一種高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)

李世光，賈俊征，李凱旋，高正中，譚 沖

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東，青島266590)

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一種高精度超聲波熱量表的設(shè)計(jì)

李世光，賈俊征，李凱旋，高正中，譚 沖

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東，青島266590)

針對(duì)影響超聲波熱量表精度的內(nèi)流場(chǎng)因素，根據(jù)時(shí)差法測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了一種高精度熱量表。在基表的進(jìn)水端內(nèi)腔增加一個(gè)沙漏狀的喉道結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生新的渦流和壓損；采用柱狀的反射裝置使其附近空間更寬闊，避免產(chǎn)生射流；在測(cè)量管段前后增加漸縮段和漸擴(kuò)段的“喇叭口”以及增大長(zhǎng)徑比，改變流體流動(dòng)特性，使其迅速平穩(wěn)。經(jīng)過改進(jìn)后的基表，內(nèi)流場(chǎng)性能得到改善。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，測(cè)量精度顯著提高，達(dá)到了預(yù)期的要求，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)表的要求。

熱量表；時(shí)差法；流喉道結(jié)構(gòu)；喇叭口；長(zhǎng)徑比

針對(duì)影響現(xiàn)有超聲波熱量表測(cè)量的流場(chǎng)問題，設(shè)計(jì)了一種高精度的超聲波熱量表。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基表結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使測(cè)量管道內(nèi)流體流動(dòng)平穩(wěn)，改善基表內(nèi)水流的特性，提高測(cè)量精度。

1 超聲波熱量表的工作原理

超聲波熱量表通過采集上下游超聲波換能器在流體中的超聲波的信號(hào)，用順流和逆流的時(shí)間差來測(cè)量流體流速，從而間接測(cè)出流體流量[4]。通過測(cè)量進(jìn)水和回水的溫度來計(jì)算得出熱交換系統(tǒng)吸收或釋放的能量[5]。

熱量的計(jì)算采用歐洲流行的k系數(shù)法，熱交換系統(tǒng)吸收或釋放的能量的計(jì)算公式[6]為

(1)

式中：Q為熱交換系統(tǒng)吸收或釋放的能量，J；τ為累積流量的時(shí)間，h；k為熱焓修正系數(shù)，J/m3；qv為瞬時(shí)熱水流量，m3/h；△T為進(jìn)回水的溫度差，℃。

圖1 熱量表硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Hardware structure diagram of heat meter

圖2 基表結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Diagram of base table structure

2 超聲波熱量表硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲波熱量表硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器MSP430模塊、TDC-GP22芯片模塊、流量測(cè)量模塊以及溫度測(cè)量模塊等組成，熱量表硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 熱量表基表設(shè)計(jì)

1.3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) ①手部水腫測(cè)量：采用排水法測(cè)量，選用由Brand和Wood根據(jù)阿基米德原理設(shè)計(jì)的體積測(cè)量器，將手浸入裝入水的容器至腕橫紋處，測(cè)量排出水的體積從而算出腫脹手體積[7]，患手和健手的體積差表示腫脹程度，分別測(cè)量3次取其平均值。②關(guān)節(jié)活動(dòng)度(range of motion,ROM)測(cè)量：用量角器測(cè)量II-Ⅴ指掌指關(guān)節(jié)屈曲最大關(guān)節(jié)活動(dòng)度(maximum metacarpophalangeal joint,MMP)，測(cè)量3次取其平均值[2]。

