超聲波熱量表的最佳解決方案

長期以來，我國北方地區(qū)城鎮(zhèn)居民采暖一般按住宅面積而不是實(shí)際用熱量收費(fèi)，導(dǎo)致用戶節(jié)能意識差，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，顯然該計(jì)量方法缺乏科學(xué)性。隨著能源短缺，國家提倡節(jié)能減排，這種粗放式的供暖方式嚴(yán)重違背了環(huán)保概念，隨之而來的是分戶計(jì)量，按需取暖的供暖方式。

在八十年代初，歐美等發(fā)達(dá)國家的熱量表使用已相當(dāng)普遍，熱力公司以熱量表作為計(jì)價(jià)收費(fèi)的依據(jù)和手段，節(jié)能20％～30％。作為建筑節(jié)能的一項(xiàng)基本措施，國家建設(shè)部已將熱量計(jì)量收費(fèi)列入《建筑節(jié)能“九五”計(jì)劃和2010年規(guī)劃》：對集中供暖的民用建筑安裝熱表及有關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備并按戶計(jì)量收費(fèi)的工作，1998年通過試點(diǎn)取得成效，開始推廣，2000年在重點(diǎn)城市新建小區(qū)推行，2010年全面推廣。

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

不同性能的熱量表分析

目前市場上的熱量表有多種，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。

按物理特性可分為有磁熱量表和無磁熱量表。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(xiàn)在“霍爾、干簧管“采集信號已經(jīng)被市場淘汰。通常所說的有磁一般都指“韋根”熱量表。而“無磁熱量表”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，沒有任何磁鐵及磁性物質(zhì)。

由于國內(nèi)供暖環(huán)境差，熱水中摻雜著大良的雜質(zhì)，其中包括金屬等，這對于“有磁熱量表”來說是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，以至于目前“有磁熱量表”在國內(nèi)沒有市場，現(xiàn)在使用的基本都是“無磁熱量表”

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

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

超聲波熱量表

電子式熱能表取代傳統(tǒng)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(jì)的基礎(chǔ)上加上溫度測量，由流體的流量和供、回水溫差來計(jì)算出向用戶提供的熱量。

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

獲得流量后，再通過分設(shè)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(jì)量，經(jīng)過一定時(shí)間的累計(jì)，便得到用戶消耗的熱量值。

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(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的時(shí)間測量功能，分辨率達(dá)到65ps，為時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)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(qū)動超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動芯片；TDC-GP2測量的低功耗特性使得流量計(jì)的整體功耗大幅降低，為電池供電設(shè)備提供了優(yōu)良的解決方案。

使用TDC-GP2的超聲波流量計(jì)方案相對于使用分立元件或者FPGA的超聲波流量計(jì)方案，大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，只需搭配MCU和簡單的比較器、模擬開關(guān)元件就可完成控制和時(shí)間測量回路的設(shè)計(jì)。該方案使電路設(shè)計(jì)得到簡化的同時(shí)大大縮小了設(shè)備的PCB面積，使設(shè)備的生產(chǎn)、維護(hù)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(yīng)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,也就是說內(nèi)部通過 1個(gè)邏輯門的時(shí)間被確定在大約65ps。TDC-GP2有非常好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性。通過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(shù)據(jù)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)間則由通過計(jì)算時(shí)鐘的周期數(shù)來完成，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(tǒng)的電流消耗在3-5μA 的范圍之內(nèi)。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(shè)備的平均電流消耗可以降至 10-15μA。