部件电学参数和物理参数发生变化的情况下，本实施例产品仍符合国家二级表标准，精度均在1％以内，远低于国家标准，且实验前后精度数据一致，本实施例的产品具有较好的可靠性和稳定性，计量精度高，使用环境友好。

Claims (1)

1.一种自愈式精度修正超声波热能计量装置，其特征在于其主体结构包括基表壳体、壳体进水口、壳体出水口、第一换能器安装口、第二换能器安装口、计算处理器安装口、第一换能器、第二换能器、换能器盖板、第一反射柱、第二反射柱、计算处理器、第一温度传感器、第二温度传感器、第一铜接头、第二铜接头、显示屏、按钮和连接线；基表壳体为具有热水流通过的中空管腔式的壳体结构，基表壳体两端部设有带螺纹的壳体进水口和壳体出水口，基表壳体上部分别设有第一换能器安装口、第二换能器安装口和计算处理器安装口；第一换能器和第二换能器分别安放在第一换能器安装口和第二换能器安装口内，第一换能器安装口和第二换能器安装口上方盖有换能器盖板，并用螺钉固定牢固；基表壳体内部底壁上正对第一换能器和第二换能器的位置分别装有金属制成的第一反射柱和第二反射柱；计算处理器通过螺纹连接安装在基表壳体的计算处理器安装口上，计算处理器中的芯片经过自愈式精度修正技术编程处理，采用TG840主控芯片和TDC-GP22时间芯片；计算处理器的程序中编入按照泰勒级数拟合原理求得的瞬时流量的三阶泰勒级数展开式，完成对瞬时流量的非线性修正；计算处理器的程序中编入对静态时间差的归零处理程序，以消除零点漂移；计算处理器的程序中编入峰峰值和最小取值法，消除气泡和噪声的信号干扰；计算处理器上分别接有由pt1000的铂电阻丝制成的第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器的感温端分别为第一铜接头和第二铜接头；第一换能器和第二换能器通过连接线分别与计算处理器连接，计算处理器上分别设有显示屏和按钮，实现计量信息的显示和调控。