由流體力學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)可知，粘性流體在不同流速下存在不同狀態(tài)，通常把雷諾數(shù)Re作為判別層流和湍流的準(zhǔn)則，而且實(shí)際工程上一般取臨界雷諾數(shù)Re=2 000。當(dāng)Re≤2 000時(shí)，流動(dòng)為層流，管內(nèi)速度分布為拋物線規(guī)律，管道中心軸線上的速度最大；當(dāng)Re>2 000時(shí)，流動(dòng)是湍流，為對(duì)數(shù)分布，速度梯度較小，圓管中心線上的速度較層流時(shí)小，在管徑不變的情況下更趨近于面平均速度[7]。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2所示熱量表的基表，受風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)備前端加一個(gè)喉道來獲得平穩(wěn)氣流的啟發(fā)在進(jìn)水端內(nèi)腔增加一圈光滑的環(huán)形突起，其內(nèi)腔形狀的縱截面面積呈先逐漸縮小再緩慢增大的沙漏狀，進(jìn)水部?jī)?nèi)腔平滑過渡到中間部?jī)?nèi)腔，即在進(jìn)水端內(nèi)腔上形成先沿光滑曲線收縮再緩慢擴(kuò)張的喉道結(jié)構(gòu)[8]。其中光滑收縮可以減少因管徑橫截面積減小產(chǎn)生的壓力損失；環(huán)形突起前段的收縮段將流體的橫截面緩慢減小，來流漩渦迅速衰減，加劇流體內(nèi)部的能量交換，起到整流來流的作用；流體流動(dòng)在收縮段時(shí)，在管道壁上不會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，防止產(chǎn)生新的漩渦。環(huán)形突起的后段沿軸線方向的長(zhǎng)度大于前段，形成的錐形部較長(zhǎng)而平緩過渡，該錐形部的緩慢增大可防止分離漩渦的產(chǎn)生，進(jìn)一步起到整流作用；流體流速減小，反射片裝置附近的能量損失減少。在進(jìn)水部?jī)?nèi)腔采用的環(huán)形突起結(jié)構(gòu)，對(duì)來流起到較好的整流效果，還可以防止產(chǎn)生新漩渦和壓力損失，提高熱量表對(duì)不同來流的適應(yīng)性以及測(cè)量精度。

進(jìn)出水部與中間部上的連接位置處安裝有配對(duì)的超聲波換能器，換能器下面是柱狀結(jié)構(gòu)的反射片裝置，由于反射式結(jié)構(gòu)是利用反射柱的發(fā)射面改變超聲波信號(hào)的傳播方向?qū)崿F(xiàn)流量測(cè)量的，反射柱足夠大的反射面才能保證信號(hào)的正常傳播，圓形的反射面積最大且圓形的反射柱也方便加工。流體流動(dòng)從柱狀反射裝置兩側(cè)匯入測(cè)量管道內(nèi)，反射柱起到了導(dǎo)流的作用；反射片形狀的改變使反射裝置附近空間更寬闊，避免產(chǎn)生射流。

流體繞圓柱后在第一測(cè)量段流動(dòng)混亂，需要在測(cè)量前端增加“喇叭口”(漸縮段)來進(jìn)行導(dǎo)流。在測(cè)量段后端增加“喇叭口”(漸擴(kuò)段)來進(jìn)行導(dǎo)流，流體進(jìn)入右側(cè)的測(cè)量段。相對(duì)安置的一對(duì)反射裝置均與換能器的中心軸線相對(duì)應(yīng)，反射體的反射面與測(cè)量管內(nèi)的水平面呈45度角；梯形“喇叭口”的腰與測(cè)量管道內(nèi)的水平面呈45度角，對(duì)稱的梯形“喇叭口”分別連接最小管徑段，梯形“喇叭口”的高度與最小管徑段的半徑之間的比值為0.9。

增大長(zhǎng)徑比可以使測(cè)量管道內(nèi)流場(chǎng)特性改善。在測(cè)量管道長(zhǎng)度不變的情況下，縮小管道直徑即增大長(zhǎng)徑比，會(huì)影響流體流速變化以及流動(dòng)特性，流體在整個(gè)測(cè)量管道內(nèi)流動(dòng)發(fā)展平穩(wěn)。在一定程度上降低前后反射裝置的擾流對(duì)測(cè)量管道內(nèi)流場(chǎng)的影響，提高流場(chǎng)性能。

圖3 TDC-GP22外圍電路設(shè)計(jì)圖

Fig.3 TDC-GP22 peripheral circuit diagram

2.2 TDC-GP22外圍電路設(shè)計(jì)及電源電路

由于TDC-GP22芯片內(nèi)部繼承的功能，包括第一波自動(dòng)檢測(cè)功能、高精度溫度檢測(cè)、脈沖發(fā)生裝置、模擬開關(guān)、比較器、窗口功能以及時(shí)鐘標(biāo)定等，僅需要外部加一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)(無需帶有任何A/D轉(zhuǎn)換)就可以完成。TDC-GP22芯片外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

為使整體元件的個(gè)數(shù)降到最低，在超聲波回波路徑當(dāng)中，僅在壓電陶瓷換能器上鏈接到一對(duì)RC上；在溫度測(cè)量路徑當(dāng)中，僅有額外的一個(gè)溫度穩(wěn)定電阻以及放電電容；振蕩器選擇一個(gè)32.768 kHz石英晶體，F(xiàn)IRE_IN管腳可以用于32.768 kHz晶振的輸出驅(qū)動(dòng)，因此單片機(jī)不需要一個(gè)低功耗的振蕩器；對(duì)于電源部分則需要應(yīng)用旁通電容來給VCC和VIO去耦，分別通過一個(gè)10 Ω電阻進(jìn)行分離。

