暖氣分戶計(jì)費(fèi)中溫度與流量傳感器設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)熱能費(fèi)收繳困難和按使用面積收費(fèi)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(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由熱能表、數(shù)據(jù)傳輸電路、PC機(jī)3部分組成；熱能表通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量Pt1000電橋兩端的電壓差計(jì)算出溫度值，對(duì)霍爾流量計(jì)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到用戶在一段時(shí)間內(nèi)的流量值，最后應(yīng)用流量和熱量值得到用戶在一段時(shí)間內(nèi)所消耗的熱值；測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線可以傳給上位機(jī)，由上位機(jī)的管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、費(fèi)用結(jié)算、報(bào)表打印等多項(xiàng)任務(wù)。經(jīng)測(cè)試證明，此方案能較好地實(shí)現(xiàn)小區(qū)熱費(fèi)智能計(jì)量。
關(guān)鍵詞 熱能計(jì)費(fèi)；Pt1000；霍爾流量計(jì)

    暖氣計(jì)量系統(tǒng)是通過(guò)兩種傳感器測(cè)得的熱載體流量和進(jìn)出口溫度，再經(jīng)過(guò)密度和熱焓值的補(bǔ)償及積分計(jì)算，得到熱量值。它是一種以微分處理器和高精庫(kù)傳感器為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。與以前普遍使用的用戶計(jì)量表相比，有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更高的技術(shù)含量。研究?jī)?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Visual Basic和數(shù)據(jù)庫(kù)Visual FoxPro的暖氣流量計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。
    課題的最終目標(biāo)是建立一套符合現(xiàn)代化智能小區(qū)要求的先進(jìn)的采暖計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)。文中僅對(duì)系統(tǒng)的溫度和流量采集系統(tǒng)計(jì)進(jìn)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(jī)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(jī)選用的是89C52。流量傳感器L，用以檢測(cè)水的流量，兩個(gè)溫度傳感器Tr1和Tr2分別測(cè)量供熱系統(tǒng)的進(jìn)水溫度和回水溫度。3個(gè)信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行處理和運(yùn)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(cè)熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
    系統(tǒng)應(yīng)用傳熱學(xué)的基本理論可以得出精確的暖氣散熱公式
   
    式中，Q為釋放或吸收的熱量值，單位kJ；q為瞬時(shí)質(zhì)量流量，單位kg／s；△h為進(jìn)出口焓差，單位kJ／kg；t為時(shí)間，單位s。
    對(duì)于交換熱量的計(jì)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(shí)體積流量，瞬時(shí)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(shí)體積流量和溫度，如果能準(zhǔn)確地測(cè)量流量和溫度，就意味著熱量能夠測(cè)試準(zhǔn)確。只要測(cè)得瞬時(shí)體積流量qv，并根據(jù)實(shí)測(cè)溫度θf與θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4個(gè)常數(shù)，帶入式(2)即可計(jì)算出熱量Q。該方法的缺點(diǎn)是溫度測(cè)量精度越高，數(shù)據(jù)表所占的存儲(chǔ)空間越大，并且對(duì)于實(shí)測(cè)溫度，需要采用線性插值等近似計(jì)算技術(shù)，通過(guò)搜索與其距離最近的點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)的極值，得出瞬時(shí)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(jì)算量減少，計(jì)算速度大大加快。該方法對(duì)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(jìn)行溫度修正，同時(shí)由于不能對(duì)Cp進(jìn)行在線溫度補(bǔ)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(jì)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(jìn)、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(dāng)壓力一定時(shí)，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(bǔ)償法。
    分段式K系數(shù)法是將熱交換系數(shù)按回水溫度進(jìn)行3段分類：
   
    該方法將熱交換系數(shù)量化為3個(gè)分段常數(shù)，在一定程度上對(duì)其進(jìn)行了溫度修正，式中3個(gè)關(guān)鍵常數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)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(duì)熱量計(jì)量的精度要求不高，且溫度變化較小的情況。K系數(shù)補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)了熱系數(shù)的在線溫度和壓力補(bǔ)償，大幅提高了熱量計(jì)量的精度。OIML-R75國(guó)際規(guī)程和EN1434歐洲標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)熱系數(shù)K的計(jì)算有明確的說(shuō)明。
    系統(tǒng)的熱量測(cè)量需要達(dá)到一定精度，所以在計(jì)算上采用直接焓差法。

