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摘要：當前，中國幾乎所有的熱量表企業都已開始研發、生產超聲波熱量表。產品設計結構是否合理是產品質量控制的前提條件。介紹了某廠在腔體設計、換能器設計、溫度傳感器、積分儀、電池等5個方面對超聲波熱量表產品采取設計質量控制的措施。

關鍵詞：超聲波熱量表；設計質量；質量控制

當前，中國幾乎所有的熱量表企業都已開始研發、生產超聲波熱量表。從近年上報住建部的幾十項相關科研成果中可看出，絕大部分的科研研究重點集中在流量計的基表機械結構(包括反射器和測量管段)設計，只有少量涉及傳感器輸出信號處理，普遍忽視了對超聲波換能器件性能研究。某廠在以下幾個方面對超聲波熱量表產品采取設計質量控制：

1腔體設計

1.1腔體結構流場穩定性分析

1.1.1流場數值模擬分析

設計伊始，對多種備選結構進行模擬，表體測量管段經過ANSYS軟件進行流場仿真模擬，在最低壓損與最佳整定流場兩者之間達到最佳平衡，以縮管徑+U型或W型反射單聲道結構形式，大幅提高小流量的計量精度，并減少了對表前直管段的要求(0倍直管段)。比較過程包括：現有測量管支架結構模型的速度分布、橢圓頭反射鏡架的支架結構模型的速度分布、反射鏡嵌入表體的結構模型的速度分布、扁嘴Ⅰ型反射鏡架的支架結構模型的速度分布和扁嘴Ⅱ型反射鏡架的支架結構模型的速度分布。對以上5種結構形式分別進行流程模擬，測得模擬壓損，使用后處理軟件處理得到超聲波行程上線速度的平均值，與輸入的設定流速比較。

1.1.2流場穩定性測試

根據EN1434-4標準中對直管段要求，使用水表的標準干擾源器件和測試方法。

1.1.3流場設計與管徑關聯性分析

某公司(DN15/DN20/DN25)熱量表表體的腔體結構采用圓管縮徑，將測量段的流速提高一倍；縮徑后的測量段基本可被超聲波軌跡完全覆蓋，超聲波承載的速度信息能夠準確反應整體流速；反射鏡架與四條架腿能起到整定特異性水流的作用；消除旋流、偏心流、脈沖流的影響，經過多種表體形式的模擬，最終確認批量產品使用本結構形式。某公司(DN32/DN40)熱量表表體的腔體結構采用長方管縮徑，將測量段的流速提高一倍，由圓變方的過程能有效消除左右偏心流動；經過垂直W型反射超聲波兩上兩下的軌跡承載了更全面的速度信息，也抵消了上下垂直方向分速度的干擾；低反射角降低反射鏡高度，降低壓損；前端兩橫兩豎整流板消除旋流作用顯著。

1.2超聲波信號穩定性分析(水質、垢、氣泡、漫反射)

1.2.1腔體結構設計使超聲波信號相關器件有效對抗結垢

換能器接觸流體表面為316L材質，光滑不易結垢；反射鏡為304材質，位于上端或傾斜，不會因沉積而結垢；表體結構整體流暢，內壁光滑，不易結垢。

1.2.2腔體結構設計不存積氣泡

換能器腔深度為2,mm以下，換能器表面有極好的親水性，不會存積氣泡。水中混合的氣泡直徑在3,mm以下，空氣含量在100,mg/L以下，超聲波信號可正常發射與接收，長時間超過以上數值，將引發空管報警，需要處理。水中含氣泡量太大，將會影響供熱系統的正常運行，系統中的排氣閥等設備會處理這種情況，熱量表也會自動報警。

1.2.3腔體結構設計吸收超聲波漫反射信號

反射鏡支架為PPO材質，吸收超聲波漫反射信號。水質惡劣，水中顆粒產生的漫反射，會降低超聲波幅值，使接收端接收超聲波信號較弱，但不影響信號攜帶時間信息的準確性。

1.3信號穩定性的設計與測試

通過超聲波測速原理、收發實測數據及電氣設計3方面使信號穩定性的設計與測試得到保證。

1.3.1超聲波測速原理

水質、垢、氣泡、漫反射只影響超聲波信號的強度(幅值)，不影響超聲波信號中攜帶的時間信息，最終計算流量所需參數為t2～t1。熱量表出廠時保證非常高的超聲波信號接收幅值，產品出廠時接收信號高達400,mV，電子線路可分辨信號的門限為100,mV；當接收幅度＜150,mV時，自動調整放大器增益為10,dB，此時等效門限為31.6,mV，即便結垢后信號降低亦不影響使用，短時間內在非常不利于超聲波傳播的介質中，也能保證時間信號的準確性。

