林文卓 王树铎

 

    本文介绍目前国内超声波热量表技术现状；分析国内户用超声波热量表近期研发的部分比较新颖和先进的设计思路；希望能对国内超声波热量表生产厂家和研发技术人员有一定的启发。

 

关键词：户用超声波热量表;技术改进 

 

    1概述 

 

    受国内供热计量改造政策推动，及国内超声波热量表自身的技术原因，我国超声波热量表经历了一个兴起[1]，停滞到再繁荣的过程。从2006年开始批量进入市场；到2007、2008年由于超声波热量表的价格偏高而且大量出现故障问题而导致使用量大减。近两年，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，包括在北方地区推进供热体制改革，改变传统的按建筑面积收取热费方式为按用热量收费，从而利用经济杠杆鼓励用户节能。部分省市将热量表作为热计量的主要手段，同时超声波热量表成本价格不断下降，日益接近机械式热量表，推动了超声波热量表市场的扩大。据国内两家销量较大的超声波热量表企业反映：虽然今年房地产市场不景气，但是受热计量改造的推动，超声波热量表的销量没有明显萎缩，基本与2011年持平，他们两家的市场销量分别达到20万块至50万块（包含贴牌部分）的成绩。 

    与国内市场变化相对应，我国的超声波热量表技术在借鉴国外成熟先进技术的基础上，不断改进提高。通过对这两年申报建设行业科技成果评估和建设行业科技成果推广的热量表项目，进行了统计和分析发现：我国热量表技术不断在进步，尤其在热量表用的超声波流量计方面；很多热量表生产厂家针对我国供热水质较差，含有大量杂质容易堵塞流量传感器的情况，进行了大量的研究，取得了一系列的成果。下文就针对这些较有特点的设计思路进行一个介绍。 

 

    2流量传感器结构改进 

 

    国内超声波热量表流量传感器的结构改进主要集中在“减压损”，“防堵塞”、“减涡流”和“防结垢”，以适应国内较差供热水质。其次还包括了“提高检测精度”等方面工作。 

    2.1减压损设计 

    由于在建筑供暖设计中，对用户管道的压力损失基本要求控制在20~30kPa(2~3mH2O)。当热量表压损过大时，降低了供暖管网输送能力，降低供热品质，还对旧管网改造带来困难，因此要求热量表的压力损失不能占整个供暖用户管道水头损失的比例过大，其次压损降低，也能起到“防堵塞”的作用。 

    与机械式热量表相比，原理上讲：超声波热量表没有活动机械部件，通常压损要小于机械热量表。但是由于户用超声波表一方面管径较小，又要进行缩径，加上反射器的阻挡作用，导致增加阻力，也使压损未见得理想地减小。目前国内有几家企业分别采取了改变反射器形状、尺寸，以及改变反射方式、改变管段结构等设计达到减少压损的目的。 

    2.1.1全通径结构 

    全通径结构指的是流量计管段没有其他部件阻止流体的运动。部分企业采用“V”形反射代替常用的“U”形反射方式，将流量管的圆形改为方形结构，利用流量测量管段管壁或底面作为反射镜面。该结构能有效的降低压力损失，并避免堵塞问题。但同时也带来一些新的问题： 

    （1）增加了制造成本，由于方形管段需要通过“拉刀”方式加工，与圆管的铸造相比，提高成本约10~20元。 

    （2）方形管段底面结垢、污泥沉积将影响测量精度。特别是由于在非采暖季，管段内水基本处于静止，污泥沉积在底部，或管壁结垢，导致来年使用时超声波反射衰减，计量精度下降。

    （3）方形角容易出现紊流，导致水力流场的不均匀变化，需要大量的实验，对流量进行修正。有些企业一方面进行修正，另一方面在超声波热量表安装时，加长进水管段长度以减小涡流产生的影响。

    2.1.2改进反射器结构 

    反射器是流量传感器里面主要的阻挡部件，因此很多企业对反射器结构进行改造，尽量减少阻挡水流的横截面积，减少阻力的同时也减少水中絮状物的缠绕。 

    （1）立柱式反射器。部分企业将流量传感器的超声波反射器改为立柱式结构，减小压损。并采用铆接方式与管壁连接，连接稳固，变形小。

    （2）叉臂式片状不锈钢反射器。部分企业借鉴兰吉尔热量表做法，采用叉臂结构反射镜。同时底部采用圆环结构与管壁硬连接，与管体连接更为稳固。

    （3）片状不锈钢反射器。部分企业采用与束流板联为一体的片状不锈钢反射器，通过过盈安装固定于测量管段。该方式具有一定的束流功能，可减少紊流，保证测量稳定；且反射体面积较小，可能减小压损并降低始动流量。

