（测试计量技术及仪器专业论文）基于射频卡的预付费热量表的研究.pdf

摘要 摘要 自从2 0 世纪9 0 年代以来，随着生活水平的提高，人们的环保意识也 在逐渐加深。目前，集中供热在我国的供暖系统中已经变得越来越普遍了。 热量的测量体现了供暖部门与用户之间公平合理的能量交易。公平的 集中供暖系统必须要解决两个问题：一是必须有一个运行稳定、调节计量 方便可靠的集中供热计量系统，即解决集中供热的计量问题：二是必须有 一个合理的集中供热价格及收费管理办法，即解决集中供热供冷的收费问 题。其中热量的准确测量尤为重要。 为此，本文设计了一种新型的智能热量表来实现热量的准确计量。 首先，本文对热量的计量原理进行了分析。通过把工程热力学中的能 量平衡方程应用到热量表中，给出了适合我国热量表热量计量的公式，这 是热量计量的理论基础。 然后，分别对热量表硬件的各个主要组成部分：主控制单元，流量计， 配对温度传感器和射频i c 卡等都进行了比较分析，选择了性能较稳定、功 耗较低的器件，并对这些部分的数据处理方法进行了详细地说明。 在软件方面，本文对这个系统的程序设计流程图进行了整体性分析， 这是编好系统程序的关键。然后分别对各个主要部分如按键，流量测量以 及系统的初始化程序等部分的流程图分别进行了说明。 最后，本文对系统的合理性收费进行分析。本着公平的考虑，论述了 现有的集中供热计费方法应该对用户围护结构的不同和各用户间热传递予 以充分地考虑。同时，说明了集中供热计费工作势在必行，但还有许多实 际问题要解决，这需要国家、集体和个人的共同努力。 关键词热量表；温度传感器；流量测量；射频i c 卡；热量计量；合理性 收费 童生奎兰三兰翌主兰堡垒兰 。 = = j = = # = e ；= e 4 _ _ _ - = 目= e = l t # i = = = 自4 = = = = = l l 目= e 。日e _ l j _ _ _ _ - _ 。9 一一 a b s t r a c t f r o mt h e1 9 9 0 s ，w i t ht h ee l e v a t i o no fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p u b l i c s s e n s eo fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni ss t r e n g t h e n e da n dc e n t r a lh e a ts u p p l yi n w i n t e rh a v e r e c e n t l ys p r e a d t h em e a s u r e m e n to ft h eh e a te n e r g yi s i m p o r t a n t f o rt h ef a i rt r a d eo f e n e r g yb e t w e e ni n d i v i d u a lc u s t o m e r sa n dh o tw a t e rs u p p l i e r s t h e r e a r et w o c o r ei s s u e sf o re n e r g yc o s ta l l o c a t i o n ( z c a ) i nc e n t r a lh e a t i n g ：f i r s t l y , ae n e r g y m e t e r i n gs y s t e mr u n n i n gs t e a d i l ya n du s i n gc o n v e n i e n t l yi sd e s i r e d s e c o n d l y , e e am u s th a v ear e a s o n a b l ea l l o c a t i o nm e t h o d b u tt h ee n e r g ym e a s u r e m e n ti s m o r ei m p o r t a n to l l ef o ras u c c e s s f u le c a s y s t e m a n e w - s t y l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tm e a s u r i n gh e a ti sp r e s e n t e dt om e a s u r e p r e c i s e l yi nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h et h e o r yo f h e a te n e r g ym e a s u r e m e n t i sa n a l y z e d e n e r g y b a l a n c e e q u a t i o ni nt h ee n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c si su s e d t op r o p o s et h ee q u a t i o no f q u a n t 崎o f h e a tm e a s u r e m e n tf o rh e a tm e t e r h st h e o r yb a s i sf o rh e a te n e r g y m e a s u r e m e n t s e c o n d l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss y s t e m a t i c a l l yt h eh a r d w a r eo fs y s t e m ， s u c ha sf l o w m e t e r t e m p e r a t u r es e n s o r s ，c o n t r o l l i n gm c u a n dr fc a r d a n dt h e d e v i c e sw h i c ha r es t a b l ea n dl o w - p o w e ra r eu s e di nt h es y s t e m 。