引言

我國(guó)地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規(guī)模巨大，住宅建設(shè)量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢(shì)，而且這個(gè)上升趨勢(shì)還將持續(xù)20～30年。

在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費(fèi)制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶(hù)收費(fèi)，無(wú)疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。為此，本文介紹了一種新型熱量表的設(shè)計(jì)方法。該熱量表是一種分戶(hù)熱量計(jì)量裝置，它由無(wú)磁熱水流量計(jì)、溫度傳感器和微功耗單片機(jī)組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統(tǒng)的供水管上，并將溫度傳感器分別裝在供、回水管路上。一段時(shí)間內(nèi)用戶(hù)所消耗的熱量為所供熱水的流量和供回水的焓差乘積對(duì)時(shí)間的積分。熱量表利用該原理并通過(guò)熱水流量計(jì)測(cè)量逐時(shí)流量并用溫度傳感器測(cè)量逐時(shí)供回水溫度，再將這些數(shù)據(jù)輸入積算儀進(jìn)行積分計(jì)算，就能得出用戶(hù)所用的熱量。

1 熱量表的流量檢測(cè)

1.1 多流無(wú)磁熱水流量計(jì)

所謂流量，就是在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)熱量表的熱載體(水)的體積或質(zhì)量。本系統(tǒng)中的流量檢測(cè)單元是用來(lái)測(cè)量流量的裝置，它能輸出與流量大小成比例的脈沖信號(hào)給積分計(jì)算單元。

多流無(wú)磁熱水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由熱水表表殼底座、導(dǎo)流座、濾網(wǎng)、葉輪盒、出水導(dǎo)流座、傳感器感應(yīng)膜片等組成。其工作原理是：熱水進(jìn)入表殼底座，經(jīng)導(dǎo)流座、濾網(wǎng)后流進(jìn)葉輪盒沖動(dòng)葉輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)出水導(dǎo)流座流出表外。葉輪盤(pán)上端的傳感器感應(yīng)膜片與傳感器作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以輸出與流量大小成線(xiàn)性比例關(guān)系的脈沖信號(hào)給積分計(jì)算單元。 多流無(wú)磁熱水流量計(jì)殼體采用優(yōu)質(zhì)黃銅，經(jīng)硬模鑄造、鍛造、數(shù)控機(jī)床加工后，要求其機(jī)械強(qiáng)度好、尺寸精度穩(wěn)定一致。機(jī)芯部分可選用進(jìn)口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應(yīng)使用壽命長(zhǎng)、計(jì)量精度高。整表的耐壓強(qiáng)度、測(cè)量誤差、壓力損失等要完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

多流無(wú)磁熱水流量計(jì)不同于一般的熱水表，它應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

發(fā)訊原件采用非磁性材料的金屬膜片，避免了一般干式水表的磁性元件吸附管道類(lèi)雜物而影響精度和易受外磁場(chǎng)干擾等現(xiàn)象，無(wú)磁的含義也由此而來(lái)。

機(jī)芯部分在表殼內(nèi)可360°旋轉(zhuǎn)，可適應(yīng)熱量表不同安裝位置。

流量計(jì)的機(jī)芯和上殼體可組成完整可拆卸的計(jì)量機(jī)構(gòu)總成，便于安裝維護(hù)。

機(jī)芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長(zhǎng)、計(jì)量精度高，適于熱水工況。

1.2流量傳感器

流量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)外形見(jiàn)圖1所示。它由固定在同一個(gè)軸上的兩個(gè)葉輪盤(pán)組成，并由一個(gè)齒輪組驅(qū)動(dòng)。為了簡(jiǎn)單，齒輪在圖1中未畫(huà)出。當(dāng)有水流動(dòng)時(shí)，齒輪帶動(dòng)兩個(gè)葉輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)葉輪盤(pán)是由非導(dǎo)體材料組成的，每個(gè)葉輪盤(pán)的表面有一半面積涂敷著銅或其它金屬導(dǎo)體材料，在兩個(gè)葉輪盤(pán)安裝有互成120°的三個(gè)獨(dú)立感應(yīng)器，當(dāng)敷銅層通過(guò)感應(yīng)器上方時(shí)，葉輪的旋轉(zhuǎn)信號(hào)即可被檢測(cè)出來(lái)。

