带有温度补偿的超声波燃气表的设计

测量与设备
单片机，该单片机是一种低功耗、高性能 ＣＭＯＳ８ 位 微控制器，兼容标准 ＭＣＳ －５１ 指令系统，内置 ８Ｋ 字 节的 Ｆｌａｓｈ 存 储 器 和 ５１２ 字 节 的 数 据 存 储 空 间， ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ 具有在系统可编程（ＩＳＰ） 特性，方便对 系统进行后期维护和再开发。
温度补偿采用传感器实时补偿方式，选用美国 ＤＡＬＬＡＳ 公 司 生 产 的 一 线 式 数 字 温 度 传 感 器 ＤＳ１８Ｂ２０。 其具有 ３ 引脚 ＴＯ －９２ 小体积封装形式， 检测温度范围为﹣ ５０ ～１２５℃；最高 １２ 位分辨力， 准确度可达 ０畅５℃；最大工作周期为 ７５０ｍｓ；供电电 压范围为 ３ ～５畅５Ｖ；可设置超限温度报警，并有搜索 命令识别报 警 条 件； 单 总 线 接 口， 仅 需 一 条 输 入 输 出线（ ＤＱ）就能与单片机（ Ｐ１畅３） 进行通信。 温度补 偿模块电路图如图 ３ 所示。
管内气体温度对计量误差的影响（ 设被检表在 标准检定温度 ２０℃下误差为 ０），如表 １ 所示。 由于 膜式燃气表没有温度补偿，所以燃气通过膜式燃气 表时，环境温度低于 ２０℃时，计量值偏小，就会产生 计量误差。
表１
温度对计量误差的影响
温度（ ℃）
误差（ ％）
２０
０
１０
－３畅４７
０
－６畅０８
－１０
－１２畅４
图 ２ 超声波燃气表结构图
２畅２ 超声波燃气表的温度补偿规则 根据理想气体状态方程，一定质量气体的体积
与压力的乘积和它的热力学温度成正比。 即：ｐ１ Ｖ１ ／ Ｔ１ ＝ｐ２ Ｖ２ ／Ｔ２ ，当压力不变时，则 Ｖ１ ／Ｔ１ ＝Ｖ２ ／Ｔ２ ，一定 质量的气体的体积随温度升高而体积变大，随温度 降低而体积变小。
针对以上问题，我们设计了一款带有温度补偿 的民用超声波燃气表。 超声波燃气计量技术是一 种高精度、长 时 间 稳 定 计 量 的 可 靠 计 量 技 术， 经 过 多年的发展，主要应用于大中流量的工业燃气计量 中，在民用燃气计量领域还没有广泛应用。 现在， 将超声波计量技术引入到民用燃气计量领域中，全 电子式结 构 的 优 点 必 然 使 超 声 波 燃 气 表 拥 有 可 观 的应用前景。
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率和光束的近场强度分布，通过 Ｚｅｒｎｉｋｅ 模式法或区 域法重构可得到激光束的波前相位，广泛应用于自 适应光学波前相位测量、激光光束质量测量和激光 医学检测等工程领域。
Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器可通过溯源至标 准平面面形，然后将标准平面面形溯源至国家平面 基准的方法实现校准。
１
－１４
５０畅０９３
２ －８畅８ ５２畅３８５
３
０畅１
５０畅１４６
４
９畅３
４８畅２６６
５ １６畅９
５０畅８９５
６ ２１畅９
４８畅６３２
７ ２４畅６
４６畅５６９
８ ２３畅６
４４畅０２３
９ １７畅２
４９畅０１８
４５畅０８５ ４７畅７９３ ４６畅６０６ ４６畅２４８ ５０畅４６１ ４９畅３１８ ４７畅７３８ ４５畅５５３ ４８畅５３２
２畅３ 温度补偿模块设计 控制模块选用宏晶科技生产的 ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ 型
图 ３ 温度补偿模块电路图
３ 实测试验及数据分析
超声波燃气表制作完毕后，我们在沈阳某小区 一户居民 家 进 行 了 为 期 一 年 的 普 通 膜 式 燃 气 表 与 超声波燃气表计量比较试验。 仪表安装采取铝塑 复合管串联 连 接， 用 户 的 仪 表 位 置 不 变， 在 试 验 期 间不影响用户的正常使用和抄表收费工作。 试验 数据如表 ２ 所示。
