提高超声热量表流量测量精度的结构设计

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2 表体结构设计近年来。我国大力提倡节能减排.供热计量改革正在逐步发展。根据发达国家的经验.采用分户计量收费措施可节约 20%-34%的能源Ⅲ。

因此 .对供热收费体制和采暖系统进行改革 .实现按表分户计量收费势在必行 随着改革的进行 ，对热量表的性能、质量的要求也越来越高。热量表由流量传感器、配对温度传感器和计算器三部分组成 .流量传感器为超声波式的热量表称为超声热量表 超声热量表具有精度较高、对水质要求较低、压力损失孝可靠性好等特点.目前使用最为广泛。超声热量表-般采用时差法计算流体的流速 .表体结构对流速测量影响很大 如何通过表体结构设计提高流量测量精度，特别是小流量点的测量精度.是超声热量表设计的难题之-。

1 时差法测量原理时差法是利用两个压电换能器相互向对方发射超声波.对方接收并记录时间差，由于声波在流体中顺流传播和逆流传播的速度不同。

抉能羹1图 1 时差法超声波流量测量原理图图中，D为管道内直径， 为换能器间距 ，t 为超声波顺流速度 ，为逆流速度.0为传播方向与流动方向夹角。c为超声波在非流动介质中的声速.y为介质流动速度。顺流和逆流时间可表示为：( )z 丽 L (2)和t 之间的差为：△ ：- ： - (3)c-V COS 0由于 <

(5)通过时差法测量原理可知.顺流与逆流差值撒于测量管段流体流速。流速越快.差值越大，测量精度越高，小流量的流量测量尤为突出。同时，测量管段的流场稳定 。流速分布差异小 ，则容易进行流速修正。因此.热量表表体结构-般采用以下三种设计 ，来提高超声热量表的流量测量精度2.1 表体加长超声热量表的流量测量量程比-般为 5O：1或 100：1。量程比越大，可检测的最小流量越小，计量能力越强。测量精度高、量程比大的超声热量表-般表体都比较长。表体较长的超声热量表 。两个换能器之间的超声波声程较长.而且减少了前后连接法兰处安装偏心、垫圈偏心和前后管段内表面粗糙度等对测量管段流场的影响.从而提高了超声热量表流量测量的精度 表 l为两种超声热能表的表体长度对比。其中1#为量程比为 100：1。计量性能较好的德国制造的超声热量表，2#为量程比为50：1，计量性能-般的国产超声热量表。

表 1 两种热量表表长对比口径(ram) 1#表长(ram) 2#表长(mm) 40 33 2050 30 2065 30 2080 35 22.5100 35 25可以看出，流量测量精度高，稳定性好的超声热量表表体较长，是普通热量表的1.5倍左右。制造超声热量表基表的材料-般采用铸铜或不锈钢，表体加长设计在提高测量精度的同时，也增加了生产成本，这也是国产表-般不采用表体加长设计的原因。

2.2 缩径图2 缩径设计示意图缩径结构在DN40mm到DNlOOmm的超声波热量表中应用较为普遍。流量测量量程比100：1、200：1的超声热量表，基表-般都采用了缩径结构。表前端经弧形过渡到口径小-些的直管段 ，表后端经过同样的弧形过渡回到安装 口径。如图 2所示。缩径提高了测量管段水流速度，并有-定的整流作用，因此提高了测量精度，(下转第74页)作者简介：朱锐(1981-)，男，汉族，新疆鸟鲁未齐人，新疆计量测试研究院，主要从事热量表、水表的检定和研究。

梁芳(198O-)，女，回族，新疆鸟鲁木齐人，新疆计量测试研究院，主要从事热量表、水表的检定和研究。

sci朗ce＆Technol。gy Visi。n科技视界I 69科技·探索·争鸣 Science&Technology Vison 科 技 视 界 控制器间逻辑电平不-致情况.需增加电平匹配电路。

图5 MAX3378应用电路电平匹配电路芯片选择 MAX3378.MAX3378是 MAX公司出的- 款低电压的电平转换芯片，提供15kV的静电保护，低功耗仅 luA。

