摘要：針對熱能費收繳困難和按使用面積收費的不合理方式，提出了一種新型的智能表以及與之配套的遠程自動抄表系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由熱能表、數(shù)據(jù)傳輸電路、PC機3部分組成；熱能表通過實時測量Pt1000電橋兩端的電壓差計算出溫度值，對霍爾流量計進行計數(shù)得到用戶在一段時間內(nèi)的流量值，zui后應(yīng)用流量和熱量值得到用戶在一段時間內(nèi)所消耗的熱值；測量數(shù)據(jù)通過CAN總線可以傳給上位機，由上位機的管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、費用結(jié)算、報表打印等多項任務(wù)。經(jīng)測試證明，此方案能較好地實現(xiàn)小區(qū)熱費智能計量。
　　
　　暖氣計量系統(tǒng)是通過兩種傳感器測得的熱載體流量和進出口溫度，再經(jīng)過密度和熱焓值的補償及積分計算，得到熱量值。它是一種以微分處理器和高精庫傳感器為基礎(chǔ)的機電一體化系統(tǒng)。與以前普遍使用的用戶計量表相比，有更復雜的設(shè)計和更高的技術(shù)含量。研究內(nèi)容主要包括：智能暖氣表、基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、基于VisualBasic和數(shù)據(jù)庫VisualFoxPro的暖氣流量計費管理系統(tǒng)。
　　
　　課題的zui終目標是建立一套符合現(xiàn)代化智能小區(qū)要求的*的采暖計量收費系統(tǒng)。文中僅對系統(tǒng)的溫度和流量采集系統(tǒng)計進行介紹。
　　
　　1、系統(tǒng)硬件電路的基本組成
　　
　　1．1結(jié)構(gòu)框圖
　　
　　安裝于用戶家中，不論用戶家中裝有幾組暖氣，原則上每戶只安裝一塊暖氣表。暖氣表包括流量傳感器、溫度傳感器、單片機系統(tǒng)等部分。系統(tǒng)選用的流量傳感器是霍爾元件A3144EUA；溫度傳感器選用的是Pt1000；單片機選用的是89C52。流量傳感器L，用以檢測水的流量，兩個溫度傳感器Tr1和Tr2分別測量供熱系統(tǒng)的進水溫度和回水溫度。3個信號在單片機中進行處理和運算后得到用戶的用熱量Q。暖氣表的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　
　　1．2測熱系統(tǒng)數(shù)學模型的建立
　　
　　系統(tǒng)應(yīng)用傳熱學的基本理論可以得出的暖氣散熱公式　　
　　式中，Q為釋放或吸收的熱量值，單位kJ；q為瞬時質(zhì)量流量，單位kg／s；△h為進出口焓差，單位kJ／kg；t為時間，單位s。
　　
　　對于交換熱量的計量，目前一般采用以下3種方法。
　　
　　（1）直接焓差法。
　　
　　Q=qm（hf-hr）=qv（Cpfρfθf-Cprρrθr）（2）
　　
　　式中，Cpf，Cpr為人口與出口的定壓比熱容；qv，qm為瞬時體積流量，瞬時質(zhì)量流量；ρf，ρr為入口與出口溫度下的載熱流體密度；θf，θr為入口與出口的溫度。
　　
　　決定熱量的因素是瞬時體積流量和溫度，如果能準確地測量流量和溫度，就意味著熱量能夠測試準確。只要測得瞬時體積流量qv，并根據(jù)實測溫度θf與θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4個常數(shù)，帶入式（2）即可計算出熱量Q。該方法的缺點是溫度測量精度越高，數(shù)據(jù)表所占的存儲空間越大，并且對于實測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術(shù)，通過搜索與其距離zui近的點計算相應(yīng)的極值，得出瞬時熱量。
　　
　　（2）常系數(shù)焓差法。
　　
　　Q=Cpqm（θf-θr）=Cpρqv（θf-θr）（3）
　　
　　式中，Cp為定壓比熱容，為常數(shù)，使得程序計算量減少，計算速度大大加快。該方法對于定壓不變頻的系統(tǒng)是合適的。但由于流體的密度ρ需要進行溫度修正，同時由于不能對Cp進行在線溫度補償，該方法的溫度適應(yīng)性較差，不宜于作為戶用型暖氣表的熱量計算方法。
　　
　　（3）K系數(shù)法。
　　
　　Q=k·△θ·dv（4）
　　
　　式中，Q為換熱器與周圍環(huán)境的換熱量；dv為流經(jīng)換熱器流體的體積流量；△θ為流體在換熱器進、出口處的溫度差；K為熱系數(shù)，是流體在相應(yīng)溫度、溫差和壓力下的函數(shù)。
　　
　　由于熱交換系數(shù)K當壓力一定時，它隨溫度而變化，所以K系數(shù)法又可分為分段式K系數(shù)法和K系數(shù)補償法。
　　
　　分段式K系數(shù)法是將熱交換系數(shù)按回水溫度進行3段分類：　　
　　該方法將熱交換系數(shù)量化為3個分段常數(shù)，在一定程度上對其進行了溫度修正，式中3個關(guān)鍵常數(shù)憑經(jīng)驗確定，如果溫度區(qū)間劃分較粗，溫度適應(yīng)性依然較差。因此，分段式K系數(shù)法僅適用于對熱量計量的精度要求不高，且溫度變化較小的情況。K系數(shù)補償法實現(xiàn)了熱系數(shù)的在線溫度和壓力補償，大幅提高了熱量計量的精度。OIML-R75規(guī)程和EN1434歐洲標準都對熱系數(shù)K的計算有明確的說明。
　　
　　系統(tǒng)的熱量測量需要達到一定精度，所以在計算上采用直接焓差法。
　　
　　2、溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計
　　
　　溫度采集系統(tǒng)電路由橋路、電子開關(guān)、前置放大、A／D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。為克服增益、零位等誤差，由電子開關(guān)引入了零電平和參考電壓。溫度采集系統(tǒng)如圖2所示。　　
