超声波热量表的最佳解决方案

长期以来，我国北方地区城镇居民采暖一般按住宅面积而不是实际用热量收费，导致用户节能意识差，造成严重的资源浪费，显然该计量方法缺乏科学性。随着能源短缺，国家提倡节能减排，这种粗放式的供暖方式严重违背了环保概念，随之而来的是分户计量，按需取暖的供暖方式。

    在八十年代初，欧美等发达国家的热量表使用已相当普遍，热力公司以热量表作为计价收费的依据和手段，节能20％～30％。作为建筑节能的一项基本措施，国家建设部已将热量计量收费列入《建筑节能“九五”计划和2010年规划》：对集中供暖的民用建筑安装热表及有关调节设备并按户计量收费的工作，1998年通过试点取得成效，开始推广，2000年在重点城市新建小区推行，2010年全面推广。

    目前计量改革正在逐步展开，供热改革也在同时进行。而作为计量改革中的一个非常重要的环节，分户计量的热量表也迎来了一个非常好的发展时期。

不同性能的热量表分析

    目前市场上的热量表有多种，按照不同的标准有不同的分类。

    按物理特性可分为有磁热量表和无磁热量表。所谓“有磁热量表”是指在流量信号采集上采用磁性（磁铁）传感器，如“韦根”，“霍尔”，“干簧管”等。现在“霍尔、干簧管“采集信号已经被市场淘汰。通常所说的有磁一般都指“韦根”热量表。而“无磁热量表”是指热量表在流量信号采集上利用电感振荡原理或超声波原理取得的，没有任何磁铁及磁性物质。

    由于国内供暖环境差，热水中掺杂着大良的杂质，其中包括金属等，这对于“有磁热量表”来说是一个很大的挑战，以至于目前“有磁热量表”在国内没有市场，现在使用的基本都是“无磁热量表”

    按机械特性分，则可分为机械式、机电式和电子式。其中机械式是指整个表都为机械部件组成，无电子元件。这种类型技术门槛低，价格便宜，是早前的主流产品，但它的抗干扰能力差，机械齿轮容易被杂质卡住或损坏，且不适应电子化潮流。为克服以上种种问题，市场上出现了改进型的机电式热能表。机电式是在机械式表的基础上增加电子显示、计费、抄表等功能模块。但它始终只是在机械表的基础上加电子控制板发展而来，无法解决抗干扰能力差的问题。

    全新的电子式热能表在此环境下应运而生。电子式则是指整个表全由电子器件组成，无机械部分，不存在损坏和卡表的故障，抗干扰能力强，在扩展和升级方面很方便，符合市场发展方向。

超声波热量表

    电子式热能表取代传统热能表成为主流已呈明显趋势，而在电子式领域中，超声波技术以其诸多的优点深受欢迎。

    超声波热量表（Ultrasonic Heat meter）是在超声波流量计的基础上加上温度测量，由流体的流量和供、回水温差来计算出向用户提供的热量。

    其中流量测量部分是应用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。如图2所示：

    获得流量后，再通过分设在进水管和出水管上的两个温度传感器，分别测出进水的温度和出水的温度，算出进出水的温差。利用流量传感器对供水管道的瞬时热水流量 Q进行计量，经过一定时间的累计，便得到用户消耗的热量值。

     目前，在电子式领域中存在两种超声波热能表方案，下面对这两种方案进行分析，如图示：

图6  GP2方案

    该方案的核心是ACAM公司的时间数字转换芯片TDC-GP2。TDC-GP2具有高精度的时间测量功能，分辨率达到65ps，为时差法流量计的应用提供了基本的测量保障；TDC-GP2的脉冲发生器在小管径的流量测量中可直接驱动超声波换能器，无需另外增加驱动芯片；TDC-GP2测量的低功耗特性使得流量计的整体功耗大幅降低，为电池供电设备提供了优良的解决方案。

    使用TDC-GP2的超声波流量计方案相对于使用分立元件或者FPGA的超声波流量计方案，大大简化了硬件电路设计，只需搭配MCU和简单的比较器、模拟开关元件就可完成控制和时间测量回路的设计。该方案使电路设计得到简化的同时大大缩小了设备的PCB面积，使设备的生产、维护也更加方便容易。

    TDC-GP2还带有两路温度测量功能，可直接接PT1000或PT500热电阻进行温度测量，这为热量表的应用提供了集成化的解决方案。

GP2的优势：

1、  高精度分析：TDC-GP2的单次时间间隔测量的典型精度为 65ps,也就是说内部通过 1个逻辑门的时间被确定在大约65ps。TDC-GP2有非常好的数据统计特性。通过多次平均测量可以使时间测量的典型精度降到10ps左右，这样的数据可以使在测量很小流量（例如 1.6m3/h）的情况下同样可以得到非常好的精度。

2、  低功耗分析：GP2 将测量以脉冲的形式来进行，尤其在超声波测量中，TDC 的核心测量单元并不是时时刻刻都在工作的。它只测量 start 信号上升沿到下一个参考时钟上升沿和 stop信号上升沿到下一个参考时钟上升沿，而中间的时间则由通过计算时钟的周期数来完成，这样的测量原理使测量时间的功耗降到非常低的水平。整个系统的电流消耗在3-5μA 的范围之内。如果采用低功耗的微处理器（如 SILBAS公司的 C8051F92x/93x系列），则整台设备的平均电流消耗可以降至 10-15μA。