最高数据传输速率可达到 16Mbps，主要的使用诚有 SPI、I2C、智能读卡器、便携式 POS系统、便携式通信设备、低成本的串行接口、GPS、电讯设备等。

MAX3378有 UCSP-12，TSSOP-14和TDFN-14等封装形式.便于不同的应用。每片 MAX3378中包含 4个双向的三态输入输出门，其每个三态输入输出门的功能图如图4所示 从功能图中可以看出。在左右两边的10口都是双向的.既可以输入又可以输出.其输出的逻辑电平由对应那边的电源决定.如 10 vL的输出逻辑电平和 vL-致。10VCC的输出逻辑电平和VCC-致 图 5是 MAX3378的基本应用电路l!§ 、J。c Ⅶ !l ， 、PB0 13 翼曼- -藏r-万- Io、 l oⅥ1 -弱F'fr- IoV。2 IO、 2-嚣r1百- IO、3。3 lO、 3- - - - IO C4 10P暑 百.- 。- 宙窿 GND3v3 )B粥 脚 T 口l1 丁 RC O D0 pB4 f- v。c 、jL -T1疆痨 / - p1 IOVo。l Io、 1 DlIo、1 IO、 2 3 D5 、L W D2 D2-甚r-Tr- Io 0∞ IO、缸3 4 RCD6/ RCD3 D39 IO ， IO、 ， K D7 / D4pBH 百- № NC 6 W D5 蠢D5 -p5 埘 6 Ⅲ眦 ∞ -工 WD7 D78 M FRC 5 00 日/l， IC A0 O T U13 PB8 fr v。c 1-麓 -露- IO ∞ IO91.1 2-髓丽-玎- IO 魏 IO91.2Ncs-商前- 10V0。3 jO、 3Io、0 1O、&傩 - Ⅲ嬲 ∞ - ～ ∞ N豫 T U14 T LE船 。L告 . RD图 6 电平转换部分电路原理现举-例.MAX3378在 MFRC500读卡器与意法半导体(sT)公司的STM32F103RCT6控制器之间使用.用来匹配两边的逻辑电平关系。MFRC500读卡器必须使用 5v供电.而控制器则需 3.3v供电。原理图如图6所示.其中 MFRC500与控制器之间需要15跟连线。为了增加射频读卡器拈的通用性，在MFRC500与控制器之间增加 MAX3378做为电平转换部分.整个对 MFRC500的控制通过控制器的PB口进行控制。

(上接第69页)尤其是小流量的测量精度。例如，某厂家DNlOOmm的超声热量表，缩径部分仅为 DN6Omm，管中水流经缩径后，增速 3倍左右。缩径结构对小流量点的流量测量非常有效.拓宽了超声热量表的流量测量范围。缩径结构的缺点是增加了管路沿途压力损失。

2-3 整流器DNt00mm以下的超声热量表 。还可以采用入 口端加整流器的方法.提高流量测量精度 超声热量表采用的表前整流器-般为两种方式：第-种为筛网整流板.类似于水表前端的整流器.第二种为十字整流板.见图3。筛网整流板-般用于光管表体超声热量表.而十字整流板-般用于缩径表体的超声热量表。原因在于.筛网整流板的整流效果比十字整流板好，但是对管路的阻力较大，压损较大。因此.对于光管表体超声热量表.可以采用筛网整流板整流：缩径结构的超声热量表 ，由于缩径有-定整流作用.再采用筛网整流压损过大，-般采用十字导流板整流 ，压力损失小 .并且可以达到较好 的整流效果 。

DN100ram以上超声热量表 前端-般不采用整流器。其原因是大口径超声热量表对小流量点的测量精度要求相对较低。大口径管路的压损要求较高筛秘导流板 十字导漉板图 3 表前整流器示意图74 l科技视界 science＆Techn山g)r Visi。n3 结论[责任编辑 ：王迎迎]表体加长、缩径、整流器三种表体结构方式可以提高超声热量表的流量测量精度 本文详细介绍了这三种结构的特点和适用条件 -般采用三种中的若干种组合的方式.应用于DNlOOmm以下的超声热量表，提高了流量测量精度，尤其是小流量点的测量精度。大量检测数据证明.缩径结构和十字导流板组合的方式.流量稳定性较好.不易被水质杂质堵塞管路，对安装场地的前直管段要求较低。因此 ，在安装条件较为复杂，或对小流量测量精度要求较高的情况下 .建议选择缩径结构、有表前整流器的超声热量表。