超聲波熱量表的Z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(shí)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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*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*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*力強(qiáng)，在擴(kuò)展和升級(jí)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（UltrasonicHeatmeter）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(duì)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(duì)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(duì)這兩種方案進(jìn)行分析，如圖示：　　　　
　　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(dòng)超聲波換能器，無需另外增加驅(qū)動(dòng)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(duì)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(hào)上升沿到下一個(gè)參考時(shí)鐘上升沿和stop信號(hào)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(tái)設(shè)備的平均電流消耗可以降至10-15μA。