    2.2减涡流设计 

    由于水流经过阀门或受管径变化等因素影响时，会产生不同程度的涡流，一方面影响超声波信号的正常传输，另一方面使得管道内流态不均匀，从而对测量精度造成一定的影响。因此“供热计量技术规程”中提出，热量表在安装时采取水平或者垂直安装，同时进水和出水直管段长度要达到“前5后2”（也有企业提出小口径表应当“前10后2”，特别是针对小口径户用表），减少进水涡流。 

    部分企业在结构中提出了“整流片”概念，在流量传感器管道两侧增加如图所示的整流片，减少涡流影响，以提高流量测量精度稳定性。上文所述的“片状不锈钢反射器”也是具有该功能。但是实验发现，整流片适用一定管径范围，对于过小、过大管径都发挥不出作用。

    2.3防堵塞设计 

    我国供热水质较差，管路被氧化、锈蚀，水中存在颗粒物与线状杂物等问题普遍存在，为防止水中杂质影响热量表的测量或杂物堵塞流量传感器，“供热计量技术规程”中提出，热量表在安装前必须清洗管道，并安装过滤器。 

    对于堵塞问题，山东一家企业特别设计了一种具有“防堵塞”功能的超声波热量表，其在流量传感器测量管段的反射镜支架周围设计整流腔，一方面扩大管段内径增大过水面积，可减少堵塞，另外还具有减少介质流动阻力，降低压损，减少管道介质因紊流、扰流及其他不稳定流量时给表计带来的测量误差的问题，提高了热量表的测量稳定性和测量精度。同时该企业将反射镜支架设计成为流线型柱状曲面结构，表面光滑，具有良好的防止线状杂物缠挂堵塞的能力，减少了因线状杂物干扰流场导致的测量误差问题。经试验证明，该种结构有效地减小了压损，对絮状杂物有很好的防堵塞功能。

    2.4“W”反射设计 

    由于小口径热量表管径小，超声波声程短，测量误差较大。对此，部分企业的户用超声波热量表在流量计管段上中段增加一个反射镜，采用“W”型超声反射方式代替常见的“U”形反射方式，以延长超声波传播距离，减少测量误差，提高测量精度和可靠性。 

    但该方法由于反射点增多，信号损失较大，因此需要增大超声波的驱动功率以提高信号强度；同时带来了电源功耗的增大、装配精度要求更高的问题。部分企业采用大容量的锂电池代替原来使用的锂电池。他们认为鉴于大容量的锂电池价格不断下降，该方法是可行的。

    2.5防结垢设计 

    从市场超声波热量表来看，为减少反射镜结垢，企业主要集中在对反射镜面采取抛光、镀钨、选用不易附着的高分子合成材料等措施，以减少镜面结垢。 

 

    3元器件选用与设计 

 

    在基本电子元器件选用上，国内超声波厂家选择较为一致，温度传感器采用Pt1000型配对铂电阻测温探头；微处理器选用以美国德州仪器（TI）生产的MSP430F系列芯片；计时芯片选用德国ACAM公司TDC-GP2芯片，目前GP2在逐渐被更新的GP21取代。 

    同时在电子元器件品级选用上，一般采用民用级为主，唯独一家企业提出采用工业级芯片和宽温液晶屏，以提高对环境温度的适应性，使热量表可在-25℃低温环境下工作。 

    3.1配对温度传感器 

    目前国内各厂家温度传感器基本选用了Pt1000，只有为数不多的几家企业在大口径热量表中采用Pt100温度传感器，并采用外接电源方式供电。与Pt100和Pt500相比，Pt1000温度传感器的信噪比可提高2-10倍。 

    目前国内配对温度传感器的技术相对已经成熟，生产厂家也较多，如久茂、博控、海创、都华、韩通等。 

    3.2微处理器（MCU） 

    市面上产品的微处理器以德州仪器生产的MSP430F系列为主，该款微处理器待机功耗低，程序代码存储空间32k字节，可以满足热量表复杂的程序运算所需要庞大代码容量；同时运行速度更快，比8位机运行速度提高四倍，缩短了运算时间。同时该芯片集成了LCD液晶驱动电路，可以驱动4个公共端24个段位的液晶，不需要额外增加另外的液晶驱动电路，方便电路设计，减少制造成本。也有研发人员提出可采用像SiliconLabs、Renesas等公司生产的单片机系列是更好的选择，但目前实际生产中还没有见到企业采用该两家公司单片机的实例[2]。 

