【正文】 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(jì)算過程中對熱焓值和水密度計(jì)算的時(shí)候是按照溫度的插值計(jì)算方法，插值區(qū)間為 10 Co ，但是為了保證計(jì)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(jì) 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(jì)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(jì)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(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，能夠在顯示相關(guān)測量數(shù)據(jù)的同時(shí)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(bào)。為了方便觀察，表中用的是比熱容的倒數(shù)。計(jì)算水的熱焓值和比熱容時(shí)的插值區(qū)間為 10Co 。 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。 熱量表的焓值計(jì)算 下圖 對熱量表的硬件組成原理進(jìn)行了簡單地介紹，安裝在進(jìn)水管道上的溫度傳感器對進(jìn)水口的水進(jìn)行溫度測量，得到其瞬時(shí)溫度 (sT ， bT )，微型控制器利用已測的瞬時(shí)溫度值，根據(jù)早已設(shè)計(jì)好的插值程序?qū)ζ溥M(jìn)行插值計(jì)算，得出 ( sh ， bh ) 和比容 (sv ， bv )；再利用安裝在進(jìn)水或回水管道中的流量傳感器 ,測量得出水的瞬時(shí)流量值 流 量 傳 感 器 供 水 溫 度 傳 感 器整 形 電 路單 片 機(jī)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(shí)消耗的熱量的數(shù)學(xué)模型 ? ?/e KJ s ，以測流量的流量計(jì)裝在供水管道上的情形為例計(jì)算瞬時(shí)耗熱量公式： ( ) /s b se q h h v?? () 所以在 0~t 時(shí)間段內(nèi)用戶一共消耗的總的熱量 ? ?EkJ 的數(shù)學(xué)計(jì)算公式如下： 00 [ ( ) / ]tt s b sE e d t q h h v d t? ? ??? () 因?yàn)樵诹髁勘砉ぷ鬟^程中的溫度變量的變化時(shí)非常緩慢的。 現(xiàn)在我們了解到的一些由歐洲國家生產(chǎn)的比較先進(jìn)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(jìn)行相關(guān)的修正后再使用。通過對比比較試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)熱焓值和進(jìn)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(shí)候只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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。 (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(shí)隨溫度而變化。 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(jìn)行修正。 (2) 根據(jù)常系數(shù)焓差法計(jì)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。 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(shí)，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(shí)間這幾個參數(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計(jì)算公式計(jì)算出用戶的實(shí)際用熱量并給予顯示 [15]。本設(shè)計(jì)中的流量傳感器在安裝位置的選取上，是選擇了進(jìn)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。 熱量表的基本原理 熱量表的主要功能是計(jì)算用熱量，它主要包括兩個溫度傳感器、計(jì)算熱量的儀器和感應(yīng)流量的傳感器。因?yàn)槊考易舻墓峁艿蓝际且粋€獨(dú)立的循環(huán)通路，高溫?zé)崴畯倪M(jìn)水管進(jìn)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(jì)算用戶的實(shí)際用熱量。 