CN104729603A - 超声波热敏测温装置 - Google Patents

Abstract

超声波热敏测温装置，包括带有流体入口和流体出口的流量管、第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一热敏体、第二热敏体。所述的第一热敏体、第二热敏体由对温度敏感的热应变片组成，所述第一热敏体、第二热敏体分别密封安装在载热流体的流量管两端，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器分别安装在流量管两端的第一热敏体和第二热敏体上，当载热流体温度的变化会使热敏体形体的长度发生变化，这一变化使第一换能器和第二换能器之间的距离发生变化，算出流体的流量和温度。本发明抗干扰能力强，检测精度高，节省能源，并且成本造价低，安装维修简便，一次检测便可计算出热水的流量和温度。

Description

超声波热敏测温装置

    技术领域

    本发明涉及计量仪表技术领域，特别是涉及可一次计量流量与温度的超声波热敏测温计量表。

    背景技术

 当前，超声波热量表以其测量精准越来越被广泛应用，尤其在热水计量领域，它的优势和未来发展的空间是不可估量。目前超声波热水计量表都要进行两种检测：一是通过超声波检测流量，二是通过热敏电阻检测温度，并通过积分仪显示流体的流量，它包含机械、电子和信息技术的高科技产品。但问题是这种计量表大多都是靠电池供电，两次检测耗时（软件运行时间长）和耗能（两套检测电路）太大，从而导致电池电量下降太快，平均使用寿命不超过6年，许多市场都是由于考虑到更换电池的因素而不想采用这一产品，这是超声波热水计量表市场发展的一大短板。

本发明取消了热敏电阻，是一种只通过一对超声波换能器，做一次检测即可得到流量和温度的装置，有效地缩短了MCU(单片机)的工作时间，节省效果可达一倍以上能源，使平均使用寿命超过10年以上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种抗干扰能力强，检测精度高，节省能源，并且成本造价低，安装维修简便，做一次检测便可计算出流体的流量和温度的超声波热敏测温装置。

采用的技术方案是：

超声波热敏测温装置，包括带有流体入口和流体出口的流量管、第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一热敏体、第二热敏体。所述的第一热敏体、第二热敏体由对温度敏感的热应变片组成，所述第一热敏体、第二热敏体分别密封安装在载热流体的流量管两端，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器分别安装在流量管两端的第一热敏体和第二热敏体上，当载热流体温度的变化会使热敏体形体的长度发生变化，这一变化使第一换能器和第二换能器之间的距离发生变化，利用计算公式算出流体的流量和温度。

本装置主要就是为了解决超声波热水表的节能技术问题，它取消了通过热敏电阻检测温度的电路，而改用热敏体（纯机械装置）与超声波配合，一次检测便可计算出热水的流量和温度。本装置抗干扰能力强，检测精度高，节省能源，并且成本造价低，安装维修简便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

超声波热敏测温装置，包括带有流体入口和流体出口的流量管5、第一超声波换能器1、第二超声波换能器2、第一热敏体3、第二热敏体4。所述的第一热敏体3、第二热敏体4由对温度敏感的热应变片组成，所述第一热敏体3、第二热敏体4分别密封安装在载热流体的流量管5两端，所述第一超声波换能器1、第二超声波换能器2分别安装在流量管5两端的第一热敏体3和第二热敏体4上，当载热流体温度的变化会使热敏体形体的长度发生变化，这一变化使第一换能器和第二换能器之间的距离发生变化，计为ΔL，基本距离计为L，即总距离为L_t：

L_t= L+ΔL              (式1-1)

1、设此时流速为零，温度为一恒定值时（两个换能器之间的距离为L），通过超声波换能器测出的数值为：

通过第一超声波换能器能测得的数值为逆流时间量，计为t_n0。

通过第二超声波换能器能测得的数值为逆流时间量，计为t_s0。

用这两个测得的值来计算流量如下：

Δt₀= t_n0- t_s0                 (式1-2)

按超声波测量的基本原理，通过这一差值计算出流量来。

2、设此时流速不为零，温度也发生了变化（两个换能器之间的距离为L_t），通过超声波换能器测出的数值为：

通过第一超声波换能器能测得的数值为逆流时间量，计为t_n1。

通过第二超声波换能器能测得的数值为逆流时间量，计为t_s1。

这两个可以认为是：

t_n1= t_n0+Δt₁+Δt₂                     (式1-3)

t_s1= t_s0-Δt₁+Δt₂                      (式1-4)

Δt₁是流速发生变化时产生的变量，Δt₂是两个超声波换能器之间距离发生ΔL变化时产生的变量。

用这两个测得的值再来计算流量如下：

Δt₀’= t_n1- t_s1

=( t_n0+Δt₁+Δt₂)-( t_s0-Δt₁+Δt₂)

= t_n0- t_s0+2Δt₁                 (式1-5)

(式1-5)与 (式1-1)比较，由于流速的变化使得Δt₀’与Δt₀产生了2Δt₁增量，这正是我们需要的。从(式1-5)的推演过程中也可以看出，两个超声波换能器之间距离发生变化对超声波测量流速不会产生任何影响(由于热水中的温度变化是秒级以上，而超声波正反方向检测之间的差时仅为微秒级，也就是说正反两次检测之间由于热敏体的变化而对流速检测产生的误差是可以忽略不计的，如果需要更高的精度可以通过温度补偿的计算方式予以修正)。而如果我们采用超声波测量距离的计算方法来计算，如下：

Δt_s’= (t_n1+ t_s1)/2

=【( t_n0+Δt₁+Δt₂)+( t_s0-Δt₁+Δt₂)】/2

= t_n0- t_s0+2Δt₂                 (式1-6)

从(式1-6)的推演过程中也可以看出，Δt_s’只反映出两个超声波换能器之间距离发生了2Δt₂的变化，而与流速的变化无关。利用这一原理，我们可以简单地折算出对应的温度变化量，从而完成对温度的测量任务。

基于上述这一理论原理，我们只需做一次超声波的正向和逆向的测量即可知道流量值和温度值，取消了传统的温度传感器，也大大缩短了软件运行的时间，起到事半功倍的效应，节省了宝贵的能源。

温度的测量精度从检测电路上是足够的（如采用GP2,其检测精度高于万分之上），关键在于ΔL的变化率，只要这一参数有足够大的变化空间，温度的分辨精度就可以充分得到满足，解决这一问题是简单的，只要多增加几级热应片，其层叠的变化量ΔL就可以足够大了。

Claims (1)

1.超声波热敏测温装置，包括带有流体入口和流体出口的流量管（5）、第一超声波换能器（1）、第二超声波换能器（2）、第一热敏体（3）、第二热敏体（4），其特征在于所述的第一热敏体（3）、第二热敏体（4）由对温度敏感的热应变片组成，所述第一热敏体（3）、第二热敏体（4）分别密封安装在载热流体的流量管（5）两端，所述第一超声波换能器（1）、第二超声波换能器（2）分别安装在流量管（5）两端的第一热敏体（3）和第二热敏体（4）上，当载热流体温度的变化会使热敏体形体的长度发生变化，这一变化使第一换能器和第二换能器之间的距离发生变化，利用计算公式算出流体的流量和温度。