TDC-GP22芯片利用內(nèi)部的邏輯門延遲來高精度測(cè)量時(shí)間間隔，對(duì)供電電源的性能要求較高。選用BL8503型低功耗穩(wěn)壓芯片，其良好的負(fù)載突變瞬態(tài)響應(yīng)特性及溫度特性，可確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。極低的靜態(tài)功耗(Iq=3.0 μA)延長(zhǎng)電池壽命，使電源電路穩(wěn)定可靠。電源電路如圖4所示。

利用集成在TDC-GP22內(nèi)部的模擬電路輸入部分測(cè)量流量，該芯片的FIRE_UP引腳與電阻R3、電容C7連接到換能器1上，F(xiàn)IRE_DOWN引腳與電阻R2、電容C4連接到換能器2上，兩個(gè)換能器相互進(jìn)行超聲波信號(hào)的接收或發(fā)送，設(shè)計(jì)成超聲波的外圍電路，簡(jiǎn)化整個(gè)電路設(shè)計(jì)。

TDC-GP22內(nèi)部集成的溫度測(cè)量單元有PT1、PT2、PT3和PT4等4個(gè)電阻測(cè)量端口，PT1引腳和PT2引腳分別用來連接測(cè)量上游(熱水)和下游(冷水)溫度的配對(duì)溫度傳感器Pt1000,其測(cè)量是基于PT3和PT4上連接的電阻R6在電容上的放電時(shí)間,從而電容會(huì)對(duì)參考電阻和Pt1000電阻分別放電。溫度測(cè)量是自動(dòng)完成的。TDC-GP22根據(jù)微處理器發(fā)送的Start_Temp_Restart操作碼測(cè)試溫度，TDC-GP22進(jìn)行2次或者8次的熱身測(cè)量后按PT1→PT2→PT3→PT4順序測(cè)量端口實(shí)際溫度。中斷標(biāo)志位會(huì)在4次實(shí)際測(cè)量結(jié)束后置位。MSP430微處理器依次讀取寄存器registers 0到registers 3中的4個(gè)測(cè)量值，根據(jù)RC電路電容放電時(shí)間值與電阻的比例關(guān)系，計(jì)算出外接Pt1000的電阻值，再通過查詢鉑電阻不同阻值與溫度的對(duì)應(yīng)表即可得到測(cè)量端的溫度值[2]。

圖4 電源電路

Fig.4 Power circuit

2.3 M-BUS通訊接口硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能的M-BUS通訊接口，M-BUS是一種低成本，能多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離通信的總線，在熱表中進(jìn)行通信。采用光電隔離后的M-BUS接口設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 M-BUS通訊電路圖

Fig.5 M-BUS communication circuit diagram

該M-BUS通訊電路選用TSS721A芯片，其符合EN1434-3通信標(biāo)準(zhǔn)，是M-BUS儀表總線的專用數(shù)據(jù)收發(fā)的芯片，采用光耦TLP521-1與總線互連。穩(wěn)壓電源3.3 V集成在芯片內(nèi)部，總線可以延時(shí)關(guān)斷故障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在IAR FOR MSP430 環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，系統(tǒng)上電后，①主程序首先進(jìn)行MSP430微處理器和TDC_GP22芯片以及其他外圍元器件的初始化，設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘；②微處理器進(jìn)入低功耗LMP3模式，SFR中各模塊允許確定各自控制器工作狀態(tài)的配置；③中斷請(qǐng)求或允許狀態(tài)控制模塊的動(dòng)作，當(dāng)微處理器MSP430被一個(gè)允許的中斷喚醒，就會(huì)執(zhí)行中斷程序，SR和PC保存入堆棧，中斷事件發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)被保存；④復(fù)位SR中的運(yùn)行模式控制位OscOff、SCG1和CPUOff自動(dòng)。系統(tǒng)的程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

為了降低系統(tǒng)功耗，采用數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單的增量式PID調(diào)節(jié)算法，有著超調(diào)和快速調(diào)節(jié)控制的優(yōu)點(diǎn)。通過反復(fù)調(diào)試，配置合適的PID參數(shù)，使溫度測(cè)量的瞬態(tài)相應(yīng)速度以及流量測(cè)量的穩(wěn)定性得到較大的提高[9]。溫度不會(huì)瞬變，可以每30秒采集一次；流量會(huì)瞬變，需要每1秒采集一次。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與分析

