朱民

【摘  要】随着我国人民日益增长的物质水平以及持续增长的能源需求，目前能源危机是我们所要解决的重要问题，长期以来，我国对于热水和暖气的提供均按照热面积进行计算，造成了严重的热量损失，近年来，超声波热量检测技术逐渐成熟，因其不仅精密度高而且安装方便得以广泛应用，本文基于热量表工作的基本理论以及超声波热量表的检测原理，对超声波热量检测表检测方法进行探讨研究。

【关键词】超声波;热量;检测原理;应用

想要解决我国目前所面临的能源危机，一方面从寻找新的替代能源入手，其次就是节约能源【1】，我们日常生活中广泛应用的热水属于二次能源，使用量极大，在检测使用量时，均按照热面积结算，导致了能源的大量消耗，想要改变能源浪费现状，必须从结算方式上进行优化，作为我国测量和计算热交换系统所释放的热量值的关键仪表【2】，我国已经实施按热量结算的超声波热量检测仪表，它通过超声波探头检测水流中超声波的传播速度作为计量原理，对于水的流量采用时差法进行计量，超声波热量检测仪表的壳体内没有可以移动的部件，这个时它作为热量表的结构特点。目前将超声波热量检测仪表广泛应用的原因有：精密度高、压损小及使用口径的范围大，以先进的技术用于分户的供热计量上，超声波热量检测仪表作为贸易结算类的计量仪表，不仅属于国家规定的强制性检测工具，也属于稳定性极高的主流检测工具，因此对于超声波热量表检测方法研究是十分有意义的。

1 超声波热量表的工作原理

1.1概述

超声波式的热量表是利用超声波式的流量传感器进行检测的热量表，超声波在水中有一定的传播速度，将超声波在流体中顺流的传播速度和逆流的传播速度的差值进行计算，算出流速从而得到水流的流量。超声波热量表分为直射式和反射式，直射式也被称之为对射式，其原理就是将超声波换能器检测信号直接发射，然后将接收到的信号作为检测流量，反射式也被称之为对流式，超声波换能器中的有个反射平面，将通过反射平面的发射时速作为检测流量。

1.2超声波热量检测表原理

热量表由积分仪（计算器）、流量计、一对温度传感器三部分组成，利用供水和回来的温度和水流量。一次检测量是供/回水温度和流量，然后用积分仪计算出热量，基本原理就是Q=Cm△t。而超声波热量检测表是将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上（流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同），流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。在流动的液体中超声波的传播速度和在静置的液体中传播速度是不一样的（管道和管壁一致），传播速度的变化值和液体流速相关。当我们将液体中超声波的传播速度测量出，就可以得到水的流速，将水的流速乘以管道的横截面积就可计量出检测流量。当超声波热量表检测计量时有许多方法，比如相差法、速差法、多谱勒法等等，但目前更多采用时差法进行流量的测量。时差法的检测基本原理就是超声波在非静止的液体中，超声波在顺水流方向传播的传播速度会变大，而在逆水流方向传播的传播速度会变小，在相同的传播距离会产生不同的时间，使用两者之间的差值同已被测出的液体流速之间的关系，可将流速求出，从而换算为检测流量。假设超声波信号从A顺流传到B所需时间为t1，从B到A所需时间为t2，则采用公式：

1.3 介质温度对热量计量的影响及温度补偿

在超声波传播速度检测中，除了水流速度会影响超声波速度的变化，其液体温度也會对超声波传播速度产生影响，在检测过程中，水温会使热量表发生热涨冷缩现象，从而影响了管道的横截面姐以及超声波的传播路程，并且在相同体积流量下的水会拥有不同的热能，为了防止这一误差现象，采用温度补偿，在超声波热量检测表中均设计了温度补偿，据实验研究证实，每5摄氏度会产生计量偏差约在1%左右，因此在仪器每5摄氏度设置温度补偿点，在液体中，超声波的声诉会在74摄氏度左右出现拐点，因此在70℃-80℃之间改为每2摄氏度设置温度补偿点，在水温3℃-96℃之间设置温度补偿后，可以保证在不同水温中，检测到的超声波传播速度较为稳定，同时也确保了超声波热量表检测计量准确。

2 超声波热量表检测方法

2.1 概述

热量表属强制检定计量器具，必须实施失准报废、到期轮换或周期检定，且检定周期不得超过3年的要求实施，超声波热量表固定时间段需要检定，检定的项目包括仪表的外观检查、密封性检查、显示数值误差实验、仪器运行检查、重复性。其中显示数值误差实验也就是示值误差实验，它主要是对超声波热量表的性能进行检测，可作为热能表优劣的检测指标，示值误差可以利用总量检定法或者分量组合检定法，每到一个检定点的检测次数一般进行一次，若是第一次进行示值误差实验时所检测到的误差超过了最大允许误差范围，则应该进行重复的两次测试，按规定，合格的超声波热量表两次测量值不能超过最大误差值，且三次测出的误差值的算术平均值不应该超过最大允许误差，反之则为不合格。