t h em e t h o d so f d a t ap r o c e s s i n ga r ed i s c u s s e df o l l o w e dt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n i nt h es o f t w a r e s e c t i o n ，t h e f l o w c h a r to ft h ew h o l ec o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p e d w h i c h i s h e l p f u l f o rs o f t w a r e d e s i g n o fs y s t e m 1 m ei n d i v i d u a l f l o w c h a r to fd e f e r e n ts e c t i o n ，s u c ha sk e y p r o c e s s i n g ，f l u xm e a s u r e m e n t ，s y s t e m i n i t i a l i z a t i o ne t c ，i sf o l l o w e d 。 a tl a s t ，t h ee c am e t h o db a s e do nf a i ri sd i s c u s s e di nt h ep a p e r w es h o u l d h a v ea d e q u a t ec o n s i d e r a t i o no ft h eo r i e n t a t i o no fb u i l d i n ge n v e l o p e sa n dt h e h e a tt r a n s f e rb e t w e e nd i f f e r e n tu s e rs p a c e s i th a sb e e np r o v e dt h a t ，e x e c u t i n g e c ai nc e n t r a lh e a t i n gs y s t e mi sb e n e f i tt ob u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n a n d i a b s t r a c t t h i sp a p e rc o u l dc o n t r i b u t eal i t t l eb i tt ot h ec a r r y i n go u to f e c ai nc h i n a k e yw o r d sh e a tm e t e r ；t e m p e r a t u r es e n s o r ；f l u xm e a s u r e m e n t ；r f i c ；h e a t e n e r g ym e a s u r e m e n t ；r e a s o n a b l ec h a r g e i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国经济建设的发展，人民生活水平e t 益提高，区域性的集中热 水供暖，已在我国北方的大中城市得到普及。集中供热的高覆盖率无疑会 带来降低供热成本、减少环境污染、改善大气质量、提高人民生活水平等 诸多好处。但长期以来对用户的用热量却缺乏一个合理的计量措施。目前 大部分地区的供暖收费系统仍按用户的建筑面积计费，而不是按实际用热 量计费。于是，供热量偏高时，致使一些用户的室内温度偏高。这种热量 计量与实际用热量不挂钩的计费方式，不仅不利于唤起人们的节能意识， 导致大量的能源浪费，而且使供热企业的经济效益变差，制约了城市集中 供暖的发展【i l 。 当前，社会主义市场经济体制正在逐步建立，我国供热体制也正在发 生变革。供热企业与暖气用户之间的关系已逐渐变为供暖部门与业主之间 的商品买卖关系。企业有按其供给用户热量的数量和质量进行定价和收费 的责任；用户有按其获得的热量的数量和质量进行议价和付费的要求。尤 其随着“房改”进展和住房私有化后，现行的城市住宅供暖费用由企业全 部承担的政策已不能适应当前改革形势的需要，住户对采暖方式有了自主 选择的权利和自由。这些都将对传统的暖气计费方式提出挑战。因此城市 住宅供热收费制度的改革势在必行f 2 川。 供热体制改革的目标就是要逐步改变目前福利统包的供热体制，推行 计量供热，实现用热商品化、货币化和社会化，以达到进一步满足热用户 需求，提高供热行业运行、管理水平，建立适合国情和适应社会主义市场 经济要求的供热新体制。供热收费体制的改革是其中一个重要组成部分， 它已成为继医疗、住房改革后与人民生活密切相关的又一热点问题。因此， 我国建设部在“民用建筑节能设计标准( j g j 2 6 9 5 ) ”中提出，“在进行室内 采暖系统设计时，考虑按户热表计量和分室控制温度的可能性”，就是为了 1 燕山大学工学硕士学位论文 从按供热面积计费逐步过渡到按用热量计费，提高住户的节能意识p 。 