【文章內(nèi)容簡介】 熱量，研發(fā)出一種精度、 可靠性都很高的熱量計 。它的流量傳感器通過葉輪轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，計算器通過記錄脈沖數(shù)實現(xiàn)對流過的熱水水溫測量，通過配對的溫度傳感器對進水、回水的進行溫度檢測之后傳送給計算器。計算器根據(jù)系統(tǒng)入口和出口處的溫度計算出熱量差、水的流量及水流經(jīng)的時間，這樣就可以計算出來采暖系統(tǒng)實際消耗的熱量?？傮w來說本課題主要包括以下幾個方面的設(shè)計： (1) 選擇測量元件：測量元件的選擇主要就是測溫傳感器與流量傳感器的選擇。 (2) 規(guī)劃邏輯電路：主要是設(shè)計各元件之間的電路，如溫度傳感器電路、測量電路、 IC 卡的端口和讀寫電路，其中還包括 /AD轉(zhuǎn)換器、存儲數(shù)據(jù)、結(jié)果的可視化、鍵盤操作等方面的設(shè)計。 (3) 主要軟件系統(tǒng)的設(shè)計：即設(shè)計系統(tǒng)所需要的計算流程、流量計算和測量流程、可視化流程、 IC 的讀入和輸出流程等軟件方面，使軟件能夠更好的實現(xiàn)所需要的功能。 (4) 設(shè)計的更節(jié)能環(huán)保。 主要解決的問題 熱量表中包含有很多的高新技術(shù)。我們在借鑒歐洲產(chǎn)品成熟的思想的同時，為了避免走國內(nèi)熱量表研制過程中所走的彎路，也為了使開發(fā)的產(chǎn)品能夠符合我國國情，本課題在研發(fā)過程中主要解決以下問 題： (1) 低功耗設(shè)計：目前，熱量表有兩種供電方式： AC 電源和干電池提供電源。如果流量計使用 AC 電源提供電能，當(dāng)有電的時候，流量計還是比較準(zhǔn)確的計算流量，但是一旦出現(xiàn)停電事故，那么流量計就一點作用都沒有了，所以本系統(tǒng)選用的供電電源是干電池。同時，干電池的使用壽命是同流量計系統(tǒng)的工作電流緊密相連：當(dāng)系統(tǒng)的工作電流為 l 安培數(shù)量級時，電池就已經(jīng)不能保證系統(tǒng)的正常工作；假如我們的流量計的工作電流設(shè)計成百毫安級別，那么普通的干電池的使用壽命就能提高幾個小時，假如我們把系統(tǒng)的電流降低為微安的級別，那么普通干電池 的使用壽命又將提升很長時間，系統(tǒng)就可以更為長久的保持在工作狀態(tài)，由此可見降低功耗是多么的重要。 (2) 測溫電路的精確度問題：一些會影響測溫精度的方面，比如鉑電阻選擇、 A/D轉(zhuǎn)換時的零點校準(zhǔn)、兩線制還是三線制的選擇等，這些都是在本課題中需要解決的問題。 (3) 葉輪式流量計測量：熱流量和系統(tǒng)脈沖數(shù)量的關(guān)系、葉輪的轉(zhuǎn)速和熱流量之間的關(guān)系、熱流量的補償辦法等方面。 (4) IC 卡預(yù)付費系統(tǒng)設(shè)計：我國熱供應(yīng)系統(tǒng)一直都有“收費難”問題，而采用卡式預(yù)付費系統(tǒng)不但可以很好地緩解這一難題，而且抄表 員也不需要去每家每戶的對流量表進行抄表，避免了多麻煩，從而給用戶和供熱公司都提供了很大的便利。 IC卡的預(yù)付費系統(tǒng)的設(shè)計主要包括以下幾方面： IC 的邏輯電路設(shè)計、軟件的流程設(shè)計、電磁閥自動控制電路的設(shè)計等這幾方面。 第二章 熱量表的基本原理及設(shè)計方案 供熱公司或者小區(qū)的物業(yè)管理部門根據(jù)國家相關(guān)部門的規(guī)定，在為用戶進行供熱的時候采用的是“并聯(lián)”的方法。因為每家住戶的供熱管道都是一個獨立的循環(huán)通路，高溫?zé)崴畯倪M水管進入用戶，散熱后再從回流管道流回，所以用戶的管口處安裝熱量表來計算用戶的實際用熱量。本章 首先介紹了熱量計的基本工作原理和相關(guān)的建模模型，再對熱量計的基本構(gòu)造進行了專業(yè)介紹， 最后給出了具體的設(shè)計步驟和必須符合的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 熱量表的基本原理 熱量表的主要功能是計算用熱量，它主要包括兩個溫度傳感器、計算熱量的儀器和感應(yīng)流量的傳感器。當(dāng) 有熱水通過時，其安裝好的熱量表指針會有一定的偏轉(zhuǎn)，從而 測得的溫度，再加上流經(jīng)的時間，按照預(yù)先設(shè)定的熱量計算公式對用戶的實際用熱量進行計算，并將計算的結(jié)果進行顯示。