淺述超聲波熱量表功耗檢測的方法

李毅堂 路遙 施鑫 李坡

摘 要：近年來，為保證熱量表安裝后可以長期穩(wěn)定運(yùn)行，熱量表使用單位對熱量表壽命指標(biāo)提出了更高要求。然而，目前熱量表國家標(biāo)準(zhǔn)對于功耗的檢測方法描述較為簡略，在具體實(shí)施過程中難以有效的進(jìn)行檢測和評價。本文以超聲波熱量表為研究對象，對影響熱量表功耗的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀對四種熱量表功耗檢測方法進(jìn)行了剖析，從而尋求最優(yōu)檢測方法。

關(guān)鍵詞：超聲波熱量表；功耗檢測

1 引言

熱量表是用于測量及顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放或吸收熱能量的儀表。[1]目前市場上的戶用熱量表產(chǎn)品多采用內(nèi)置電池供電，在實(shí)際使用過程中，使用單位多次發(fā)現(xiàn)部分熱量表在其使用周期內(nèi)出現(xiàn)電池電量耗盡的現(xiàn)象。針對此類問題，近些年熱量表使用單位在進(jìn)行招標(biāo)時，對熱量表的使用壽命提出了高于熱量表國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32224-2015的指標(biāo)，因此對熱量表企業(yè)進(jìn)行功耗設(shè)計(jì)與改進(jìn)以及技術(shù)機(jī)構(gòu)對熱量表功耗進(jìn)行科學(xué)合理的檢測評價均提出了更高的要求。目前國家標(biāo)準(zhǔn)對于功耗的檢測方法較為簡略，在實(shí)施過程中，技術(shù)機(jī)構(gòu)缺乏統(tǒng)一的檢測方法，難以有效的對熱量表功耗進(jìn)行檢測評價。

2 超聲波熱量表功耗分析

熱量表的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32224-2015中明確規(guī)定，熱量表的內(nèi)置電池的使用壽命應(yīng)大于（5+1）年。熱量表的功耗會直接影響熱量表的電池使用壽命，而且熱量表的功耗設(shè)計(jì)也能在一定程度上反映熱量表生產(chǎn)、研發(fā)、質(zhì)量控制的水平。因此，本文根據(jù)熱量表市場的通用設(shè)計(jì)方法來對熱量表的功耗進(jìn)行分析。

從計(jì)量功能的角度出發(fā)，影響熱量表功耗的因素主要包括待機(jī)功耗，流量、溫度測量功耗和通訊功耗四部分。通過對60余家企業(yè)熱量表的功耗檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)果：

2.1 靜態(tài)功耗均在15uA以下，絕大多數(shù)企業(yè)未超過10uA；

2.2 流量和溫度的瞬時功耗在數(shù)百uA至數(shù)mA量級，持續(xù)時間10ms～50ms不等；

2.3 流量和溫度的采集周期進(jìn)行，流量采集的周期較短，一般不超過10s，溫度采集的周期較長，一般在30s至數(shù)分鐘不等；

2.4 流量和溫度測量的等效平均功耗約10uA～30uA；

2.5 通訊功耗在接255個負(fù)載，每小時通訊一次的情況下進(jìn)行測試，等效功耗不超過5uA，而且很多企業(yè)的熱量表支持通過MBUS供電，連接MBUS后不再消耗電池電量。

從上述結(jié)果可以看出，流量、溫度的測量功耗和待機(jī)功耗是熱量表功耗的主要來源，通訊功耗的影響相對較小。其中占比最大的測量功耗，其大小與測量時的瞬時功耗，測量的持續(xù)時間，測量采集周期均有關(guān)系。測量持續(xù)時間越短，測量采集周期越長，熱量表的功耗越小，但是這樣會導(dǎo)致熱量表在實(shí)際使用過程中的計(jì)量準(zhǔn)確度降低。因此，評價熱量表的功耗大小不應(yīng)該只根據(jù)平均功耗一項(xiàng)指標(biāo)，而是需要綜合考慮以上各方面因素。

