專利名稱：時(shí)差法超聲波式熱、冷量表及其計(jì)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量熱量的儀表領(lǐng)域，尤其是按照熱量計(jì)費(fèi)的方法，具體地說(shuō)是一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表及其計(jì)量方法。其完全符合國(guó)家城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CJ 128-2007》。
背景技術(shù)：
目前，供熱、冷計(jì)量收費(fèi)改革在全國(guó)開(kāi)展后，在廣大北方地區(qū)及中部地區(qū)的供熱， 同時(shí)，南方地區(qū)的供冷計(jì)量用熱量表的年需求量可達(dá)上百萬(wàn)套近千億元的市場(chǎng)容量。傳統(tǒng)的機(jī)械熱量表具有使用壽命短測(cè)量精度低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械熱量表具有使用壽命短測(cè)量精度低的的問(wèn)題，提出一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表及其計(jì)量方法。采用超聲波熱量表有效的解決了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)件的磨損而導(dǎo)致計(jì)量精度不精確的缺點(diǎn)。超聲波熱量表在使用過(guò)程中沒(méi)有任何的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和磨損部件，因此確保了其使用壽命和精度。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，它包括由順、逆流超聲波換能器、兩立柱和流量管構(gòu)成的基表、進(jìn)水口溫度傳感器、出水口溫度傳感器、溫度、時(shí)間測(cè)量模塊、MCU處理器和 LCD顯示器，所述的進(jìn)水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫，出水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出口的水溫；進(jìn)水口、出水口溫度傳感器的信號(hào)輸出端分別與溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)輸入端相連，溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的時(shí)間控制信號(hào)輸出端與順、逆流超聲波換能器的對(duì)應(yīng)控制信號(hào)輸入端相連，溫度、時(shí)間測(cè)量模塊與 MCU處理器的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)端相連，順、逆流超聲波換能器均安裝在流量管上，沿流量管內(nèi)的流體方向依次設(shè)置，兩立柱均安裝在流量管內(nèi)，分別置于順、逆流超聲波換能器的下方， 順、逆流超聲波換能器的信號(hào)輸出端分別與MCU處理器的對(duì)應(yīng)時(shí)間信號(hào)輸入端相連，MCU處理器的的信號(hào)輸出端與LCD顯示器的信號(hào)輸入端相連。本發(fā)明的量表還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電壓檢測(cè)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)信號(hào)端與MCU 處理器的存儲(chǔ)信號(hào)端雙向連接；電壓檢測(cè)器用于檢測(cè)供電電池的電壓，電壓檢測(cè)器的信號(hào)輸出端與MCU處理器的對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)采集端相連。本發(fā)明的順、逆流超聲波換能器均為圓柱體形狀，處于流量管的管道內(nèi)液體的上方或側(cè)面。本發(fā)明的兩立柱的上部均為反射面，呈45°斜面，兩立柱的反射面相對(duì)設(shè)置。本發(fā)明的立柱的反射面采用不銹鋼材料制成，切割成45°坡面后經(jīng)過(guò)拋光制成。一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表的計(jì)量方法，它包括以下步驟(a)、首先，通過(guò)進(jìn)水口溫度傳感器和出水口溫度傳感器，分別檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫和供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出水口的水溫，并將測(cè)量結(jié)果傳送給溫度、時(shí)間測(cè)量模塊，通過(guò)溫度、時(shí)間測(cè)量模塊發(fā)送至MCU處理器；(b)、MCU處理器通過(guò)控制溫度、時(shí)間測(cè)量模塊開(kāi)啟順、逆流超聲波換能器(2、3)， 順、逆流超聲波換能器分別檢測(cè)流量管內(nèi)的沿流體方向的順流時(shí)間和逆流時(shí)間Tia，并將測(cè)量結(jié)果傳送給MCU處理器，MCU處理器采用以下方程計(jì)算出流經(jīng)流量管的水流速qv