2 溫度采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    溫度采集系統(tǒng)電路由橋路、電子開(kāi)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(kāi)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(shí)，橋路輸出電壓在0．136～0．398 V范圍內(nèi)，設(shè)置AD620增益為5，則輸出電壓范圍在0．68～1．99 V之間，這樣便可以滿足AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器在5 V的電源下，滿量程2．5 V時(shí)的輸入范圍。AD620的增益電阻計(jì)算如下
   
    AD7705是用于低頻測(cè)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(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，因而能更好地保證高精度的實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。
    AD7705使用5 V單電源，它有兩個(gè)模擬差分輸入通道，參考電壓為2．5 V。另外，AD7705還可直接接收傳感器產(chǎn)生的小信號(hào)以進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號(hào)。它采用∑-△技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位A／D轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN端的主時(shí)鐘和放大器的可變?cè)鲆鏇Q定。實(shí)際上，AD7705同時(shí)可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(hào)放大到接近A／D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓在進(jìn)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(dòng)校正方法，其基本思想是開(kāi)始工作后或每隔一定時(shí)間去測(cè)量一次基本參數(shù)，然后建立誤差校正模型，確定并存儲(chǔ)校正模型參數(shù)。在正式測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果和校正模型求取校正值，從而消除誤差。整個(gè)校正過(guò)程自動(dòng)完成。
    當(dāng)AD7705工作電壓為5 V，片內(nèi)可編程放大器增益設(shè)置為1時(shí)，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為38．15μV，而Pt1000在30～100℃范圍內(nèi)每變化1℃時(shí)，橋路的輸出電壓變化小于4．25 mV，遠(yuǎn)大于AD7705的最小分辨電壓。系統(tǒng)的分辨率理論上可達(dá)0．001℃。但是在實(shí)際測(cè)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(jì)
3．1 流量采集的理論基礎(chǔ)
    系統(tǒng)采用渦輪流量計(jì)，它是速度式流量計(jì)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?gòu)亩茖?dǎo)出流量或總量。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由機(jī)械、磁感應(yīng)、光學(xué)或電子方式檢出并由讀出裝置進(jìn)行顯示或記錄。系統(tǒng)采用的是磁感應(yīng)方式檢驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)的霍爾元件。
    渦輪流量計(jì)的工作原理：當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)傳感器時(shí)，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(dòng)周期改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測(cè)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(shì)，送到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。渦輪流量計(jì)的實(shí)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(jì)輸出信號(hào)的頻率；K為流量計(jì)的儀表系數(shù)。
3．2 流量傳感器的具體電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中霍爾開(kāi)關(guān)工作在低頻、低磁場(chǎng)中，所測(cè)磁場(chǎng)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(hào)霍爾開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性好，電源電壓為4．5～24 V，系統(tǒng)采用的VCC為5 V，輸出飽和電壓為0～400 mV。具體的設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

    為減少熱損失，流量測(cè)量?jī)x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(kāi)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(shí)間再乘以管道的橫截面積及可以得到一定時(shí)間內(nèi)的流量大小。
    標(biāo)定C較為簡(jiǎn)單的方法是：將標(biāo)準(zhǔn)流速儀和被測(cè)流速儀放置于流場(chǎng)的同一點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)流速儀的讀數(shù)為V’，被標(biāo)定的流速儀的讀數(shù)為Cn’，則
    V’=Cn’  (11)
    式中，n’即計(jì)數(shù)器測(cè)得的霍爾開(kāi)關(guān)1 s內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。
    在忽略流體與葉片間相對(duì)滑動(dòng)的情況下，C是葉片外緣的周長(zhǎng)。
    C=2πR     (12)
    式中，R為葉片圓周的半徑。
    若在每個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)輪每個(gè)的外緣處都安裝一個(gè)間隔為90°的磁鋼，則。

4 結(jié)束語(yǔ)
    實(shí)行計(jì)量供熱的目的是節(jié)約能源和保護(hù)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(wèn)題是正確計(jì)量熱量及熱費(fèi)的合理分?jǐn)?。而?duì)于供熱系統(tǒng)的需要是在滿足精度的同時(shí)還需考慮成本和運(yùn)行的穩(wěn)定性。