本設(shè)計中的流量傳感器在安裝位置的選取上，是選擇了進水口和出水口這兩個位置，并且溫度傳感器的安裝位置的 差異對最終結(jié)果會略有影響。在我國，為了防止竊能現(xiàn)象，一般在供水管道上安裝流量傳感器。 其作用過程 如圖 所示 : 圖 熱量表的工作原理圖 關(guān)于 熱量表 的 數(shù)學(xué)模型介紹 當(dāng)熱水通過交換系統(tǒng)時，當(dāng)中的熱量表 會按照流量（流量傳感器測得）和溫度（溫度傳感器測得）以及時間這幾個參數(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計算公式計算出用戶的實際用熱量并給予顯示 [15]。 熱交換的計算公式 [17]如下： 10t mtQ q h dt? ? ?? () 也可以表示為 21vvQ k d q?? ? ?? () 式中： Q吸收或釋放的熱量 （單位： kJ 或 kWh? ）； mq 質(zhì)量流量 （單位： /kgh ）； h? 熱量表的進水管道和出水管道測得的溫度焓兩者之差（單位： /kJkg ）； K 熱交換系數(shù) （單位： 3/kW h m? ）； t 為時間 （單位： h ）； ?? 進水管道端口和出水管道端口測得的溫差（單位： C? ）； q總流量 （單位： 3m ）； 現(xiàn)在，熱量表主要有以下幾種計算熱量的方法： (1) 直接根據(jù)焓差法計算 ( ) ( )m f r v pf f f pr r rQ q h h q c c? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 上式中： prc ， pfc 代表出、入口的比熱容（定壓）； mq ， vq 代表瞬間的質(zhì)量、體積流量； r? ， f? 代表出、入口的承載熱量的水的密度（與溫度相關(guān)）； r? ， f? 代表出、入口的溫度； 從以上公式中可以看出：雖然這個計算熱量的公式很簡單，但是由 于在處理測得的溫度值使，采用了線性差值的近似計算方法，通過選取離得最近的點當(dāng)做是計算所用的焓值，進而計算出某一瞬間的熱量值，在這些近似處理中，存在人為造成的誤差。 (2) 根據(jù)常系數(shù)焓差法計算熱量 ( ) ( )p m f r p v f rQ c q c q? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? () 式中： 0pck? ，可以看做常數(shù)， pc 表示定壓比熱容。 這種方法計算簡便，尤其是當(dāng) pc 為常數(shù)時，可以 消除了許多不利的影響因素，這樣就可以既簡單又可以很準(zhǔn)確的計算熱量。 但是 考慮到液體的 密度 ? 是受溫度影響的， 所以在使用密度 ? 之前，首先要對密度 ? 進行修正。但是由于不能同時的補償 pc ，所以這種方法隨溫度的變化是存在很大的誤差的。 (3) 分段式 k 系數(shù) 法 Q k dq?? ?? ?? () 式中： k 熱交為換系數(shù)，當(dāng)壓力為定值時隨溫度而變化。 特別注意的一點是，處理熱焓時的修正系數(shù) k 和進口、出口的溫度是相關(guān)的，隨著溫度的變化時變化的：當(dāng)進水口或者出水口的溫度不相同時，即便進出口的溫度差相同，流經(jīng)住戶相同的水量給用戶提供的總熱量也是不相同的。通過對比比較試驗測得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)熱焓值和進出口水的溫度之間存在以下關(guān)系： [18] 10Co t50Co , 1k = 50Co t60Co , 2k = 60Co t90Co , 3k = 該方法將熱交換系數(shù)量化為三個分段上的常數(shù)值，但是在確定這三個常數(shù)值的時候只能根據(jù)經(jīng)驗水平，對溫度的劃分也是大致性的，這樣就存在很大的誤差，不能很好的符合溫度的要求。所以，這種分段型的 k 系數(shù)方法只能適合精度要求低、溫度變化小的條件。 現(xiàn)在我們了解到的一些由歐洲國家生產(chǎn)的比較先進的熱量表儀器中，為了保證儀器的精度要求，大都對 k 系數(shù)進行相關(guān)的修正后再使用。測流量的流量計和測溫度的溫度傳感器要嚴格按照規(guī)定 進行安裝：熱量測量表是裝在回水的管道上的，但是這一安裝規(guī)定不能有效地預(yù)防用戶對熱量的偷盜行為，所以是不合適的。 