C2ATQv=-
4 v 2Lcom 9C為超聲波在水中傳播的速度；Δ T = Iffi流-T順流；(c)、MCU處理器計(jì)算出的供熱、冷系統(tǒng)釋放的熱、冷量Q = / P CivAhd τ其中，Q 供熱、冷系統(tǒng)釋放的熱量；ρ 流經(jīng)流量管的水的密度kg/m3 ；qv 流經(jīng)流量管的水的流速m3/h，即步驟(b)得到的水流速；τ :時(shí)間，即供熱、冷量計(jì)算的積分時(shí)間；Ah 焓值差，由進(jìn)水口溫度對(duì)應(yīng)的焓值-出水口溫度對(duì)應(yīng)的焓值。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用超聲波熱量表有效的解決了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)件的磨損而導(dǎo)致計(jì)量精度不精確的缺點(diǎn)。超聲波熱量表在使用過(guò)程中沒(méi)有任何的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和磨損部件，因此確保了其使用壽命和精度。本發(fā)明的超聲波小口徑基表?yè)Q能器采用“U”型反射法，采用“U”型反射法的優(yōu)點(diǎn)在于Α.兩只換能器始終保持在液體上方或側(cè)面，不會(huì)有污垢沉淀在換能器上而導(dǎo)致測(cè)量精度的不精確。B.相對(duì)于直對(duì)射安裝方法，“U”型反射具有受壓力均勻的優(yōu)點(diǎn)，而直對(duì)射安裝則會(huì)有一只換能器始終受到水的沖擊力而減少使用壽命。超聲波基表結(jié)構(gòu)采用不銹鋼殼體，整只基表內(nèi)不含有塑料結(jié)構(gòu)。反射面采用不銹鋼材料制成，反射面由圓柱體切割成45 度坡面然后經(jīng)過(guò)拋光制成。采用全自動(dòng)壓床壓入不銹鋼殼體內(nèi)，具有密封性能。為了提供精度測(cè)量分辨率，超聲波直管段內(nèi)采用“縮徑”的處理技術(shù)，在保持壓損合格的前提下采取 “縮徑”的方法有效解決了小流量的穩(wěn)定性。本發(fā)明的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表的技術(shù)指標(biāo)如下1.整機(jī)靜態(tài)電流< IOuA ；2.整機(jī)動(dòng)態(tài)電流< IOmA ；3.整機(jī)平均電流< 30uA ；4.溫度測(cè)量精度:0. Ol0C ；5.流量測(cè)量精度符合國(guó)家熱量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ128-2007的2級(jí)精度要求；6.流量測(cè)量范圍(0. 03-25. 0)m3/h ；7.溫度范圍 J4-95)°C ；8.溫差范圍(3-90) K ；9.最大工作壓力l.6MPa。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的基表的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的流程圖。圖4是超聲波測(cè)量原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1-4和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，它包括由順、逆流超聲波換能器2、 3(型號(hào)CSB1M)、兩立柱4和流量管1構(gòu)成的基表、進(jìn)水口溫度傳感器、出水口溫度傳感器、 溫度、時(shí)間測(cè)量模塊(溫度，時(shí)間測(cè)量模塊選用德國(guó)的TDC-GP2測(cè)量芯片)、MCU處理器(型號(hào)MSP430F415)和IXD顯示器，所述的進(jìn)水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫，出水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出口的水溫；進(jìn)水口、出水口溫度傳感器的信號(hào)輸出端分別與溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)輸入端相連，溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的時(shí)間控制信號(hào)輸出端與順、逆流超聲波換能器2、3的對(duì)應(yīng)控制信號(hào)輸入端相連， 溫度、時(shí)間測(cè)量模塊與MCU處理器的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)端相連，順、逆流超聲波換能器2、3均安裝在流量管1上，沿流量管1內(nèi)的流體方向依次設(shè)置，兩立柱4均安裝在流量管1內(nèi)，分別置于順、逆流超聲波換能器2、3的下方，順、逆流超聲波換能器2、3的信號(hào)輸出端分別與MCU 處理器的對(duì)應(yīng)時(shí)間信號(hào)輸入端相連，MCU處理器的的信號(hào)輸出端與IXD顯示器的信號(hào)輸入端相連