IC卡的預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面： IC 的邏輯電路設(shè)計(jì)、軟件的流程設(shè)計(jì)、電磁閥自動控制電路的設(shè)計(jì)等這幾方面。 (3) 葉輪式流量計(jì)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(bǔ)償辦法等方面。同時(shí)，干電池的使用壽命是同流量計(jì)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(shí)，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(jì)的工作電流設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)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。我們在借鑒歐洲產(chǎn)品成熟的思想的同時(shí)，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(jì)：目前，熱量表有兩種供電方式： AC 電源和干電池提供電源。 (4) 設(shè)計(jì)的更節(jié)能環(huán)保。 (2) 規(guī)劃邏輯電路：主要是設(shè)計(jì)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(jì)。計(jì)算器根據(jù)系統(tǒng)入口和出口處的溫度計(jì)算出熱量差、水的流量及水流經(jīng)的時(shí)間，這樣就可以計(jì)算出來采暖系統(tǒng)實(shí)際消耗的熱量。 課題研究的內(nèi)容 本課題的主要目標(biāo)是，為了更準(zhǔn)確的計(jì)算用戶的實(shí)際用熱量，研發(fā)出一種精度、 可靠性都很高的熱量計(jì) 。 課題研究的內(nèi)容和主要解決的問題 IC卡式熱量表是一種組合形式儀器，主要包括流量計(jì)算的傳感器、相關(guān)的溫度傳感器、熱量計(jì)算器這幾部分。 焓值的定義 通常所說的“ 焓值 ”主要是指 空氣中 所具有的 總熱量， 在控制測量時(shí)，一般選取一定量的干空氣為對象 ， 來檢測其內(nèi)含有的能量，通常稱為“ 比焓 ” ， 不同的領(lǐng)域有著不同的含義，比如說 工程中 的“焓值”主要是指“水焓”，主要是通過單位質(zhì)量的干空氣與水蒸氣所具有的總能量。它的價(jià)錢相對便宜，適用于有一定保密要求的場合，如電話卡、公共事業(yè)收費(fèi)卡； CPU 卡是這三類卡中最高級的 卡，有良好的處理能力和高度 加密功能，憑借其高加密性和良好的處理能力，其在市場上的價(jià)格相比其它兩類卡是比較昂貴的，所以說其使用范圍有限 。 IC卡經(jīng)常使用的微控制器芯片種類及特性，見表 12： 表 12 微控制器芯片種類及特性 類型 功能 舉例 具有加密功能 的控制器 （ MPU+CAU） 管理功能；加密、解密等運(yùn)算功能。 EEPROM 電可擦除、寫入存儲器。需要準(zhǔn)備其它的存 儲設(shè)備，以備不時(shí)之需。由于其操作簡單，價(jià)格便宜等特點(diǎn)， 在市場上很受歡迎。 像存儲器 IC 卡等常常是使用自身的 存儲芯片作為 IC 卡芯，像一些具有 智能 功能的 IC卡 常常會選擇一些微型的存儲 芯片作為卡芯。 IC 卡的端口電路以及讀寫模式和 EEPROM 芯片的讀寫模式是基本相同的。 IC 卡（ Integrated Circuit Card） 集成電路卡簡稱 IC 卡，外形是一個塑料卡片，上面鑲嵌著一個集成電路芯片，根據(jù)國際的標(biāo)注制作它的外觀和尺寸大小。 相關(guān)概念 熱量表 (Heat meter) 顧名思義，熱量表就是對熱量進(jìn)行計(jì)算的儀表。另外就是要注意各個板塊的運(yùn)行和休眠是在什么時(shí)候，需要對 I/O 接口進(jìn)行怎么的裝換，選擇什么樣的運(yùn)行模版等，一旦出錯，系統(tǒng)將停止工作。 PIC 單片機(jī) 在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不像其它的設(shè)備常處于開機(jī)狀態(tài)，而是處于休眠狀態(tài)，這樣在一定程度上節(jié)省了電量。 (3) 效率高 ： PIC 單片機(jī) 的構(gòu)造不像其它設(shè)備，它是將數(shù)據(jù)傳輸線路和指令傳輸線路分不同的渠道來傳輸，這樣可以節(jié)省內(nèi)存，傳輸通道不會因?yàn)槠渌畔⒌膫鬏敹艿阶璧K、出錯，其指令的傳輸也是單向的，不僅節(jié)省了時(shí)間，而且具有很高的準(zhǔn)確度。 就目前而言， PIC 具有以下特點(diǎn)： (1) 產(chǎn)品上市無需等待：采用低成本 OTP 型 PIC 芯片 ，產(chǎn)品的上市和應(yīng)用程序開發(fā)的完成時(shí)同步的。 