熱量表的焓值計算 下圖 對熱量表的硬件組成原理進行了簡單地介紹，安裝在進水管道上的溫度傳感器對進水口的水進行溫度測量，得到其瞬時溫度 (sT ， bT )，微型控制器利用已測的瞬時溫度值，根據(jù)早已設(shè)計好的插值程序?qū)ζ溥M行插值計算，得出 ( sh ， bh ) 和比容 (sv ， bv )；再利用安裝在進水或回水管道中的流量傳感器 ,測量得出水的瞬時流量值 流 量 傳 感 器 供 水 溫 度 傳 感 器整 形 電 路單 片 機選 通 放大 電 路散熱器回 水 溫 度 傳 感 器L C D 顯 示 圖 熱量表簡單硬件原理圖 q( 3/ms)，利用這些數(shù)據(jù)就可以建立起水的瞬時消耗的熱量的數(shù)學(xué)模型 ? ?/e KJ s ，以測流量的流量計裝在供水管道上的情形為例計算瞬時耗熱量公式： ( ) /s b se q h h v?? () 所以在 0~t 時間段內(nèi)用戶一共消耗的總的熱量 ? ?EkJ 的數(shù)學(xué)計算公式如下： 00 [ ( ) / ]tt s b sE e d t q h h v d t? ? ??? () 因為在流量表工作過程中的溫度變量的變化時非常緩慢的。所以，可以在很小的時間段 1~iitt? 內(nèi)，取其任意一個值來代替這段時間段的平均值，通過這個處理，在 0~t時間段內(nèi)用戶總耗熱量 ? ?EkJ 可以用下面公式計算 : 1( ) /n i s i b i s iiE Q h h v???? () 其中 , iQ 為在 1~iitt? 時間內(nèi)流過流量記的體積 ( 3m )； n 為 0~t 時間內(nèi)Δ t的個數(shù)； sih ， bih ， siv 代表第 i 段微小時間內(nèi)的入口、出口處水的熱焓值和比熱容。 由公式 ()可以看出關(guān)鍵是要得到不同溫度條件下的水的熱焓值和比熱容，由水的基本特性可知，水的熱焓值和比熱容受壓力的影響是很小的，基本上可以忽略。所 以就不考慮壓力的影響，統(tǒng)一取水壓為 aMP 條件下的水的熱焓值和比熱容為標(biāo)準(zhǔn)值。計算水的熱焓值和比熱容時的插值區(qū)間為 10Co 。表格 21表示的就是通過計算得出的溫度、熱焓值、水密度這三者之間的 關(guān)系。為了方便觀察，表中用的是比熱容的倒數(shù)。本課題在進行熱流量進行計算的時候，使用的計算方法是熱焓值法，這就有效地避免了歐洲常用的 K 系數(shù)計算法時出現(xiàn)的流量表必須要安裝在回水管道上的劣勢，使得計算的熱量值更準(zhǔn)確、更符合實際 [19]。 表 21 溫度、熱焓值、密度三者之間的關(guān)系 溫度 T (Co ） 熱焓值 H ( /kJkg ) 密度 ? ( 3/kgm ) 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 根據(jù)表 21，我們可以得出以下結(jié)論：水的熱焓值和密度并不是隨著水的溫度變化而呈現(xiàn)出線性的變化，由于在計算過程中對熱焓值和水密度計算的時候是按照溫度的插值計算方法，插值區(qū)間為 10 Co ，但是為了保證計算得到的結(jié)果更準(zhǔn)確，當(dāng)然在溫度40 70CC??～ 這一溫度區(qū)間內(nèi)可以將插值區(qū)間定為 5C? . 熱量表的 系統(tǒng)設(shè)計 IC 卡式熱量表的組成部分 IC 卡式熱量表主要是由以下幾部分組成的：溫度傳感器、電磁控制閥、脈沖形式的熱水測量表、微控制器熱量計算儀和 IC 卡等部分組成，原理如圖 ()所示： 電 磁 閥P I C 控 制 器 I C 卡售 熱 管 理 系 統(tǒng)溫 度 傳 感 器 溫 度 傳 感 器 流 量 傳 感 器電 磁 閥 開 關(guān)熱 水 入 口出 口 熱 水 圖 IC卡熱量表的結(jié)構(gòu)簡圖 流量計用來測量和檢測流量數(shù)據(jù)信號、溫度傳感器用來檢測和測量溫度信號；該新型的熱量表的核心部分是微控制器，它一方面流量計采集處理溫度傳感器提供的信號，對用戶從供熱系統(tǒng)中使用的熱量值，另一方面在內(nèi)部還設(shè)置了相關(guān)的電路 來控制其運轉(zhuǎn)，能夠在顯示相關(guān)測量數(shù)據(jù)的同時對系統(tǒng)起到一個檢查的作用，一旦出現(xiàn)故障，將會發(fā)出警報。 電磁控制閥主要具有控制水流量的功能，能夠防止用戶違章用熱或者是過度用熱情況的發(fā)生；用戶與售熱管理系統(tǒng)通過 IC 卡進行信息交換；熱量銷售管理系統(tǒng)主要具有管理用戶個人信息的功能，例如：提供 IV 卡、查詢用戶的個人信息、查詢熱量費用價格信息等。 IC 卡熱量表 的作用 IC 卡 的主要作用有以下幾個方面： (1) 讀取 功能 :在使用 IC 卡后能夠 清楚的讀取 “總用熱量”、“剩余熱量”、“開