本發(fā)明的量表還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電壓檢測(cè)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)信號(hào)端與MCU 處理器的存儲(chǔ)信號(hào)端雙向連接；電壓檢測(cè)器用于檢測(cè)供電電池的電壓，電壓檢測(cè)器的信號(hào)輸出端與MCU處理器的對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)采集端相連。本發(fā)明的順、逆流超聲波換能器2、3均為圓柱體形狀，處于流量管1的管道內(nèi)液體的上方或側(cè)面。本發(fā)明的兩立柱4的上部均呈45°斜面，相對(duì)設(shè)置。超聲波小口徑基表?yè)Q能器采用“U”型反射法，采用“U”型反射法的優(yōu)點(diǎn)在于A.兩只換能器始終保持在液體上方或側(cè)面，不會(huì)有污垢沉淀在換能器上而導(dǎo)致測(cè)量精度的不精確。B.相對(duì)于直對(duì)射安裝方法，“U”型反射具有受壓力均勻的優(yōu)點(diǎn)，而直對(duì)射安裝則會(huì)有一只換能器始終受到水的沖擊力而減少使用壽命。超聲波基表結(jié)構(gòu)采用不銹鋼殼體，整只基表內(nèi)不含有塑料結(jié)構(gòu)。反射面采用不銹鋼材料制成，反射面由圓柱體、橢圓柱體或矩形柱體切割成45度坡面然后經(jīng)過(guò)拋光制成。 采用全自動(dòng)壓床壓入不銹鋼殼體內(nèi)，具有密封性能。為了提供精度測(cè)量分辨率，超聲波直管段內(nèi)采用“縮徑”的處理技術(shù)，在保持壓損合格的前提下采取“縮徑”的方法有效解決了小流量的穩(wěn)定性。相對(duì)與塑料件的反射結(jié)構(gòu)而言本設(shè)計(jì)具有精度高，不受液體溫度及壓力變化影響的優(yōu)點(diǎn)。圖2中給出換能器2向換能器3發(fā)射超聲波的路徑示意圖用“箭頭”標(biāo)注。換能器2和3處于管道內(nèi)液體的上方，在管道內(nèi)承受的壓力是基本相等的(接收和發(fā)射面平行與液體流動(dòng)面)。即使管道內(nèi)有污垢只能沉淀到管道底部而不會(huì)沉淀到換能器上。圖2中虛線為管道內(nèi)壁。下方的兩個(gè)柱體(圓柱體、橢圓柱體或矩形柱體)為反射面(45度)。而圖4采用的“Z”形對(duì)射(也是指超聲波傳播的路徑)兩只換能器承受的壓力是不同的，順流方向的換能器承受壓力小于逆流方向換能器所承受的壓力(液體流動(dòng)對(duì)換能器所附加
6的沖擊力)。所以當(dāng)流速過(guò)高時(shí)對(duì)逆流方向的換能器的壽命和精度是有影響的。當(dāng)管道內(nèi)沉積的污垢過(guò)多時(shí)將會(huì)覆蓋掉換能器的發(fā)射和接收面從而影響精度。—種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表的計(jì)量方法，它包括以下步驟(a)、首先，通過(guò)進(jìn)水口溫度傳感器和出水口溫度傳感器，分別檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫和供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出水口的水溫，并將測(cè)量結(jié)果傳送給溫度、時(shí)間測(cè)量模塊，通過(guò)溫度、時(shí)間測(cè)量模塊發(fā)送至MCU處理器；(b)、MCU處理器通過(guò)控制溫度、時(shí)間測(cè)量模塊開(kāi)啟順、逆流超聲波換能器(2、3)， 順、逆流超聲波換能器2、3分別檢測(cè)流量管1內(nèi)的沿流體方向的順流時(shí)間Twrffi和逆流時(shí)間 Tffis,并將測(cè)量結(jié)果傳送給MCU處理器，MCU處理器采用以下方程計(jì)算出流經(jīng)流量管1的水流速Q(mào)v
權(quán)利要求
