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超声波热量表产品设计质量控制探讨

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摘要:当前,中国几乎所有的热量表企业都已开始研发、生产超声波热量表。产品设计结构是否合理是产品质量控制的前提条件。介绍了某厂在腔体设计、换能器设计、温度传感器、积分仪、电池等5个方面对超声波热量表产品采取设计质量控制的措施。

关键词:超声波热量表;设计质量;质量控制

当前,中国几乎所有的热量表企业都已开始研发、生产超声波热量表。从近年上报住建部的几十项相关科研成果中可看出,绝大部分的科研研究重点集中在流量计的基表机械结构(包括反射器和测量管段)设计,只有少量涉及传感器输出信号处理,普遍忽视了对超声波换能器件性能研究。某厂在以下几个方面对超声波热量表产品采取设计质量控制:

1腔体设计

1.1腔体结构流场稳定性分析

1.1.1流场数值模拟分析

设计伊始,对多种备选结构进行模拟,表体测量管段经过ANSYS软件进行流场仿真模拟,在最低压损与最佳整定流场两者之间达到最佳平衡,以缩管径+U型或W型反射单声道结构形式,大幅提高小流量的计量精度,并减少了对表前直管段的要求(0倍直管段)。比较过程包括:现有测量管支架结构模型的速度分布、椭圆头反射镜架的支架结构模型的速度分布、反射镜嵌入表体的结构模型的速度分布、扁嘴Ⅰ型反射镜架的支架结构模型的速度分布和扁嘴Ⅱ型反射镜架的支架结构模型的速度分布。对以上5种结构形式分别进行流程模拟,测得模拟压损,使用后处理软件处理得到超声波行程上线速度的平均值,与输入的设定流速比较。

1.1.2流场稳定性测试

根据EN1434-4标准中对直管段要求,使用水表的标准干扰源器件和测试方法。

1.1.3流场设计与管径关联性分析

某公司(DN15/DN20/DN25)热量表表体的腔体结构采用圆管缩径,将测量段的流速提高一倍;缩径后的测量段基本可被超声波轨迹完全覆盖,超声波承载的速度信息能够准确反应整体流速;反射镜架与四条架腿能起到整定特异性水流的作用;消除旋流、偏心流、脉冲流的影响,经过多种表体形式的模拟,最终确认批量产品使用本结构形式。某公司(DN32/DN40)热量表表体的腔体结构采用长方管缩径,将测量段的流速提高一倍,由圆变方的过程能有效消除左右偏心流动;经过垂直W型反射超声波两上两下的轨迹承载了更全面的速度信息,也抵消了上下垂直方向分速度的干扰;低反射角降低反射镜高度,降低压损;前端两横两竖整流板消除旋流作用显著。

1.2超声波信号稳定性分析(水质、垢、气泡、漫反射)

1.2.1腔体结构设计使超声波信号相关器件有效对抗结垢

换能器接触流体表面为316L材质,光滑不易结垢;反射镜为304材质,位于上端或倾斜,不会因沉积而结垢;表体结构整体流畅,内壁光滑,不易结垢。

1.2.2腔体结构设计不存积气泡

换能器腔深度为2,mm以下,换能器表面有极好的亲水性,不会存积气泡。水中混合的气泡直径在3,mm以下,空气含量在100,mg/L以下,超声波信号可正常发射与接收,长时间超过以上数值,将引发空管报警,需要处理。水中含气泡量太大,将会影响供热系统的正常运行,系统中的排气阀等设备会处理这种情况,热量表也会自动报警。

1.2.3腔体结构设计吸收超声波漫反射信号

反射镜支架为PPO材质,吸收超声波漫反射信号。水质恶劣,水中颗粒产生的漫反射,会降低超声波幅值,使接收端接收超声波信号较弱,但不影响信号携带时间信息的准确性。

1.3信号稳定性的设计与测试

通过超声波测速原理、收发实测数据及电气设计3方面使信号稳定性的设计与测试得到保证。

1.3.1超声波测速原理

水质、垢、气泡、漫反射只影响超声波信号的强度(幅值),不影响超声波信号中携带的时间信息,最终计算流量所需参数为t2~t1。热量表出厂时保证非常高的超声波信号接收幅值,产品出厂时接收信号高达400,mV,电子线路可分辨信号的门限为100,mV;当接收幅度<150,mV时,自动调整放大器增益为10,dB,此时等效门限为31.6,mV,即便结垢后信号降低亦不影响使用,短时间内在非常不利于超声波传播的介质中,也能保证时间信号的准确性。