1.3傳感器硬件電路

圖2為感應(yīng)式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應(yīng)器被安裝在兩個(gè)機(jī)械葉輪盤(pán)之間(見(jiàn)圖1)，每一個(gè)傳感器均具有對(duì)應(yīng)的信號(hào)選通線(xiàn)和共用的觸發(fā)信號(hào)線(xiàn)，每路晶體管的集電極輸出應(yīng)連接在一起。

在觸發(fā)端(TRIGGER)施加一個(gè)正脈沖時(shí)，即可將相應(yīng)的同步選擇線(xiàn)(SELECT)置為低電平，同時(shí)起動(dòng)被選擇的LC振蕩器。當(dāng)葉輪盤(pán)上的敷銅層不在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩在持續(xù)一段時(shí)間后即會(huì)消失，即無(wú)阻尼振蕩;相反，當(dāng)葉輪盤(pán)上的敷銅層在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩則持續(xù)很短時(shí)間就消失，即阻尼振蕩，這是因?yàn)殂~層吸收了儲(chǔ)存在感應(yīng)器內(nèi)的能量。以上兩種振蕩狀態(tài)即可在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出數(shù)量不等的脈沖上升沿和下降沿。其中無(wú)阻尼振蕩時(shí)有一個(gè)脈沖上升沿和下降沿。而阻尼振蕩時(shí)則有二個(gè)脈沖上升沿和下降沿。根據(jù)以上分析，三個(gè)感應(yīng)器將在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出脈沖流，積分儀通過(guò)軟件處理這些脈沖流，即可計(jì)算出系統(tǒng)的流量。

2 Pt1000鉑電阻溫度傳感器

鉑電阻溫度傳感器是利用貴金屬"鉑"的電阻隨溫度單調(diào)變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導(dǎo)帶，它均勻地分布在陶瓷基片上。該傳感器以鉑作為感溫材料、以微電子厚膜工藝制作，整個(gè)器件由Pt1000感溫元件、引線(xiàn)電纜和不銹鋼保護(hù)管構(gòu)成，經(jīng)過(guò)測(cè)試和精確配對(duì)可制成熱表專(zhuān)用溫度傳感器。

鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統(tǒng)中，用于采集水溫并發(fā)出溫度信號(hào)。溫度傳感器的探頭保護(hù)管采用導(dǎo)熱良好且堅(jiān)固耐磨的材料制造。

在同一熱量表上應(yīng)采用"配對(duì)溫度傳感器"，即分別用來(lái)測(cè)量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的溫度傳感器的計(jì)量特性應(yīng)當(dāng)一致或相近。

與Pt1000厚膜鉑電阻配對(duì)溫度傳感器是熱量表的重要組成部分，是測(cè)試溫度及完成熱量計(jì)算的基礎(chǔ)元器件，其測(cè)量范圍為-20℃～+150℃。

D00系列Pt1000元件是上海都華實(shí)業(yè)有限公司的高阻值鉑電阻敏感元件，其溫度每變化1℃，電阻值變化3.8Ω。而且具有靈敏度高、熱響應(yīng)速度快、引線(xiàn)電阻影響小等特點(diǎn)。

3熱量積分儀

熱量積分儀亦稱(chēng)熱量積分計(jì)算器，可接收來(lái)自流量傳感器和配對(duì)溫度傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和遠(yuǎn)傳的部件。

3.1熱量積分儀的工作原理

本系統(tǒng)中的熱量積分儀通過(guò)采集外部進(jìn)水溫度傳感器的溫度信號(hào)、回水溫度傳感器的溫度信號(hào)以及管道流量傳感器的流量信號(hào)，并通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)計(jì)算熱流體從入口到出口所釋放或吸收的熱量，其基本計(jì)算公式如下：