　　前置放大器選用AD620，水溫在30～100℃范圍時，橋路輸出電壓在0．136～0．398V范圍內(nèi)，設(shè)置AD620增益為5，則輸出電壓范圍在0．68～1．99V之間，這樣便可以滿足AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器在5V的電源下，滿量程2．5V時的輸入范圍。AD620的增益電阻計算如下　　
　　AD7705是用于低頻測量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準電路和補償電路，因而能更好地保證高精度的實現(xiàn)溫度測量。
　　
　　AD7705使用5V單電源，它有兩個模擬差分輸入通道，參考電壓為2．5V。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號以進行A／D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號。它采用∑-△技術(shù)實現(xiàn)16位A／D轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN端的主時鐘和放大器的可變增益決定。實際上，AD7705同時可以對輸入信號進行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。
　　
　　AD7705片內(nèi)的增益可編程放大器PGA可選擇1、2、4、8、16、32、64、128共8種之一，能將不同擺幅的范圍信號放大到接近A／D轉(zhuǎn)換器的滿標度電壓在進行A／D轉(zhuǎn)換，有利于提高轉(zhuǎn)換字量。在系統(tǒng)中所選的增益為1。
　　
　　在溫度采集方面，系統(tǒng)采用增益誤差的自動校正方法，其基本思想是開始工作后或每隔一定時間去測量一次基本參數(shù)，然后建立誤差校正模型，確定并存儲校正模型參數(shù)。在正式測量時，根據(jù)測量結(jié)果和校正模型求取校正值，從而消除誤差。整個校正過程自動完成。
　　
　　當AD7705工作電壓為5V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)置為1時，A／D的精度為16位，zui小分辨電壓為38．15μV，而Pt1000在30～100℃范圍內(nèi)每變化1℃時，橋路的輸出電壓變化小于4．25mV，遠大于AD7705的zui小分辨電壓。系統(tǒng)的分辨率理論上可達0．001℃。但是在實際測量中由于外界和硬件等原因使分辨率降低到0．1℃。具體溫度的數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。　　
　　3、流量采集系統(tǒng)電路設(shè)計
　　
　　3．1流量采集的理論基礎(chǔ)
　　
　　系統(tǒng)采用渦輪流量計，它是速度式流量計的主要種類之一，其采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體平均流速從而推導出流量或總量。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動可由機械、磁感應(yīng)、光學或電子方式檢出并由讀出裝置進行顯示或記錄。系統(tǒng)采用的是磁感應(yīng)方式檢驗并記錄數(shù)據(jù)的霍爾元件。
　　
　　渦輪流量計的工作原理：當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪隨轉(zhuǎn)動周期改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢，送到單片機進行計數(shù)。渦輪流量計的實用流量方程為
　　
　　qV=f／K（8）
　　
　　qm=qvρ（9）
　　
　　式中，qv，qm為分別為體積流量m3／s和質(zhì)量流量kg／s；f為流量計輸出信號的頻率；K為流量計的儀表系數(shù)。
　　
　　3．2流量傳感器的具體電路設(shè)計
　　
　　系統(tǒng)中霍爾開關(guān)工作在低頻、低磁場中，所測磁場較小，霍爾輸出也較小，所以應(yīng)選擇敏感、噪聲系數(shù)低、由礙化銦材料制成的元件。所選霍爾元件為A3144EUA。該型號霍爾開關(guān)的特點是溫度穩(wěn)定性好，電源電壓為4．5～24V，系統(tǒng)采用的VCC為5V，輸出飽和電壓為0～400mV。具體的設(shè)計電路如圖4所示。　　
　　為減少熱損失，流量測量儀應(yīng)該安裝在供暖裝置的出水管上。
　　
　　很明顯，水的流速V與霍爾開關(guān)每秒輸出的脈沖數(shù)n成正比
　　
　　V=Cn（10）
　　
　　式中，C為比例系數(shù)。流速乘以時間再乘以管道的橫截面積及可以得到一定時間內(nèi)的流量大小。
　　
　　標定C較為簡單的方法是：將標準流速儀和被測流速儀放置于流場的同一點，標準流速儀的讀數(shù)為V’，被標定的流速儀的讀數(shù)為Cn’，則
　　
　　V’=Cn’（11）
　　
　　式中，n’即計數(shù)器測得的霍爾開關(guān)1s內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。
　　
　　在忽略流體與葉片間相對滑動的情況下，C是葉片外緣的周長。
　　
　　C=2πR（12）
　　
　　式中，R為葉片圓周的半徑。
　　
　　若在每個葉片轉(zhuǎn)動輪每個的外緣處都安裝一個間隔為90°的磁鋼，則。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　實行計量供熱的目的是節(jié)約能源和保護環(huán)境，也是保證供熱事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，要解決的問題是正確計量熱量及熱費的合理分攤。而對于供熱系統(tǒng)的需要是在滿足精度的同時還需考慮成本和運行的穩(wěn)定性。