关于超声波热量表设计及远程抄表技术的研究

王同波

摘 要：在国家提倡节能环保和推行供热计量改革的背景下，要推行供热计量改革，使住户供热公司接受热量计量收费方式，其中，解决好抄表问题是关键。本文针对国内住户的具体情况，对超声波热量表设计及远程抄表技术进行了阐述，以期推动该技术的发展。

关键词：热量表；超声波；远程抄表技术

节能减排、降低全社会的能源消耗水平关系到整个社会经济的可持续发展，是我国的基本国策。虽然国家十分重视供热计量改革的推进，国内热量计量行业也已初具规模，但仍处于起步阶段，不能满足市场需要，热量计量产品在技术上存在多种问题，重制约了居民供热分户计量的推广和发展。

一、超声波热量表设计

（一）超声波流量测量原理。超声波流量测量的原理是：超声波在流体中传播时，传播速度会受流速影响而变化，可通过测量流体中传播的超声波信号来计算流体流速，进而得到流量。流量测量方法有时差法、频差法、相关法和多普勒效应法等。超声波在流体中传播的过程中会叠加水流速度，使相同传播距离下，顺流传播与逆流传播存在时间差，利用该差值可计算出流体流速，进而得到流量。

（二）流量测量管道结构设计。超声波热量表的流量测量管道结构，决定了超声波换能器的安装位置，进而决定了超声波在流体中的传播路径；同时，好的测量管道结构能够减小管道内的压力损失。超声波流量测量中常用的集中测量结构如下：1、斜射式：两个换能器与管道成一个角度相对地安装在管壁，斜射式结构管道内部对流体流动没有阻碍，因此无压力损失，结构简单，加工成本低，常用于大口径超声波流量计，但对于住户供暖管道来说，采用斜射式结构会使超声波信号传播路径过短，测量时容易产生较大误差；2、直射式：直射式结构测量管道通过改变流体的传播方向，延长了超声波信号地传播距离，能够保证测量精度，但是，直射式管道结构复杂，加工成本高，而且复杂的结构容易造成水垢和杂质的沉积，覆盖换能器发射接收表面甚至堵塞管道。

（三）数据处理方法设计。数据处理方法是通过热量表中的软件来实现。对于系统误差，可以通过校准测量，并在测量结果后加相应系数的方法来降低。对于粗大误差和随机误差，可通过多次测量，判断并剔除粗大误差，并求平均值的方法来降低。由于软件的设计要求低功耗，多次测量的次数不能太多，因而必须选择小样本的数据处理方法。可以通过实验数据的比较，选用格拉布斯准则作为剔除粗大误差的准则。

二、抄表网络设计

（一）抄表网络要完成的功能。1、网络组织与维护：抄表网络首先要完成的是组网，即所有网络中的所有设备加入网络，并为网络中的所有设备分配地址，建立设备与用户的联系，在网络设备出现故障时，网络要能够及时发现并发出警报。2、全小区抄表：在该过程中，抄表中控制抄表网络定时，将小区内所有热量表的抄表数据传回抄表中。3、单用户抄表：某用户热量表出现可疑抄表数据时，需要对该用户热量表进行较高频率的抄表，以便发现该用户供热过程中的问题。

（二）抄表网络中的消息与数据格式设计。1、抄表数据格式：抄表数据格式用于在抄表网络中传输抄表数据。抄表数据格式中的基本信息是从上次抄表到本次抄表的累计热量值和本次抄表的截止时间。数据在热量表和集中器中对相同的格式进行存储并定时更新。2、M-Sus总线上的消息类型：M-Sus总线上的信息都通过数据帖来传递，报文格式通常有四种，分别是单字节帧、短中帧、控制帧和长帧。

三、抄表管理软件设计

（一）抄表管理软件总体功能设计。管理软件主要实现抄表管理、用户信息管理和网络管理三部分功能。1、抄表管理：在正常情况下，抄表管理软件定时向抄表网络发送命令，对所有热量表进行抄表，并更新数据库中的抄表数据；当发现某用户热量表抄表数据有异常或用户有要求时，管理软件可以对个别用户进行实时抄表。2、用户信息管理：完成用户信息添加、更新和移除，热量表与用户的对应，并提供抄表结果的查询。3、网络管理：网络管理负责为每个加入网络的设备分配相应的地址，并且要对无线网络进行网络拓扑监测，用来优化无线网络，同时，要及时诊断并报告网络出现的故障。

（二）网络管理功能模块设计。网络管理的功能是对网络中的设备进行管理和监测，允许集中器和热量表等設备加入网络，保证设备正常运行。该模块的功能包括网络设备地址分配、无线组网管理和网络故障报警。无线组网管理功能用于获得无线网络中各节点的拓扑结构，发现未加入网络的节点，以此作为优化无线网络、提高信号传输质量的依据，技术人员可根据网络的拓扑结构，适当调整无线节点位置。网络异常报警包括集中器异常报警和热量表异常报警。抄表中也向某集中器发出消息，当超过一定的时间没有收到应答时，抄表管理软件会弹出一个包含集中器地址的弹窗提示集中器通信异常。

四、结语

我国在供热计量改革的道路上进展缓慢，加强对超声波热量表设计及远程抄表技术的研究，能够很好的解决热量表运行中存在的问题，能够降低整个系统的成本。虽然目前该技术并没有得到显著的发展，但是，随着大众的需要和科研人员的不断努力，未来的供热计量一定是会跟上时代的潮流，迈向网络化和智能化。

参考文献：

[1]侯影.超声波热量表及远程抄表系统的设计与实现[D].黑龙江大学，2013.endprint