PIC 設(shè)備 簡介 PIC 類型的單片機(jī)的研究和生產(chǎn)者是代表世界單片機(jī)先進(jìn) 水平的制作商和半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)商 M icroc hi p T echnol ogy Inc（美國的微型芯片科學(xué)技術(shù)公司）， 是一種用來開發(fā)的去控制外圍設(shè)備的集成電路（ IC） 。在以后的發(fā)展中，單片機(jī)這一新技術(shù)以其體積小、重量輕、功能強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使它漸漸的使用在了工程控制、電子智能儀器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能家電、人工智能、電子通信等領(lǐng)域，在嵌入式微型控制領(lǐng)域內(nèi)占有主導(dǎo)地位，電腦經(jīng)歷了 28 6 , 38 6 , , Pe nti um PI I的系統(tǒng)一系列的變革，但是單片機(jī)卻一直保持著廣泛的應(yīng)用。 PIC單片機(jī)介紹 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器、隨機(jī)存取存儲器 、只讀存儲器、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成一個雖然小但卻很完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 仿照國外的先進(jìn) 管理體制之后，中國較低的生產(chǎn)成本消耗和廣闊的應(yīng)用市場勢必會產(chǎn)生良好的投資回報(bào)。 1992年，我國的對統(tǒng)計(jì)進(jìn)行監(jiān)督管理的相關(guān)機(jī)構(gòu)我國的計(jì)量工作的相關(guān)部門的秘書翻譯處一起對 OIMLR75國際通用的建議 《熱能表》這一國際化的規(guī)定進(jìn)行了編譯并且出版發(fā)行。 1989 年后隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國也開始仿照國外的管理模式，逐漸引用 通過 計(jì)量 表來 收 取供暖電 費(fèi)，同時(shí)讓有關(guān)單位開始研究歐洲贈送給我國的熱表。 上個世紀(jì)九十年代，我國開始研發(fā)相關(guān)的熱量表。歐洲熱量表雖然節(jié)能效果 不容置疑，但在推廣的過程中卻有依然有很大的阻力。 （ 2）歐洲的熱量表安裝在回水管道上，此時(shí)流量計(jì)只能測回水的流量，熱量計(jì)量結(jié)果會因?yàn)槿藶橐蛩囟鴾p少。在 0℃ 時(shí)，100Pt 的電阻是 100? ，但是測量探頭的引線也是有電阻的，這就肯定會影響測量結(jié)果，所會會嚴(yán)格要求引線電纜的長度有，而且配對完畢后就不能隨意更改 [14]?，F(xiàn)在中國市場上出現(xiàn)的大量由歐洲生產(chǎn)的熱量表儀器上面都進(jìn)行了標(biāo) 注，“符合 75OIML R? 標(biāo)準(zhǔn)”（ 1997 年 4 月，歐共體正式通過）和“符合 EN1434 標(biāo)準(zhǔn)”（ 1998 年，國際法制計(jì)量組織頒布）這不僅是給用戶一個選擇、為了判斷的基本依據(jù)，同時(shí)也顯示了歐洲熱量表的標(biāo)準(zhǔn)化的程度。 由于供暖成了一種商品形式，所以首先要作到“分戶控制、分戶計(jì)量” [8]。上世紀(jì)六十年代的能源危機(jī)，對一些歐美國家影響很大。 本文以用戶住房內(nèi)使用的熱量為 測量單位設(shè)計(jì)出了一種新型的 IC 卡式戶用熱量表，該熱量表把熱量表和 IC 卡設(shè)計(jì)在一起，卡和表相對應(yīng)，只有用 IC 卡對熱量表進(jìn)行繳費(fèi)才能使用，極大地提升了用戶的節(jié)能理念，還可以根據(jù)使用熱量進(jìn)行計(jì)費(fèi)，即合理有科學(xué)，使供熱和用熱雙方進(jìn)行公平的交易。對用戶使用的熱量計(jì)量裝置和溫度控制儀器進(jìn)行改進(jìn)和研發(fā)，盡量適于城鎮(zhèn)住戶的經(jīng)濟(jì)要求，進(jìn)一步在全國范圍內(nèi)普及。雖然政策已經(jīng)制定，但是落實(shí)起來卻有一定的難度，所以我國城市集中供熱仍按建筑面積結(jié)算收費(fèi)，這樣不僅造成了能源浪費(fèi)，而且在收費(fèi)上也存在不公平的現(xiàn)象?，F(xiàn)在實(shí)行和改進(jìn)的住房改造政策更使住戶有自由選擇采暖方式的權(quán)利，這對傳統(tǒng)的供暖計(jì)費(fèi)方式無疑是個挑戰(zhàn)，可見住宅供熱收費(fèi)制度的 改革勢在必行 [2～ 4]。 現(xiàn)在用戶的供暖系統(tǒng)仍按照傳統(tǒng)的用戶 住房面積來計(jì)算供暖費(fèi)用，這和用戶實(shí)際使用的熱量是沒有必要聯(lián)系的，所以這種計(jì)費(fèi)方式不僅不能有效的使用戶意識到節(jié)能的必要性，而且降低了供暖公司的效益，成為限制大中型城市集中供暖的發(fā)展瓶頸