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出溫度及流量的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的超聲波熱量表的高精度以及可靠性，進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表達(dá)到了預(yù)期的要求。

4.1 溫度測(cè)量

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128-2007的出廠規(guī)定[10]，選取5塊小口徑DN25型熱量表在恒溫槽HWC-R-L和精密數(shù)字測(cè)溫儀SPI1602A上進(jìn)行溫度測(cè)試,溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，測(cè)量中的溫度傳感器Pt1000的配對(duì)誤差絕對(duì)值小于0.037 ℃。

4.2 流量測(cè)量

溫度保持在55 ℃下，將選取的熱量表放在熱量表檢定裝置RJZ15-25Z上分別對(duì)5個(gè)不同的流量點(diǎn)進(jìn)行流量測(cè)試，流量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的熱量表精度高，誤差絕對(duì)值≤ 0.9%。

表1 溫度測(cè)量結(jié)果

表2 流量測(cè)量結(jié)果

Tab.2 Flow measuremments

流量點(diǎn)/(m3/h)累計(jì)流量測(cè)試值/m3累計(jì)流量實(shí)際值/m3相對(duì)誤差/(±%)要求/(±%)0.0650.00503440.005080.89763.080.0800.00511470.005160.87792.880.1500.01084960.010910.55362.470.4700.04052690.040360.41352.152.0000.09462050.094820.21042.04

流量傳感器出廠測(cè)試按照2級(jí)表的準(zhǔn)確度公式

(2)

式中：qp為常用流量，查閱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ 128-2007可知公稱直徑DN25對(duì)應(yīng)的qp值為3.5 m3/h；q為使用范圍內(nèi)流量值。

為與不考慮流場(chǎng)因素的流量測(cè)量表進(jìn)行精度比較，用MATLAB軟件對(duì)本論文設(shè)計(jì)的基表與文獻(xiàn)[2]中基表的流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差曲線對(duì)比(如圖7)。

圖7 不同流量點(diǎn)的誤差曲線圖

Fig.7 Different flow point of error curve

由圖7可看出，本研究設(shè)計(jì)的熱量表在低流量段(0.05～0.5 m3/h)的測(cè)量誤差較小且誤差曲線波動(dòng)不大，表明流喉道結(jié)構(gòu)起到了很好的整流效果。而且，本研究設(shè)計(jì)的熱量表在所有流量范圍內(nèi)誤差明顯小于文獻(xiàn)[2]中的誤差，且較快速趨于平穩(wěn)，超聲波熱量表的適應(yīng)性顯著提高，達(dá)到了預(yù)期的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)流體流動(dòng)的發(fā)展過程和流場(chǎng)分布規(guī)律，優(yōu)化基表結(jié)構(gòu)，從而改善基表內(nèi)水流特性，提高測(cè)量精度。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)的超聲波熱量表進(jìn)行溫度測(cè)試、流量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的超聲波熱量表具有高精度以及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)表的要求，達(dá)到了預(yù)期要求。

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(責(zé)任編輯：傅 游)

An Design on Ultrasonic Heat Meter with High Precision

LI Shiguang,JIA Junzheng,LI Kaixuan,GAO Zhengzhong,TAN Chong

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

In view of internal flow as a major influence on ultrasonic heat meter’s accuracy,a new type of ultrasonic heat meter with high precision is designed based on the principle of time difference measurement.A new hourglass-shaped throat structure is added to the water inlet end cavity of the base table to deter from new eddy and pressure loss.It takes a columnar reflex attachment to widen its nearby space to avoid jet flows.It can change the flow features to make its smooth through the added bell-mouthing of the converging segment and the expanded segment back and forth on the end of measuring tube and the increased length-diameter ratio .The improvement on performance of internal flow is made through improved base table. The experimental results shows that the measurement accuracy has improved dramatically to achieve the anticipated demands and conform with the requirements of the industry-standard second level table.

heat meter;dfference measurement;fluid throat structure;bell-mouthing;length-diameter ratio

2015-12-08

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015T80729)；青島市博士后研究人員應(yīng)用研究項(xiàng)目資助(2015190)

李世光(1962—)，男，山東青島人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、控制理論與控制工程、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置. 賈俊征(1989—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化.E-mail:jiajz1203@163.com

TH701

1672-3767(2016)05-0096-06