低功耗超声热能表的实验研究

　　目前,传统的热能表主要为机械式的,是在普通的叶轮式流量计的基础上改进而来,虽然其应用比较广泛,但是它有以下缺点:对水质要求高、压损大,由于内部有可动部件,仪表易磨损、使用寿命短等[1].近年来,利用超声测量流量的技术已被广泛应用[2],超声流量计具有内部无阻碍流体运动的部件、无压损、对水质要求不是很高、可测量高粘度或高腐蚀性流体、便于维护等优点[3].

　　笔者根据热能积算的基本原理,结合有关供暖系统的技术指标,采用MSP430系列低功耗单片机,设计了一种低功耗超声热能表.它不但克服了传统热能表的缺点,且功耗低,符合我国热能表相关标准的基本要求.

　　1　基本原理

　　热能表是用于测量及显示热交换回路中载热液体所释放的热量的计量器具[4].它一般由流量传感器、配对温度传感器和计算器组成[5].其工作原理是:将配对温度传感器分别安装在热交换回路的入口和出口的管道上,将流量传感器安装在人口或出口管上;流量传感器发出流量信号,配对温度传感器给出人口和出口的温度信号,计算器采集流量信号和温度信号;经过计算,显示出载热液体从人口至出口所释放的热量值.

　　式(1)中:Q—释放的热量,kJ;V—载热液体流过的体积流量,m3/h;ρ—载热液体密度,kg/m3;Δθ—热交换回路中载热液体入口处和出口处温度的焓值差,kJ/kg;t—时间,s;焓值差可由与载热液体温度相相应的焓值表查得.因此,得到体积流量和温度差是计算热量的关键.

　　1.1　流量测量

　　通过测量超声波在流动的流体中,顺流传播时与逆流传播时的速度之差来得到被测流体的流速.超声波由超声波换能器产生,经信号处理后将两个超声波换能器的时差信号分辨出来,以实现流量测量功能,管道的公称直径为DN15.

　　本设计运用的是超声波的时差法流量测量原理,时差法是在被测流体内建立由两路超声波发射和接收器构成的超声波通道,分别在顺流方向和逆流方向发射超声波脉冲,测量其传播的时间差Δt.

　　顺流方向发射超声脉冲的传播时间为

　　逆流方向发射超声脉冲的传播时间为

　　式(2)(3)中:L—超声波发射与接收器之间的距离,即声程(m);c—被测流体静止时的超声波传播速度(m/s);u—被测流体的速度(m/s).

　　则在顺流和逆流情况下超声波的传播时间差为:

　　1.2　温度测量

　　按照铂电阻Pt-1 000,在0~850℃随温度变化的关系计算温度:

　　通过采集进水温度对应的电压信号,出水温度对应的电压信号就可以计算出对应的电阻阻值,再根据式(8)即可求得对应的温度,温度范围为0~100℃.