关键词 波前相位；波前传感器；波前重构；校准不确定度
ｄｏｉ：１０畅３９６９ ／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１０００ －０７７１畅２０１４畅０６畅０９
０ 引言
目前测量激光束波前相位的方法主要有两种， 一种为波前传感器法，即利用经典 Ｈａｒｔｍａｎｎ 波前传 感器、Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器等测量激光束 波前相位；另 一 种 为 剪 切 干 涉 法， 即 利 用 剪 切 干 涉 仪通过干涉原理测量激光束的波前相位。 本文介 绍了 Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器测量激光束波前 相位的测试方法和测试原理。 Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波 前传感器由一个微透镜阵列、ＣＣＤ 相机和数据采集 处理系统三部分组成，可同时获得激光束的波前斜
１ 测量原理
Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器测量原理如图 １ 所示。 它主要由按一定规律排列的子透镜，即微透
计量技术 ２０１４畅Ｎｏ ６
刘 磊１ 胡绍云２ 孟庆安２ 张 浩２ 蒋泽伟２
（１畅安徽医科大学附属省立医院，合肥 ２３００１；２畅西南技术物理研究所，成都 ６１００４１）
摘 要 Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器通过一个微透镜阵列和 ＣＣＤ 可同时探测一束激光的振幅和相位信息， 通过波前重构算法，可以获得激光的波前相位信息。 本文介绍了 Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 法激光波前相位测试方法和测 试原理，并对 Ｈａｒｔｍａｎｎ －Ｓｈａｃｋ 波前传感器的校准方法及校准不确定度进行了探讨。
为了解决户外挂表受环境温度影响的问题，市 面上曾经出现了带有温度补偿的膜式燃气表，但是 由于膜式燃气表的计量原理以机械方式实现，因此 使用电子 化 的 传 感 器 技 术 进 行 温 度 补 偿 实 现 难 度 大，需要先将 机 械 信 号 进 行 转 换， 再 根 据 温 度 传 感 器的数据进行修正。 除了本身膜式燃气表的基本 成本外，需要 增 加 电 子 电 路 的 成 本， 使 得 整 个 产 品 成本极高。
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１ 超声波计量技术工作原理
超声波计 量 是 借 助 超 声 波 在 气 体 介 质 中 传 播 的时差来进行计量的。 如图 １ 所示，一对存在倾斜 角度的传感 器， 相 互 发 送 超 声 波 信 号， 当 没 有 气 介 质体流动时，从上方振子发出的超声波到达下端所 花的时间与从下端发送到上端的时间一样。 但当 气体从左向右运动时，上下分别发出的超声波受到 气体介质流动的影响，上端向下端快于下端向上端 发送的速度，形成逆流时间 ｔ２ 和顺流时间 ｔ１ 的时 间差。
测量与设备
带有温度补偿的超声波燃气表的设计
石理碧 王瑛辉 满李宁
（杭州市质量技术监督检测院，杭州 ３１００１９）
摘 要 针对当前膜式燃气表的计量准确性受外界温度影响较大的问题，设计出一种带有温度补偿的超声波 燃气表，为户外集中挂表的管理模式提供了一种新的产品支持。 经过试验证明，该超声波燃气表性能稳定、量值可 靠，具有实用性和推广价值。