热量表的检定结果依据市质检中心出具的检定报告为准。检定合格的热量表可以回装继续使用，并须将合格报告送至市热力公司客服中心进行登记备案，以保障用户的正常计量计费。检定不合格的热量表需要维修或更换新表。如出现检定不合格和故障热量表可联系热量表售后维保单位进行维修或更换，按照相关规定，维修或更换后的热量表需要提供市质检中心的检定合格报告后方可安装使用。由于超声波热量表由企业生产出产后进行出厂需要进行检测，一般采用分量组合检定法，该方法由于效率高适合大批量检测，而法定的计量检测机构采用总量检定法。

2.2 超声波热量表检定中示值误差实验相关问题

根据JJG225—2001《热量表》规定。超声波热量表应该按照3种情况进行鉴定，详情分析参见表1。根据时差法测量流量的原理，以AT89C51单片机和ispLSI 1032可编程逻辑芯片为核心，设计了包括超声波发射接收电路，放大检测电路，锁相环电路，时钟发生电路在内的超声波流量测量系统，并进行了制板以及调试。对于总量检定法的相关问题，超声波热量表的检定装置包括流量检定系统、计算器检定系统及温度传感器检定系统等构成。总量检定法也称为整体检测方法，应用于整体式超声波热量表，对其进行检定，详细做法是将标准的检定装置分别设定一个流量和温差，热量的标准值由标准装置直接给出，把被检超声波热量表的热量示值与标准装置的标准值进行比较，即可得到被检超声波热量表的误差。只有这种检定方法对于热量表才是真实意义上的检测。通过插入恒温槽中的标准铂电阻提供的温差值和标准电磁流量计或电子秤提供体积值由计算机根据相关的热力学测得标准热量值，其公式为： ，由此公式得出标准热量值，通过比较标准热量值和超声波热量表检测出的热量值做比较，可以计算出被检定的超声波热量表误差。根据超声波热量表在检定时，两个温度传感器已经分别插进了恒温槽中，并且恒温槽中已经设定了规定温度，且设置的规定温度应该在50℃上下5摄氏度范围内波动，超声波热量表在进行温度补偿时，是根据恒温槽中温度传感器的信息采集，从而进行数据计算，因此恒温槽相比于实际的介质温度变化偏差，会对检测结果造成较大的影响。

2.3 超声波热量表放大和检测电路的调试

在超声波热量表中，放大电路分为三级，在三级中，前级和末级中的放大电路较为简单，将这两者基于原理实现比较容易，在中间级的放大电路，是由UA733和一片TL441组成。根据实验数据验证所得，应用特殊的连接方法基本上可以解决在中间级别的放大倍数不够的问题，中间放大电路可以允许的输入信号的最大变化在上下3V左右，它的动态放大幅度已经可以满足超声波输入信号时的变化幅度。当超声波输入的信号峰值达到了9mv时，中间级输出为79my左右，末级输出达到1100mv。而且当输入信号增大时，其余两个的放大级别也会相应变大。但是当输入信号持续增大时，在末尾的放大级别最大也只能到1500mv，总而言之，超声波在经过了三级放大电路后，其信号值可以达到2v左右，达到峰值以后可以继续检测，继续鉴别电路需求。

3 讨论

法定的计量检测机构采用总量检定法，解决超声波热量表中总量检定结果误差最好的办法，就是保证恒温槽的温度和液体的温度一样，但是只针对进口的安装式热量表，出口的热量表需要低温槽，这是最直接的方式，但是要使温度保持一致是十分困难的，因为难以把控，加之需要的能量较大，不适合加户日常的检修过程，合情的进行补充数据有助于提高计量准确度，并对超声波热量表检定中示值误差实验相关问题进行了相关解释。

4 结束语

综上所述，我们从结构原理出发，基于超声波热量表工作的基本理论以及超声波热量表的检测原理，同时我们在借鉴和吸收国内外先进的超声波热量表技术的基础上，对超声波热量检测表检测方法进行探讨研究，希望对此行业有所帮助。

参考文献：

[1]罗琴，李鸣，徐爱华.基于MSP430的热量表的温度测量EJ].计量与测试技术，2008.

[2]侯晓华，周立华.超声波热量表热量检测方法探讨[J].工业计量，2016，26（S2）：1-2.