1.3.2实测信号稳定性数据

本产品不能正常接收信号时,浊度已达到5,000,mg/L以上,管网在如此高的固体杂质含量下,水泵的机封、阀门转轴、过滤器等部件将损坏或堵塞。在其他极端恶劣水质条件下,超声波信号能够稳定发射接收:在pH值为6~11的条件下,超声波信号收发正常;在浊度为4,000,mg/L时,即饮用水浊度的800倍,超声波信号收发正常。

1.3.3电气设计令超声波换能器接收信号稳定

每次发射40个超声波信号,接收端信号会逐渐增强且强度趋于稳定,处理时使用接收到的中间10个超声波信号(10个以后中间段的超声波信号近似稳定,采样取第14~23个波形信号),确保使用的超声波信号的稳定性。实测显示,信号强而稳定。

1.3.4耐久性

接触水部件为黄铜、不锈钢、PPO材料,密封端面采用知名厂家生产的ASTM材质,使用温度可达150,℃,既能满足高温密封的要求,又可以保证长期的密封效果。通过中国计量协会组织的热量表2,400,h基本+300,h附加和4,000次加速+300,h附加耐久性试验,试验结果符合要求。通过信息产业部专用材料质量监督检验中心热量表加速寿命湿热试验。

2换能器设计

2.1换能器结构独立研发、自主设计

换能器采用中心频率为1,MHz的压电陶瓷片,某公司具备混料球磨、压力成型、变温烧结、机械加工、极化处理、分析测试、封装、配对的生产能力,长期使用中,测试信号的稳定性、可靠性及测试精度均达到设计要求。接触水处为316,L不锈钢材质,强度高,有效防结垢。内部胶层、嵌套、换能器陶瓷片耐温达150,℃以上。换能器基体选用黄铜材质,准确、耐压,高温下性能依旧稳定。生产工艺中,包含耐高温处理工艺,每组换能器都经过高温测试,检验信号强度与稳定度,保证整体超声波换能器部件性能。

2.2压电晶体的中心频率和配对误差

2.3换能器成品配对中心频率偏差

2.4换能器耐压、耐热、耐磨损

耐压2.5,MPa,耐热150,℃;过流面材质为316L不锈钢,耐磨防腐不结垢。

2.5换能器振动余波剔除能力

在换能器结构设计中,采用空气做背衬,可较快消除余波。在软件设计方面,对接收到的换能器振动波形进行选择,每次发射40个超声波信号,接收端信号会逐渐增强且强度趋于稳定,处理时使用接收到的中间10个超声波信号(10个以后中间段的超声波信号近似稳定,采样取第14~23个波形信号),确保信号的稳定性。

3温度传感器

温度传感器采用久茂自动化(大连)有限公司的pt1000。

3.1计量准确性

符合标准JB/T,8622—1997《工业铂热电阻技术条件及分度表》和CJ,128—2007、GB/T,32224—2015《热量表》。pt1000配对温度传感器的温差偏差小于0.1,K。

3.2计量可靠性

温度传感器经过加速老化测试,性能能够满足要求。

3.3温度范围

0~105,℃。

3.4单支温度传感器的反应时间

单支温度传感器的反应时间:小于等于4.0,s。

3.5IP保护等级

久茂温度传感器防护等级IP65。

4积分仪

4.1计量电路的稳定性

4.1.1主要元器件选择

采用美国进口TIMSP430F448超微功耗芯片、德国久茂pt1000温度传感器、陶瓷振荡器、钽电容,从原材料上保证电路的稳定性。

4.1.2线路板设计

采用四层PCB板,体积小、抗干扰能力强;走线优化,强弱信号分开,数字模拟分开,在设计上保证电路的稳定性。

4.1.3M-BUS总线光电隔离

有效预防浪涌、雷击,在设计上保证电路的安全性。

4.2整机的微功耗

硬件设计采用微功耗的芯片,软件设计采用合理的测量间隔、不同的流量测量的频率不同、优化算法、汇编语言BCD数据快速处理、测量等待与数据运算并行处理、缩短运算时间、测量运算后迅速休眠等处理方式,降低功耗。整机微功耗,天津计量院检测的整机平均功耗为17.4,μA。

