文档介绍：技术研究报告
一、研发背景
据统计,,在当今资源越来越紧张的年代,作为建筑能源消耗的重要组成部分,采暖节能形势严峻。
由于供热水质、热量表技术和价格等原因,目前我国供暖地区大多采用按面积收费,这样不尽合理,也造成极大的能源浪费。为降低建筑采暖能耗,促进供热节能,国家采取了一系列的措施,并积极采取以用热计费替代以建筑面积计费的供热体制改革。
我国早期使用的的机械热量表容易磨损,其使用寿命低;超声波测量技术提供了一种无阻碍式的流量测量方法,作为机械式热量表的替代品,是一种没有活动部件,且低能量消耗及高精度的流量测量方法。将超声波流量测量与温度测量相结合,可设计出超声波热量表。小口径超声波热量表相比传统的机械式热量表克服了易损坏、精度低等缺点,因此超声波热表将是今后热量表的发展趋势。
超声波的测量技术有很多,在分析对比对射式、反射式的优劣后,我司研制出中轴反射式超声波热量表,并应用德国ACAM公司设计的TDC-GP2时间转换芯片,从而开发出低功耗、高精度的超声波热量表。
二、技术原理及方案论证
1 、技术原理
1)、热量表组成
超声波热量表由三部分构成:超声波流量传感器、计算器(即积分仪)、配对温度传感器,如下图示意。
超声波热量表
流量传感器
配对温度传感器
计算器
2)超声波流量测量原理
当超声波在流动的水中传播时,相对于固定的管道管壁而言,声波的传播速度与在静止状态中水的传播速度是不同的,其变化值与媒质流速相关。通过测量水中声波传播速度的变化,可以测出水的流速,进而乘以管道截面获得被计量水的流量。
超声波测量水的方法有时差法、相差法、频差法、速差法、声束位移法、多普勒法等,我司热量表采用时差法进行流量测量,基本原理如下图所示:
图1
运用超声波测量原理,一对超声波传感器直接安装在流量传感器通道的两端,管道内反射镜面通过支架成45°角固定在管道中轴线上,将配对温度传感器分别安装在热交换同路的进水和回水的管道上,流量传感器采集出流量信号,配对温度传感器给出进水、回水的温度差信号,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入口至出口所释放的热量值。
管段的内直径为D,超声波行走的路径长度为L(L=L1+L2+L3),超声波顺流速度为t1, 逆流速度为t2。由于流体流动的原因,在介质水中,超声波传播速度不同,超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短
。依据声波的这个特性,利用流量传感器进水侧换能器和回水侧换能器可以测得超声波时间差,同时测得瞬时流速(m/s),
V= L/2*( ( t2-t1)( t1 *t2 ) )       (2-1)
再根据管段的截面积和时间得出瞬时流量(m3/h)
Q=∏*D*D/4*V′*3600            (2-2)
注:此处V′和V稍有差异,在后文有说明。
3)、流量测量设计中所碰到的问题及解决方法
我司在超声波热量表实际应用时发现,由于实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2,包含了电路、电缆、以及换能器和声楔等产生的声延时a1、a2,因此必须扣除其影响,则瞬时流速(m/s)公式2-1可改写为:
V= L/2*( (t2-a2)-(t1-a1) )( (t1-a1)*(t2-a2) )        (3-1)
液体流量测量最关键的是时间的测量,在已知管道直径D、声程L的情况下,只要准确测出顺流和逆流的传播时间t1、t2以及声延时a1、a2,就能准确求得管道内的液体流速V以及瞬时流量Q。
、a2
(1)在已知声程L和温度T的情况下,通过查表得到T所对应的超声波在管道内液体静止时的液体声速C,则对应的超声波在声程L中传播的时间tL=L/C,然后用实际测量得到的顺流时间t1和逆流时间t2减去超声波在声程L中传播的时间tL,便可得到声延时a1、a2,计算相关公式如下:
tL=L/C                          (3-2)
a1= t1-tL         (3-3)
a2= t2-tL                      (3-4)
 (2)通过测量超声波发射脉冲的一次回波和二次反射回波的时间(声时),得到声延时a1、a2。
假设在顺流中测得的一次回波的时间为t1,二次反射回波的时间为t1′,对应的超声波在声程L中传播的时间tL,则:
t1=tL+a1                         (3-5)
t1′=3*tL+a1                   (3-6)
由公式3-5可得:
3*t1=3*tL+3*a1