４９畅８６５ ５２畅１３４ ４９畅９１３ ４８畅０３２ ５０畅５３３ ４８畅８５７ ４６畅７８７ ４４畅２５４ ４８畅７８６
１０ ９畅４
１１
－４
１２ －１２畅９
４７畅８８７ ５０畅０１５ ５１畅２８７
４６畅２６４ ４５畅９０７ ４５畅２７６
４７畅６５４ ４９畅７３６ ５１畅０４８
通过近一年的试验，仪表稳定可靠，没有出现故障， 说明仪 表 的 稳 定 性 和 可 靠 性 基 本 满 足 现 场 使 用
［４］ 闫继伟，边 可 可．超 声 波 燃 气 表 的 设（４） ：４６ －４８
［５］ 张攀峰，王玉萍，张健，张开生．带有温度补偿的超声波测距仪的 设计［ Ｊ］ ．计算机测量与控制，２０１２畅２０（６） ：１７１７ －１７１９
激光波前相位测试与校准技术
１ ｔ１
－ｔ１２
从而可以 计 算 出 一 定 时 间 内 流 过 固 定 截 面 通 道的气体体积。
２ 超声波燃气表设计
２畅１ 超声波燃气表结构图 通过对超声波计量技术工作原理的分析，设计
一款带有温度补偿的超声波燃气表。 表体内包括 超声波检测模块、温度补偿模块、控制模块、显示模 块以及电池，如图 ２ 所示。
图 １ 超声波计量技术工作原理图
ｔ１
＝ｃ
Ｌ ＋ｖｃｏｓθ
（１）
ｔ２
＝ｃ
Ｌ －ｖｃｏｓθ
（２）
式中：Ｌ 为声程；ｃ 为声波在静止气体中的声速；ｖ 为
气体沿管道轴向的流速。
流速的快慢与时 间差是 一 个 函 数 关 系， 由 式
计量技术 ２０１４畅Ｎｏ ６
（１ ） 和式（２） 可以得出气体的流速：
ｖ ＝２ｃＬｏｓθ
关键词 膜式燃气表；超声波燃气表；温度补偿 ｄｏｉ：１０畅３９６９ ／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１０００ －０７７１畅２０１４畅０６畅０８
０ 引言
随着国内对天然气使用的推广，据住建部发布 的预测报告，预计至 ２０１６ 年全国城镇燃气普及率将 达到 ９４％，用气家庭超过 ２ 亿户。 目前，我国民用 燃气计量 普 遍 采 用 膜 式 燃 气 表 户 内 挂 表 的 管 理 模 式，但是在入户抄表、安全检查等方面，其弊端不可 避免的暴露出来。 于是，出现了户外集中挂表的管 理模式，也基本可以避免户内挂表的缺点。 但是膜 式燃气表的壳体通常为铁质 或铝制品， 导热性较 强，外界的气温变化对其计量的准确性会有较大的 影响。
从表 ２ 可以看出．温度补偿型超声波燃气表与 普通膜式燃气表的计量值相比较， 超声波 燃气表 的计量值更加准确可靠，具有良好的温度补偿功能。
计量技术 ２０１４畅Ｎｏ ６
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测量与设备
表２
试验 平均温度 用气量标准 膜式燃气表 超声波燃气表
月份 （℃）
值（ｍ３ ） 计量值（ｍ３ ） 计量值（ｍ３ ）
［２］ 孙明利， 鲍 健， 张 烁．单 总 线 技 术 及 ＤＳｌ８８２０ 的 温 度 测 量 实 现 ［ Ｊ］ ．大气与环境光学学报，２０１０（４） ：３２２ －３２６
［３］ 王节旺．一种基于 ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ 单片机的计时系统的设计方 案 ［ Ｊ］ ．微型机与应用，２０１１，３０（６） ：２８ －３０
要求。
４ 结论
带有温度补偿的超声波燃气表的成功研发，为 户外集中挂表管理模式提供了一种新的产品支持。 该燃气表性 能 稳 定， 量 值 可 靠， 也 为 燃 气 表 向 智 能 化方向发展提供了有利条件， 具有实用性 和推广 价值。
参考文献
［１］ 吴伟龙，刘风华 畅高精度超声波流量计温度压力补偿方法的 探 讨［ Ｊ］畅计量技术，２０１０（６） ：１９ －２２