1.3.2實測信號穩定性數據

本產品不能正常接收信號時，濁度已達到5,000,mg/L以上，管網在如此高的固體雜質含量下，水泵的機封、閥門轉軸、過濾器等部件將損壞或堵塞。在其他極端惡劣水質條件下，超聲波信號能夠穩定發射接收：在pH值為6～11的條件下，超聲波信號收發正常；在濁度為4,000,mg/L時，即飲用水濁度的800倍，超聲波信號收發正常。

1.3.3電氣設計令超聲波換能器接收信號穩定

每次發射40個超聲波信號，接收端信號會逐漸增強且強度趨于穩定，處理時使用接收到的中間10個超聲波信號(10個以后中間段的超聲波信號近似穩定，采樣取第14～23個波形信號)，確保使用的超聲波信號的穩定性。實測顯示，信號強而穩定。

1.3.4耐久性

接觸水部件為黃銅、不銹鋼、PPO材料，密封端面采用知名廠家生產的ASTM材質，使用溫度可達150,℃，既能滿足高溫密封的要求，又可以保證長期的密封效果。通過中國計量協會組織的熱量表2,400,h基本+300,h附加和4,000次加速+300,h附加耐久性試驗，試驗結果符合要求。通過信息產業部專用材料質量監督檢驗中心熱量表加速壽命濕熱試驗。

2換能器設計

2.1換能器結構獨立研發、自主設計

換能器采用中心頻率為1,MHz的壓電陶瓷片，某公司具備混料球磨、壓力成型、變溫燒結、機械加工、極化處理、分析測試、封裝、配對的生產能力，長期使用中，測試信號的穩定性、可靠性及測試精度均達到設計要求。接觸水處為316,L不銹鋼材質，強度高，有效防結垢。內部膠層、嵌套、換能器陶瓷片耐溫達150,℃以上。換能器基體選用黃銅材質，準確、耐壓，高溫下性能依舊穩定。生產工藝中，包含耐高溫處理工藝，每組換能器都經過高溫測試，檢驗信號強度與穩定度，保證整體超聲波換能器部件性能。

2.2壓電晶體的中心頻率和配對誤差

2.3換能器成品配對中心頻率偏差

2.4換能器耐壓、耐熱、耐磨損

耐壓2.5,MPa，耐熱150,℃；過流面材質為316L不銹鋼，耐磨防腐不結垢。

2.5換能器振動余波剔除能力

在換能器結構設計中，采用空氣做背襯，可較快消除余波。在軟件設計方面，對接收到的換能器振動波形進行選擇，每次發射40個超聲波信號，接收端信號會逐漸增強且強度趨于穩定，處理時使用接收到的中間10個超聲波信號(10個以后中間段的超聲波信號近似穩定，采樣取第14～23個波形信號)，確保信號的穩定性。

3溫度傳感器

溫度傳感器采用久茂自動化(大連)有限公司的pt1000。

3.1計量準確性

符合標準JB/T,8622—1997《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》和CJ,128—2007、GB/T,32224—2015《熱量表》。pt1000配對溫度傳感器的溫差偏差小于0.1,K。

3.2計量可靠性

溫度傳感器經過加速老化測試，性能能夠滿足要求。

3.3溫度范圍

0～105,℃。

3.4單支溫度傳感器的反應時間

單支溫度傳感器的反應時間：小于等于4.0,s。

3.5IP保護等級

久茂溫度傳感器防護等級IP65。

4積分儀

4.1計量電路的穩定性

4.1.1主要元器件選擇

采用美國進口TIMSP430F448超微功耗芯片、德國久茂pt1000溫度傳感器、陶瓷振蕩器、鉭電容，從原材料上保證電路的穩定性。

4.1.2線路板設計

采用四層PCB板，體積小、抗干擾能力強；走線優化，強弱信號分開，數字模擬分開，在設計上保證電路的穩定性。

4.1.3M-BUS總線光電隔離

有效預防浪涌、雷擊，在設計上保證電路的安全性。

4.2整機的微功耗

硬件設計采用微功耗的芯片，軟件設計采用合理的測量間隔、不同的流量測量的頻率不同、優化算法、匯編語言BCD數據快速處理、測量等待與數據運算并行處理、縮短運算時間、測量運算后迅速休眠等處理方式，降低功耗。整機微功耗，天津計量院檢測的整機平均功耗為17.4,μA。