3 熱量表功耗檢測方法

熱量表屬于低功耗設(shè)備，電流值不僅動態(tài)變化而且變化范圍很大（從uA到mA），目前各個企業(yè)和檢測機(jī)構(gòu)都會對熱量表的整機(jī)微功耗進(jìn)行檢測，檢測方法主要是將各種檢測設(shè)備串接到工作回路中來測量工作電流的方法。主要的檢測設(shè)備有以下幾種：

3.1 使用示波器進(jìn)行檢測

在電池負(fù)端和電路板負(fù)端之間串聯(lián)一個小阻值的采樣電阻，然后使用示波器測量電阻兩端的電壓，再通過歐姆定律轉(zhuǎn)換成電流值。

由于示波器的采集頻率很高，因此可以檢測出熱量表功耗動態(tài)變化過程的全部細(xì)節(jié)。但是示波器的存儲深度相對較小，而熱量表的采集周期可能達(dá)到數(shù)十秒，所以采用這種方法雖然能夠看到動態(tài)變化細(xì)節(jié)，但是無法在較長的時間跨度上進(jìn)行宏觀觀察。另外，為了不影響電路的正常工作，采樣電阻一般阻值很小，而電路中的電流值一般也在mA或uA級，導(dǎo)致示波器采集的電壓信號非常微弱，易受噪聲干擾，檢測效果大打折扣。

3.2 使用直流電源分析儀進(jìn)行檢測

直流電源分析儀是電源測試的專業(yè)設(shè)備，具備測量精度高，采樣頻率高，數(shù)據(jù)存儲量大的優(yōu)點(diǎn)。以是德科技的N6705C為例，配合SMU模塊，安培計(jì)精度高達(dá)0.025%+8nA，配套電腦軟件支持示波器功能，采樣頻率200kHz，存儲深度512kpts，數(shù)據(jù)記錄儀測量間隔從20μs至60s可調(diào)，每個數(shù)據(jù)記錄最多存儲5億個讀數(shù)。[2]然而，直流電源分析儀昂貴的成本開支是不可忽略的，在設(shè)備的選擇上需要綜合考慮。

3.3 使用電流鉗進(jìn)行檢測

電流鉗可接示波器或電腦，信號采集結(jié)果表達(dá)形式靈活，可滿足讀數(shù)和采樣周期頻率的要求。而且采用這種方式，電流鉗是套接在電路上的，不需要串聯(lián)到電路中，對被測電路的影響相對較小。但是電流鉗更適合測量大電流，測量微小電流的精度較低。

3.4 使用數(shù)字萬用表進(jìn)行檢測

目前使用較多的是6?位數(shù)字萬用表，以是德的34465A為例，其電流測量在10mA檔精度指標(biāo)可達(dá)±（0.007%讀數(shù)+0.020%量程），最大讀數(shù)速率5000讀數(shù)/s，存儲器50000讀數(shù)/s。可以看出，數(shù)字多用表的測量精度很高，但是它更適合測量恒定電流，而對于動態(tài)變化的電流適應(yīng)性不佳。因此，這種方式更適合制造企業(yè)，可以通過熱量表內(nèi)部程序控制，使熱量表始終處于某種工作狀態(tài)下，再使用數(shù)字萬用表精確測量瞬時功耗。

4 結(jié)論及建議

近來，越來越多的熱量表生產(chǎn)企業(yè)將重點(diǎn)研究方向轉(zhuǎn)為低功耗熱量表的研制，經(jīng)過對多家熱量表生產(chǎn)企業(yè)的考核、調(diào)研，發(fā)現(xiàn)幾乎每個企業(yè)都非常注重自己品牌熱量表的功耗性能，然而，對于熱量表各個部件及環(huán)節(jié)的功耗標(biāo)準(zhǔn)及檢測方法目前并沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行客觀、明確的規(guī)定。接下來要對熱量表的功耗測量方法做深入探討和研究，尋求一種能客觀、精確、全面的反映熱量表功耗情況的檢測方法，并通過試驗(yàn)探究熱量表各項(xiàng)計(jì)量功能的功耗最佳數(shù)值范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]熱量表，GB/T 32224-2015

[2]N6700 系列模塊化電源系統(tǒng)，https：//www.keysight.com/

[3]數(shù)字萬用表 34460A、34461A、34465A（6? 位）、34470A（7? 位），https：//www.keysight.com/