非接触式超声热量计的设计

　　0　引　言

　　我国北方广大地区冬季供暖时间长,供暖锅炉数量大,设备普遍落后,每年要浪费大量的燃料,但供热效果用户并不满意,存在供热过度或不足的问题。国家建设部编制的建筑技术政策(1996~2010)中提出,供暖通风空调设备要发展“用热按户计量控制装置”。热费结算将普遍采用分户计量,按实际使用热量收费,它的实施可带来20 %~30 %的节能效果。

　　传统的热量仪表主要是机械式叶轮热量表,它有以下缺点:对水质要求高,通常要加装过滤装置;压力损失大,造成能量损失;机械部件易磨损,需要经常校表;使用寿命短等。本文从热量测量的基本原理出发,结合供暖系统的技术指标,设计了一种新型的非接触智能超声波热量计。它对水质要求低、不破坏流场、无压力损失、测量精度高。该热量计还具有电池供电、寿命长、安装维护方便等优点。

　　1　热量测量的基本原理

　　1.1　热量测量原理

　　热量计是一种适用于测量在热交换环路中载热流体所吸收或转换热能的仪表,热量计又称热能表或热能积算仪。它既能测量供热系统的供热量,又能测量供冷系统的吸热量.

　　供热系统是一个稳定系统。热水流经用户热交换器时,管内压力基本不变,所以,供热可以看作是一个等压过程。由焓差法热量计算公式,可知用户获得的热量为

　　式中　Q为热量,kW·h;K_e为热焓修正系数,,它的大小与温度有关,可以看作是温度的函数,K_e= f(t);q_m为质量流量,kg/s;Δt为回路温差,℃;对一定的时间间隔积分即可求得热量的大小。所以,热量测量的关键是准确测定K_e,q_m和温差Δt。

　　1.2　实现方法

　　1.2.1　温度参数的测量

　　温度传感器选用铂电阻温度计(Pt1000),采用三线制测温电桥进行温度测量。铂电阻与温度的关系在0~850℃范围内表示为

　　采用适当的测量电路和信号处理方法,在0~100℃范围,测量精度即可达到0.1℃。

　　1.2.2　流量参数的测量

　　流量测量采用非接触式的超声波流量测量方法。它的测量原理主要有:时差法、频差法、多普勒效应法、噪声法和相关法等。其中,频差法的工作原理如图1所示。

　　TR₁和TR₂为超声波换能器,既能发射又能接收超声波。TR₁发射脉冲式超声波,经流体和管壁反射后,被TR₂接收,并转换为电脉冲,经放大后再用此电脉冲来激发TR1形成超声波发射,如此循环转换形成单环自激振荡,振荡频率为f₁;一定时间间隔后,由切换开关切换TR₂发射超声波,TR₂接收,形成自激振荡,振荡频率为f₂。若流体的流动速度为v,流体中的声速为c。则流体流速与频率间的关系为