    3.3计时芯片 

    以德国ACAM公司生产的TDC-GP2为主，该款芯片时间测量精度高，达到到65ps的精度，同时具有高速脉冲发生器，接收信号使能，时钟控制等功能。其次该芯片封装尺寸小，适用于低成本的工业应用领域，尤其适合于超声波流量测量和热量测量方面的应用。 

    2011年ACAM公司在GP2的基础上推出GP21，它提供了与TDC-GP2pin-to-pin管脚完全兼容的功能，另外还对一些性能进行了提高，双精度模式可达45ps,四精度模式达22ps，并增加了很多扩展的功能。该款芯片呈现出取代GP2的趋势，很多企业也顺应技术发展形式，采用GP21以提高测量精度。但是在采用GP21，提高了时间分辨率的同时，由于其原始设计为过零检测，也提出了如何应对杂波干扰的问题，需要采取包括对信号降噪处理等一定的技术手段真正提高测量的精度和稳定性。 

    在国内计时器的研发上，北京一家企业已研发出一时间测量电路，据称在计时精度和功耗等方面可代替甚至超过进口计时芯片（GP2）的性能，但还没有做到集成电路专用芯片的程度。 

    3.4换能器 

    换能器是超声波热量表最关键的部件之一，由压电陶瓷片和既能透声，又能保证密封、防水的外壳等组成；功能是一方面能将电信号转换成超声波信号在水中定向传播，另一方面又能将接收到的超声波信号转换为相应的电信号。换能器的性能好坏直接影响到热量表的计量精度，而由于国内材料科学及基础工业与国外存在的一定的差距，目前大部分国产热量表选用的换能器性能较差。特别应提请注意的是耐老化性能。为了保证超声波流量计能有5—10年的使用寿命，国外厂家使用的换能器必须经过强制老化，在出厂前通常都会采取冷热交替方式加载后进行检测，确保长期测试性能不发生超差的变化。国内热量表企业忽略这项十分重要的工作，势必给其产品留下隐患！ 

    在换能器封装上国内厂家有两种做法，一种采用PPS、PSF等热塑树脂封装，另一种是采用不锈钢罩进行封装。认为采用不锈钢罩来密封和发射声波信号，能提高了信号幅值，扩展流量测量下限，增加流量测量量程比，但具体性能差异还需要对比检测。 

    有的企业关注了超声波换能器的电/声匹配问题，对换能器采用所谓双层匹配技术方案，通过改进换能器压电陶瓷片的匹配层和吸声层，增加了换能器带宽，并减少余震，提高了流量测量的稳定性。 

    总体来说，国内与国外的热量表企业在超声波热量表换能器及选用技术存在不小差距。除压电陶瓷片的材料配方和制备外；结构上，透声、吸声和密封以及必要的屏蔽接地性能的综合设计有的以偏概全；成对使用的两只换能器参数的一致性或是匹配性没有得到应有的重视；如此等等。应该引起足够的重视。 

    3.5电路抗磁干扰设计 

    在“热量表”行业标准中提出热量表应具有一定的抗磁干扰能力，当受到强度不大于100kA/m的磁场干扰时，不影响其计量特性。但是部分企业不重视该项内容。“热量表”行业标准还要求“在电源电压变化、电快速瞬变、电磁场、电浪涌、工频磁场、静电放电环境条件中，热量表的功能不应改变，热量表应能正常工作”。部分热量表抗电磁干扰能力严重不达标，甚至出现在热量表旁边拨打手机就可导致热量表液晶显示不正常、或者数据丢失的现象。因此一些企业通过抗干扰电路设计，增加保护电路，采用专用元器件和材料等方式，提高了抗磁干扰和抗静电干扰能力，在静电ESD测试，测试电压可达10KV，高于热量表的8KV检测标准。

 

    4系统软件设计 

 

    超声波热量表系统要求能够精确测量时差信号并进行信号处理和操作，发挥芯片的处理、运算能力，实现高精度、低功耗的设计。在接触的厂家中，部分企业在信号处理，低功耗设计方面做的比较出色。 

    4.1信号处理 

    超声波热量表流量传感器发射端的超声波换能器发出的声波经过液体传至与其相对的接收端换能器时，由于流体介质中杂质颗粒及气泡、外界电磁等干扰，以及各种复杂环境的工业现场噪声，导致一方面超声波信号衰减很大，另一方面信号不稳定，出现很多杂波，因此需要采用一定的技术手段进行处理，国内常采用阈值检测方式，设置一个信号幅值门槛来滤除干扰信号。 

