超聲波熱量表的最佳解決方案

長(cháng)期以來(lái)，我國北方地區城鎮居民采暖一般按住宅面積而不是實(shí)際用熱量收費，導致用戶(hù)節能意識差，造成嚴重的資源浪費，顯然該計量方法缺乏科學(xué)性。隨著(zhù)能源短缺，國家提倡節能減排，這種粗放式的供暖方式嚴重違背了環(huán)保概念，隨之而來(lái)的是分戶(hù)計量，按需取暖的供暖方式。

在八十年代初，歐美等發(fā)達國家的熱量表使用已相當普遍，熱力公司以熱量表作為計價(jià)收費的依據和手段，節能20％～30％。作為建筑節能的一項基本措施，國家建設部已將熱量計量收費列入《建筑節能“九五”計劃和2010年規劃》：對集中供暖的民用建筑安裝熱表及有關(guān)調節設備并按戶(hù)計量收費的工作，1998年通過(guò)試點(diǎn)取得成效，開(kāi)始推廣，2000年在重點(diǎn)城市新建小區推行，2010年全面推廣。

目前計量改革正在逐步展開(kāi)，供熱改革也在同時(shí)進(jìn)行。而作為計量改革中的一個(gè)非常重要的環(huán)節，分戶(hù)計量的熱量表也迎來(lái)了一個(gè)非常好的發(fā)展時(shí)期。

不同性能的熱量表分析

目前市場(chǎng)上的熱量表有多種，按照不同的標準有不同的分類(lèi)。

按物理特性可分為有磁熱量表和無(wú)磁熱量表。所謂“有磁熱量表”是指在流量信號采集上采用磁性（磁鐵）傳感器，如“韋根”，“霍爾”，“干簧管”等?，F在“霍爾、干簧管“采集信號已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰。通常所說(shuō)的有磁一般都指“韋根”熱量表。而“無(wú)磁熱量表”是指熱量表在流量信號采集上利用電感振蕩原理或超聲波原理取得的，沒(méi)有任何磁鐵及磁性物質(zhì)。

由于國內供暖環(huán)境差，熱水中摻雜著(zhù)大良的雜質(zhì)，其中包括金屬等，這對于“有磁熱量表”來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰，以至于目前“有磁熱量表”在國內沒(méi)有市場(chǎng)，現在使用的基本都是“無(wú)磁熱量表”

按機械特性分，則可分為機械式、機電式和電子式。其中機械式是指整個(gè)表都為機械部件組成，無(wú)電子元件。這種類(lèi)型技術(shù)門(mén)檻低，價(jià)格便宜，是早前的主流產(chǎn)品，但它的抗干擾能力差，機械齒輪容易被雜質(zhì)卡住或損壞，且不適應電子化潮流。為克服以上種種問(wèn)題，市場(chǎng)上出現了改進(jìn)型的機電式熱能表。機電式是在機械式表的基礎上增加電子顯示、計費、抄表等功能模塊。但它始終只是在機械表的基礎上加電子控制板發(fā)展而來(lái)，無(wú)法解決抗干擾能力差的問(wèn)題。

全新的電子式熱能表在此環(huán)境下應運而生。電子式則是指整個(gè)表全由電子器件組成，無(wú)機械部分，不存在損壞和卡表的故障，抗干擾能力強，在擴展和升級方面很方便，符合市場(chǎng)發(fā)展方向。

超聲波熱量表

電子式熱能表取代傳統熱能表成為主流已呈明顯趨勢，而在電子式領(lǐng)域中，超聲波技術(shù)以其諸多的優(yōu)點(diǎn)深受歡迎。

超聲波熱量表（Ultrasonic Heat meter）是在超聲波流量計的基礎上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來(lái)計算出向用戶(hù)提供的熱量。

其中流量測量部分是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀(guān)測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的流速，再通過(guò)流速來(lái)計算流量的一種間接測量方法。如圖2所示：

獲得流量后，再通過(guò)分設在進(jìn)水管和出水管上的兩個(gè)溫度傳感器，分別測出進(jìn)水的溫度和出水的溫度，算出進(jìn)出水的溫差。利用流量傳感器對供水管道的瞬時(shí)熱水流量 Q進(jìn)行計量，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的累計，便得到用戶(hù)消耗的熱量值。

目前，在電子式領(lǐng)域中存在兩種超聲波熱能表方案，下面對這兩種方案進(jìn)行分析，如圖示：

圖6 GP2方案

該方案的核心是ACAM公司的時(shí)間數字轉換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的時(shí)間測量功能，分辨率達到65ps，為時(shí)差法流量計的應用提供了基本的測量保障；TDC-GP2的脈沖發(fā)生器在小管徑的流量測量中可直接驅動(dòng)超聲波換能器，無(wú)需另外增加驅動(dòng)芯片；TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計的整體功耗大幅降低，為電池供電設備提供了優(yōu)良的解決方案。

使用TDC-GP2的超聲波流量計方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計方案，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設計，只需搭配MCU和簡(jiǎn)單的比較器、模擬開(kāi)關(guān)元件就可完成控制和時(shí)間測量回路的設計。該方案使電路設計得到簡(jiǎn)化的同時(shí)大大縮小了設備的PCB面積，使設備的生產(chǎn)、維護也更加方便容易。

TDC-GP2還帶有兩路溫度測量功能，可直接接PT1000或PT500熱電阻進(jìn)行溫度測量，這為熱量表的應用提供了集成化的解決方案。

GP2的優(yōu)勢：

1、 高精度分析：TDC-GP2的單次時(shí)間間隔測量的典型精度為 65ps,也就是說(shuō)內部通過(guò) 1個(gè)邏輯門(mén)的時(shí)間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數據統計特性。通過(guò)多次平均測量可以使時(shí)間測量的典型精度降到10ps左右，這樣的數據可以使在測量很小流量（例如 1.6m3/h）的情況下同樣可以得到非常好的精度。

2、 低功耗分析：GP2 將測量以脈沖的形式來(lái)進(jìn)行，尤其在超聲波測量中，TDC 的核心測量單元并不是時(shí)時(shí)刻刻都在工作的。它只測量 start 信號上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿和 stop信號上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿，而中間的時(shí)間則由通過(guò)計算時(shí)鐘的周期數來(lái)完成，這樣的測量原理使測量時(shí)間的功耗降到非常低的水平。整個(gè)系統的電流消耗在3-5μA 的范圍之內。如果采用低功耗的微處理器（如 SILBAS公司的 C8051F92x/93x系列），則整臺設備的平均電流消耗可以降至 10-15μA。