4.3正常工作最低电压

用可调稳压电源、高精度万用表、积分仪测试台或流量测试台,对热量表进行正常工作最低电压测试,工作电压在(3.2±0.05),V时,热量表显示电池电量低,电压在大于(3.0±0.05),V时,热量表正常工作。

4.4内部补偿机制

4.4.1温度、流量补偿数据库

程序内部温度传感器采用2个温度修正点,在9个温度点上对15个流量点进行修正,来保证产品的准确度和误差曲线的线性,补偿数据保存在Flash中。

4.2智能测温周期,适应不同的流量变化情况

根据流量的变化自动调整测温周期(10,s~5,min)。

4.4.3超声波信号强度自适应设计

在信号测量中,采取了信号强度的自适应处理。经过一定时间后,对超声波换能器的接收信号强度做一次判别,如果接收信号强度低于一定的范围,热量表内部的微处理器将增加超声波换能器的接收增益,使得接收信号强度在一个合理的范围内;整个测量过程,是一个自适应过程。超声波换能器接收增益正常值为0,dB,当传感器表面结垢或者水中杂质较多时换能器接收增益增加到10,dB,但只要大于比较门限即可准确测量;低于检测比较门限则产生空管报警,这样处理在水质较好时功耗最低。

4.4.4热量计算的准确度

软件仿真:用模拟流量、温度的方法计算热量,验证热量计算的准确性。电阻箱模拟pt;流量采用自发脉冲方式。整机热量测试:在3,k、20,k、60,k温差下测试热量误差。

5电池

5.1电池容量

ER18505电池标称容量:4,Ah。LS17500电池容量:3.6,Ah。

5.2电池使用寿命

5.2.1寿命要求

10年以上。

5.2.2容量估算

天津计量院检测的整机平均功耗为17.5,μA;热量表供暖期平均功耗(设计值):35,μA=0.035,mA;热量表非供暖期平均功耗(设计值):15,μA=0.015,mA。按采暖期为5,m的设计值计算,需要电池容量:0.035(mA)×24(Hour)×150(Day)×10(Year)+0.015(mA)×24(Hour)×215(Day)×10(Year)=2,034,mAH;按天津计量院检测的实测值计算,需要电池容量:0.017,5(mA)×24(Hour)×365(Day)×10(Year)=1,533,mAH;ER18505电池:4,000,mAH电池按照总容量的60%,计算可使用容量为2,400,mAH;LS17500电池:3,600,mAH电池按照总容量的60%,计算可使用容量为2,160,mAH;2,400,mAH>2,160,mAH>2,034,mAH>1,533,mAH,满足设计要求。

5.3电池自放电率

自放电率≤1%,/年。

6结语

一个热量表生产企业,产品质量好坏还反应了出厂检定系统(包括设备硬件和检定方法程序设计软件)及管理软件是否科学、完备,及运作实施是否认真、负责。另外,我国还没有一家生产热量表的企业所有主要部件都是自己制造,因此,外购配件来源可靠,同样是保证热量表质量的重要因素。总之,产品设计结构是否合理一定是产品质量控制的前提条件。

参考文献

[1]JJG,225—2001.中华人民共和国国家计量检定规程《热能表》[S].

[2]CJ,128—2007.中华人民共和国国家《热能表》[S].

[3]北京市新建集中供热住宅分户热计量设计技术规程(北京市标准)[S].

作者:闫明1,2 单位:1.中国电子科技集团公司第四十六研究所,2.天津市新岭电子技术有限公司

超声波热量表产品设计质量控制探讨责任编辑:张雨    阅读:人次