4.3正常工作最低電壓

用可調穩壓電源、高精度萬用表、積分儀測試臺或流量測試臺，對熱量表進行正常工作最低電壓測試，工作電壓在(3.2±0.05),V時，熱量表顯示電池電量低，電壓在大于(3.0±0.05),V時，熱量表正常工作。

4.4內部補償機制

4.4.1溫度、流量補償數據庫

程序內部溫度傳感器采用2個溫度修正點，在9個溫度點上對15個流量點進行修正，來保證產品的準確度和誤差曲線的線性，補償數據保存在Flash中。

4.2智能測溫周期，適應不同的流量變化情況

根據流量的變化自動調整測溫周期(10,s～5,min)。

4.4.3超聲波信號強度自適應設計

在信號測量中，采取了信號強度的自適應處理。經過一定時間后，對超聲波換能器的接收信號強度做一次判別，如果接收信號強度低于一定的范圍，熱量表內部的微處理器將增加超聲波換能器的接收增益，使得接收信號強度在一個合理的范圍內；整個測量過程，是一個自適應過程。超聲波換能器接收增益正常值為0,dB，當傳感器表面結垢或者水中雜質較多時換能器接收增益增加到10,dB，但只要大于比較門限即可準確測量；低于檢測比較門限則產生空管報警，這樣處理在水質較好時功耗最低。

4.4.4熱量計算的準確度

軟件仿真：用模擬流量、溫度的方法計算熱量，驗證熱量計算的準確性。電阻箱模擬pt；流量采用自發脈沖方式。整機熱量測試：在3,k、20,k、60,k溫差下測試熱量誤差。

5電池

5.1電池容量

ER18505電池標稱容量：4,Ah。LS17500電池容量：3.6,Ah。

5.2電池使用壽命

5.2.1壽命要求

10年以上。

5.2.2容量估算

天津計量院檢測的整機平均功耗為17.5,μA；熱量表供暖期平均功耗(設計值)：35,μA＝0.035,mA；熱量表非供暖期平均功耗(設計值)：15,μA＝0.015,mA。按采暖期為5,m的設計值計算，需要電池容量：0.035(mA)×24(Hour)×150(Day)×10(Year)+0.015(mA)×24(Hour)×215(Day)×10(Year)＝2,034,mAH；按天津計量院檢測的實測值計算，需要電池容量：0.017,5(mA)×24(Hour)×365(Day)×10(Year)＝1,533,mAH；ER18505電池：4,000,mAH電池按照總容量的60%,計算可使用容量為2,400,mAH；LS17500電池：3,600,mAH電池按照總容量的60%,計算可使用容量為2,160,mAH；2,400,mAH＞2,160,mAH＞2,034,mAH＞1,533,mAH，滿足設計要求。

5.3電池自放電率

自放電率≤1%,/年。

6結語

一個熱量表生產企業，產品質量好壞還反應了出廠檢定系統(包括設備硬件和檢定方法程序設計軟件)及管理軟件是否科學、完備，及運作實施是否認真、負責。另外，我國還沒有一家生產熱量表的企業所有主要部件都是自己制造，因此，外購配件來源可靠，同樣是保證熱量表質量的重要因素。總之，產品設計結構是否合理一定是產品質量控制的前提條件。

參考文獻

［1］JJG,225—2001.中華人民共和國國家計量檢定規程《熱能表》[S].

［2］CJ,128—2007.中華人民共和國國家《熱能表》[S].

［3］北京市新建集中供熱住宅分戶熱計量設計技術規程(北京市標準)[S].

作者：閆明1,2 單位：1.中國電子科技集團公司第四十六研究所，2.天津市新嶺電子技術有限公司