浅述超声波热量表功耗检测的方法

李毅堂 路遥 施鑫 李坡

摘 要：近年来，为保证热量表安装后可以长期稳定运行，热量表使用单位对热量表寿命指标提出了更高要求。然而，目前热量表国家标准对于功耗的检测方法描述较为简略，在具体实施过程中难以有效的进行检测和评价。本文以超声波热量表为研究对象，对影响热量表功耗的各个环节进行了详细的分析，并结合国内现状对四种热量表功耗检测方法进行了剖析，从而寻求最优检测方法。

关键词：超声波热量表；功耗检测

1 引言

热量表是用于测量及显示水流经热交换系统所释放或吸收热能量的仪表。[1]目前市场上的户用热量表产品多采用内置电池供电，在实际使用过程中，使用单位多次发现部分热量表在其使用周期内出现电池电量耗尽的现象。针对此类问题，近些年热量表使用单位在进行招标时，对热量表的使用寿命提出了高于热量表国家标准GB/T 32224-2015的指标，因此对热量表企业进行功耗设计与改进以及技术机构对热量表功耗进行科学合理的检测评价均提出了更高的要求。目前国家标准对于功耗的检测方法较为简略，在实施过程中，技术机构缺乏统一的检测方法，难以有效的对热量表功耗进行检测评价。

2 超声波热量表功耗分析

热量表的国家标准GB/T 32224-2015中明确规定，热量表的内置电池的使用寿命应大于（5+1）年。热量表的功耗会直接影响热量表的电池使用寿命，而且热量表的功耗设计也能在一定程度上反映热量表生产、研发、质量控制的水平。因此，本文根据热量表市场的通用设计方法来对热量表的功耗进行分析。

从计量功能的角度出发，影响热量表功耗的因素主要包括待机功耗，流量、温度测量功耗和通讯功耗四部分。通过对60余家企业热量表的功耗检测数据进行分析，得到如下结果：

2.1 静态功耗均在15uA以下，绝大多数企业未超过10uA；

2.2 流量和温度的瞬时功耗在数百uA至数mA量级，持续时间10ms～50ms不等；

2.3 流量和温度的采集周期进行，流量采集的周期较短，一般不超过10s，温度采集的周期较长，一般在30s至数分钟不等；

2.4 流量和温度测量的等效平均功耗约10uA～30uA；

2.5 通讯功耗在接255个负载，每小时通讯一次的情况下进行测试，等效功耗不超过5uA，而且很多企业的热量表支持通过MBUS供电，连接MBUS后不再消耗电池电量。

从上述结果可以看出，流量、温度的测量功耗和待机功耗是热量表功耗的主要来源，通讯功耗的影响相对较小。其中占比最大的测量功耗，其大小与测量时的瞬时功耗，测量的持续时间，测量采集周期均有关系。测量持续时间越短，测量采集周期越长，热量表的功耗越小，但是这样会导致热量表在实际使用过程中的计量准确度降低。因此，评价热量表的功耗大小不应该只根据平均功耗一项指标，而是需要综合考虑以上各方面因素。

3 热量表功耗检测方法

热量表属于低功耗设备，电流值不仅动态变化而且变化范围很大（从uA到mA），目前各个企业和检测机构都会对热量表的整机微功耗进行检测，检测方法主要是将各种检测设备串接到工作回路中来测量工作电流的方法。主要的检测设备有以下几种：

3.1 使用示波器进行检测

在电池负端和电路板负端之间串联一个小阻值的采样电阻，然后使用示波器测量电阻两端的电压，再通过欧姆定律转换成电流值。

由于示波器的采集频率很高，因此可以检测出热量表功耗动态变化过程的全部细节。但是示波器的存储深度相对较小，而热量表的采集周期可能达到数十秒，所以采用这种方法虽然能够看到动态变化细节，但是无法在较长的时间跨度上进行宏观观察。另外，为了不影响电路的正常工作，采样电阻一般阻值很小，而电路中的电流值一般也在mA或uA级，导致示波器采集的电压信号非常微弱，易受噪声干扰，检测效果大打折扣。

3.2 使用直流电源分析仪进行检测

直流电源分析仪是电源测试的专业设备，具备测量精度高，采样频率高，数据存储量大的优点。以是德科技的N6705C为例，配合SMU模块，安培计精度高达0.025%+8nA，配套电脑软件支持示波器功能，采样频率200kHz，存储深度512kpts，数据记录仪测量间隔从20µs至60s可调，每个数据記录最多存储5亿个读数。[2]然而，直流电源分析仪昂贵的成本开支是不可忽略的，在设备的选择上需要综合考虑。

3.3 使用电流钳进行检测

电流钳可接示波器或电脑，信号采集结果表达形式灵活，可满足读数和采样周期频率的要求。而且采用这种方式，电流钳是套接在电路上的，不需要串联到电路中，对被测电路的影响相对较小。但是电流钳更适合测量大电流，测量微小电流的精度较低。

3.4 使用数字万用表进行检测

目前使用较多的是6½位数字万用表，以是德的34465A为例，其电流测量在10mA档精度指标可达±（0.007%读数+0.020%量程），最大读数速率5000读数/s，存储器50000读数/s。可以看出，数字多用表的测量精度很高，但是它更适合测量恒定电流，而对于动态变化的电流适应性不佳。因此，这种方式更适合制造企业，可以通过热量表内部程序控制，使热量表始终处于某种工作状态下，再使用数字万用表精确测量瞬时功耗。

4 结论及建议

近来，越来越多的热量表生产企业将重点研究方向转为低功耗热量表的研制，经过对多家热量表生产企业的考核、调研，发现几乎每个企业都非常注重自己品牌热量表的功耗性能，然而，对于热量表各个部件及环节的功耗标准及检测方法目前并没有相关的国家标准或地方标准对其进行客观、明确的规定。接下来要对热量表的功耗测量方法做深入探讨和研究，寻求一种能客观、精确、全面的反映热量表功耗情况的检测方法，并通过试验探究热量表各项计量功能的功耗最佳数值范围。

参考文献

[1]热量表，GB/T 32224-2015

[2]N6700 系列模块化电源系统，https：//www.keysight.com/

[3]数字万用表 34460A、34461A、34465A（6½ 位）、34470A（7½ 位），https：//www.keysight.com/