    但换能器长期使用会出现性能老化，发射效率或灵敏度下降等问题，由于接收到的超声波回波信号幅度减小，而可能被当做干扰信号滤除，导致超声波热量表无法正常工作。因此部分企业采取了过零检测方式，即只要收到信号，无论信号幅值大小均视为有效信号。并配套采用使能窗（动态延时触发），屏蔽杂波影响，以保证接收到的超声波信号确为同一个发射波，从而提高了检测的灵敏度和稳定性。 

    另外为避免水中杂质干扰，一些企业采用多脉冲超声波信号控制技术，一次测量过程中连续发送多个脉冲，相应接收到多个波束信号，并以上一个接收信号的幅值作为下一个接收信号放大增益调整的依据，从而减少因水中杂质对脉冲信号的影响，以提高测量可靠性。 

    4.2低功耗设计 

    低功耗设计主要集中在热量表休眠方式和分时工作方式，常规定： 

    （1）热量表在无流量时自动休眠； 

    （2）流量和温度变化不大时，不影响流量测量精度的前提下，延长测量时间间隔等方式； 

    （3）在程序运行过程中，当一些外围器件不需要时，利用单片机I/O端口控制相应的电源开关，以停止向其供电。 

    通过以上方式，从而降低热表功耗，延长电池使用时间。 

 

    5其他设计与技术方案 

 

    国内研发的超声波热量表，还有很多优秀的设计，包括电池欠压保护功能、管道流态提示、错误自检、积分仪外壳采用径向密封方式提高防水性能等等。有的企业改进热量表出厂校准检定方法，利用特性标定补偿程序，对每块热量表的5个流量点特性指标进行逐一校准标定，对测量误差进行归零；出厂前一表一标，提高热量表的测量准确性。 

    当然积极改进的创新思路值得鼓励，但也有些设计似乎是可有可无。如有企业提出将反射镜与超声波换能器采用与管道平行的水平式结构，可以减少气泡在换能器安装孔中的积聚。而实际应用中，只要安装时把流量计测量管段旋转一个90度，将积分仪从向上改为对着前后方向即可达到同样的效果。 

    另外也有不大合理的设计，如一些企业设计了可拆卸、清洗的测量管段；提出的目的是要方便换能器的清洗，以维护热量表。但是这种设计是不合理的，因为超声波热量表拆洗后面临着再次校准的问题，使用现场达不到这种条件，质监部门也不允许用户或管理人员对超声波热量表进行拆封、处理。 

 

    6结束语 

 

    随着供热改革的推进，国内热量表市场需求巨大。市场的需求加剧了国内超声波热量表的市场竞争，推动国内超声波热量表厂家进一步进行技术深化，很多国内在户用超声波热量表生产厂家针对我国供暖计量实际情况，做了大量的研究工作，以提高热量表技术可靠性，以技术占领市场。这两年来，超声波热量表技术进步很大，涌现了一大批比较优秀的设计，取得了一系列的成果，特别是有关流量传感器结构改进方面，在适应国内供热系统、水质等方面的一些设计，有的已经领先于国外户用热量表。但是，我们同样应当注意到，国内热量表与国外仍有差距： 

    （1）国内热量表的改进主要还是集中在流量计测量管段及相关反射器等部件的这些结构、或者某些技术细节“面”上的改造；涉及测量原理、系统设计、或者整体材料、结构上还没有真正的“大刀阔斧”或者具有完全创新意义的改进。 

    （2）热量表的核心技术和部件，包括MCU、计时器等电子元器件完全被国外产品所垄断。国内热量表厂家是对这些产品进行整合，某种意义上说仅仅是个“组装工厂”。 

    （3）国内超声波流量计的关键元部件——超声波换能器，由于基础材料、工艺、应用技术的基础研究等学科和基础工业的原因，性能大不如国外产品。如换能器元件技术指标的一致性、耐老化性能；和包括电、机、声匹配技术在内的实用技术等，都还存在一些问题需要改进。这也导致国内超声波热量表在使用寿命以及精确度和稳定性，尤其在始动流量等技术性能上不如国外产品。 

    （4）作为测量仪器，超声波热量表对机加工误差、部件误差、人工装配误差等每个单项要求很高，部分企业工艺水平和自动化、标准化程度还达不到这个要求。 

    因此建议，国内企业应当加大了对超声波热量表的芯片、换能器的研发投入力度，掌握核心技术。同时生产企业应当严格品控管理，完善工艺方案，严把产品质量关，生产出更质量更高的产品。相信随着国内市场的成熟以及国内企业不断的科研投入及产品质量体系的健全，国产户用超声波热量表将取得更大的成果，甚至能完全替代国外产品。