1.一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，其特征是它包括由順、逆流超聲波換能器0、3)、 兩立柱(4)和流量管(1)構(gòu)成的基表、進(jìn)水口溫度傳感器、出水口溫度傳感器、溫度、時(shí)間測(cè)量模塊、MCU處理器和LCD顯示器，所述的進(jìn)水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫，出水口溫度傳感器用于檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出口的水溫；進(jìn)水口、出水口溫度傳感器的信號(hào)輸出端分別與溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)輸入端相連，溫度、時(shí)間測(cè)量模塊的時(shí)間控制信號(hào)輸出端與順、逆流超聲波換能器0、3)的對(duì)應(yīng)控制信號(hào)輸入端相連，溫度、時(shí)間測(cè)量模塊與MCU處理器的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)端相連，順、逆流超聲波換能器(2、3) 均安裝在流量管(1)上，沿流量管(1)內(nèi)的流體方向依次設(shè)置，兩立柱(4)均安裝在流量管 (1)內(nèi)，分別置于順、逆流超聲波換能器0、3)的下方，順、逆流超聲波換能器0、3)的信號(hào)輸出端分別與MCU處理器的對(duì)應(yīng)時(shí)間信號(hào)輸入端相連，MCU處理器的的信號(hào)輸出端與IXD顯示器的信號(hào)輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，其特征是該量表還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電壓檢測(cè)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)信號(hào)端與MCU處理器的存儲(chǔ)信號(hào)端雙向連接；電壓檢測(cè)器用于檢測(cè)供電電池的電壓，電壓檢測(cè)器的信號(hào)輸出端與MCU處理器的對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)采集端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，其特征是所述的順、逆流超聲波換能器(2、；3)均為圓柱體形狀，處于流量管(1)的管道內(nèi)液體的上方或側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，其特征是所述的兩立柱(4)的上部均為反射面，呈45°斜面，兩立柱的反射面相對(duì)設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表，其特征是所述的立柱(4)的反射面采用不銹鋼材料制成，切割成45°坡面后經(jīng)過(guò)拋光制成。
6.一種基于權(quán)利要求1所述的時(shí)差法超聲波式熱、冷量表的計(jì)量方法，其特征是它包括以下步驟(a)、首先，通過(guò)進(jìn)水口溫度傳感器和出水口溫度傳感器，分別檢測(cè)供熱、冷系統(tǒng)入戶處的水溫和供熱、冷系統(tǒng)供熱、冷后出水口的水溫，并將測(cè)量結(jié)果傳送給溫度、時(shí)間測(cè)量模塊， 通過(guò)溫度、時(shí)間測(cè)量模塊發(fā)送至MCU處理器；(b)、MCU處理器通過(guò)控制溫度、時(shí)間測(cè)量模塊開(kāi)啟順、逆流超聲波換能器0、3)，順、逆流超聲波換能器(2、；3)分別檢測(cè)流量管(1)內(nèi)的沿流體方向的順流時(shí)間Twrffi和逆流時(shí)間T ffi，并將測(cè)量結(jié)果傳送給MCU處理器，MCU處理器采用以下方程計(jì)算出流經(jīng)流量管(1)的水流速qv
全文摘要
一種時(shí)差法超聲波式熱、冷量表及其計(jì)量方法，它包括由順、逆流超聲波換能器、兩立柱和流量管構(gòu)成的基表、進(jìn)水口、出水口溫度傳感器、溫度、時(shí)間測(cè)量模塊、MCU處理器和LCD顯示器，所述的溫度傳感器分別通過(guò)溫度、時(shí)間測(cè)量模塊與MCU處理器的對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)端相連，順、逆流超聲波換能器沿流體方向設(shè)置，兩立柱置于換能器的下方，換能器的信號(hào)輸出分別與MCU處理器的輸入端相連，MCU處理器的的信號(hào)輸出端與LCD顯示器的信號(hào)輸入端相連。采用超聲波熱量表能有效的解決了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)件的磨損而導(dǎo)致計(jì)量精度不精確的缺點(diǎn)。超聲波熱量表在使用過(guò)程中沒(méi)有任何的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和磨損部件，因此確保了其使用壽命和精度。
文檔編號(hào)G01K17/10GK102252785SQ20111015700
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者吳興中 申請(qǐng)人:吳興中