式中：Q為釋放或吸收的熱量，J或W.h;

qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h;

qv為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量體積，m3/h;

ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，kg/m3;

△h為在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下水的焓差值J/kg;

τ為時(shí)間，h。

圖3所示是本熱量表的原理結(jié)構(gòu)框圖。

3.2超低功耗微處理器MSP430FXXX

系統(tǒng)中的主控芯片采用美國(guó)德洲儀器公司的16位超低功耗微處理器MSP430FXXX。該芯片內(nèi)含比較器，采樣分辨率可達(dá)0.01℃。而且片內(nèi)自帶LCD驅(qū)動(dòng)模塊，可驅(qū)動(dòng)96段液晶進(jìn)行顯示。利用片內(nèi)FLASH還可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存，也可以采用內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。該芯片為電池供電型測(cè)量應(yīng)用帶來(lái)終極解決方案，它可使設(shè)計(jì)人員能同時(shí)連接模擬信號(hào)、傳感器和數(shù)字器件。

超低功耗微處理器MSP430FXXX的主要特性如下：

低電源電壓范圍，1.8～3.6 V;

超低功耗，工作模式時(shí)為250μA/MIPS，待機(jī)模式時(shí)為0.8 μA，關(guān)閉模式(RAM保持)時(shí)為0.1μA;

具有五種功率節(jié)約模式;

6μs內(nèi)可從待機(jī)模式喚醒;

具有16位RISC體系和125 ns指令周期;

帶有多個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器;

集成有96段LCD驅(qū)動(dòng)器;

帶有串行通信接口(USART)，可通過(guò)軟件選擇異步UART或同步SPI;

基本定時(shí)器可支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘;

帶有節(jié)電檢測(cè)器;

帶可編程電平檢測(cè)的電源電壓管理/監(jiān)控;

內(nèi)建可在線(xiàn)燒錄(in-system programmable)閃存，可用于程序代碼的變更、現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)和資料記錄;

型號(hào)系列化，選型范圍廣。

所有的MSP430器件均基于一個(gè)正交16位RISC CPU內(nèi)核，其靈活性在于其具有16個(gè)可尋址單周期16位CPU寄存器、27條指令以及7種均采用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)(DDFT)的一致性尋址方式。DDFY可在每個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行兩次存取操作，而不再需要復(fù)雜的時(shí)鐘乘法和指令流水線(xiàn)方案。除了能夠降低功耗和減小CPU尺寸之外，當(dāng)與現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)技術(shù)(如計(jì)算分支)以及高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)一道使用時(shí)，MSP430體系結(jié)構(gòu)的微處理器尤為有效。表1所列是MSP430所使用的7種尋址方式。

3.3硬件電路

MSP430令共有51條指令。其中核心指令有27條，代碼效率很高且速度快。應(yīng)用MSP430設(shè)計(jì)的新型熱量表的電氣原理圖如圖4所示。

圖4中，RT1和RT2分別為熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度傳感器，L1、L2、L3分別為流量傳感器中的感應(yīng)器1～3，U1為模擬多路開(kāi)關(guān)，U2為CPU芯片MSP430FXXX。溫度傳感器檢測(cè)出熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度后，經(jīng)過(guò)模擬多路開(kāi)關(guān)后送給CPU的A/D轉(zhuǎn)換端口，流量信號(hào)則送人CPU的P1.0端口，兩路信號(hào)在CPU內(nèi)經(jīng)過(guò)軟件解算后，將在CPU內(nèi)的存儲(chǔ)器中保存并從端口輸出到LCD顯示器T218010顯示。

新型熱量表遠(yuǎn)傳通訊接口一般采用RS-485接口或M-BUS接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和集中抄表，這里不再贅述。

4結(jié)束語(yǔ)

該熱量表采用整體式結(jié)構(gòu)、單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)和無(wú)磁非接觸式流量檢測(cè)技術(shù)，因而該表安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需調(diào)試。實(shí)際應(yīng)用證明，利用該方法設(shè)計(jì)的熱量表性能穩(wěn)定可靠，使用效果良好。