为适应市场经济体制运作的要求，同时满足住户对家居生活自动化、 安全化、舒适化的要求，设计种合理的、准确的计量暖气用户的用热量 的装置已经成为当前供暖技术中亟待解决的课题。本课题的研究就是为了 要改革现行取暖收费制度，彻底解决城市取暖费收缴困难的问题。课题对 室内供暖系统实行“一户一表”的分户控制改造，用户耗多少热量交多少 费用，而且用户可以自行控制耗热量的多少。“分户供暖”只是整体供暖体 制改革中的一部分，这将为以后进一步供暖收费体制改革做好重要的技术 保障，彻底地实现分户控制、分户计量、分户交纳费用，从而实现供暖商 品化。因此，本课题研究的成功无论在经济效益还是在社会效益方面都将 具有一定的意义。 1 2 国内外对热量表的研究状况 热量表产品发源于欧洲。2 0 世纪6 0 年代爆发了全球性的能源危机，当 时受害程度最严重的是工业化程度较高的欧美国家。在欧洲，尤其是北欧 和部分东、西欧等位于传统供暖地区国家，能源危机爆发前，这些地区的 国家冬季供暖是一种社会福利，或不收取任何个人费用，即使收取费用， 占人均收入的比例也很低。能源危机爆发后j 石油等燃料价格迅速上涨， 导致供暖成本迅速上升。简单地说，国家已负担不起福利供暖，供暖的市 场化、商品化也应运而生【”。 供热商品化首先要作到每一个热用户都可以根据自身需求单独控制用 热量，每一个热用户的用热量都可以单独计量。这样的供热系统，就是现 在提倡的“分户控制、分户计量”。欧i | j 的“分户控制、分户计量”最早起 源于丹麦、法国，热量表最早的生产与应用也是在这两个国家1 7 1 。 截至目前，在欧洲的一些国家如德国、丹麦、法国、瑞典、芬兰等在 集中供热方面，特别是在热用户室温控制的技术水平和设备上代表了当今 世界的先进水平嗍。其在热表的研制上，从标准的制定到仪器的检测使用都 已相当成熟，相应的“热表”也经历了从机械式、电子模拟积分式、电子 数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的发展过程。1 9 9 8 年，国际法 2 第1 章绪论 制计量组织分布了世界上第一个国际性的标准文件“o i m l r 7 5 号国际建议 热量表( h e a tm e t e r s ) ”。到了9 0 年代，用户热表基本定型，并且设计趋于一 致。1 9 9 7 年4 月，欧共体正式通过了统一的热量表标准代号e n 一1 4 3 4 卜”】。 现在欧洲各国向中国市场上推销的热量表，大部分都标明了“符合 o i m l - r 7 5 标准”和“符合e n l 4 3 4 标准”。这既是给用户一个选择、判断 的基本依据，也表明了欧洲热量表技术成熟和标准化的程度【1 ”。 欧洲在集中供热计量收费方面已有着丰富的经验和先进的技术。但耳 前，欧洲的热量表在中国应用时，存在以下一些局限性： ( 1 ) 欧洲表热量积分计算仪一律采取的是k 系数补偿的方式 1 3 1 。k 系数 的取值在进水和回水上是不同的，只能规定其中一个固定的位置，不得变 换。因此，欧洲的热量表一般规定要安装在回水管道上，也就是流量计只 能测回水的流量。如果用户私自放用热水，热量计量结果反而减少。当然， 管道施工和安装也不够灵活和方便u ”。 ( 2 ) 欧洲热量表采用的测温元件是p t l 0 0 和p t 5 0 0 。p t l 0 0 即在o 时电 阻值为1 0 0q ，测温探头的引线电阻必然会给测量带来误差。因此对引线电 缆的长度有严格的要求，一旦配对完毕，不能任意延长或缩短f j 5 l 。同时， 铂电阻的阻值偏小，其在低温的自热效应也是比较明显的。 此外，在波兰、丹麦等很多欧洲国家的热量表在流量测量方面都采用 了超声波流量计i m 】。超声波式流量计对水质要求较低，不易损坏，使用寿 命长【l ”，但价格较高，带超声波流量计的热量表比带机械式流量计的热量 表大约贵1 3 。几年来3 个国家5 家公司在中国几个城市的试点，在节能效 果上都得出了肯定的结论，但推广却受到许多阻力，其中价格昂贵不能不 认为是主要的阻力之一。 中国热量表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代。当时已有欧洲的热量 表样表进入中国。1 9 9 2 年国家技术监督局和国际法制计量组织中国秘书处 翻译出版了o i m l r 7 5 国际建议- 。1 9 9 7 - 2 0 0 0 年，欧洲热量表标 准( e n 1 4 3 4 ) 逐渐被一些企业单位所了解和重视，包括中国科学院、清华大 学、航天部、兵器部等直属的科研院所、高等学校，先后都以多种形式， 积极参与热计量仪表装置的研制开发；或者在深入研究的基础上与企业合 3 。 燕山大学工学硕士学位论文 作，或者自己投资开发。 建设部2 0 0 1 年2 月5 日发布了中国的热量表标准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 并规定 于6 月1 日起实施的：之后在2 0 0 1 年1 2 月4 日，国家质量监督检验检疫总 局发布了“中华人民共和国国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 一热能表”，并 于2 0 0 2 年3 月1 日起实施。这两个国家标准和规程标志着中国的热量表从 法制概念上建立了关于生产标准和技术检定的完善的质量保证和监督的体 系。因此我国具有对热量表需求的极大潜力，热量表将可能成为一项民族 工业发展的热点。国内科研院所、大专院校和企业纷纷关注热量表的开发 研制，是理所当然的事情。 国内现在生产、经营热量表的企业已有6 0 多家( 2 0 0 2 年6 月不完全统 计) ，目前集中在北京、天津、山东三地的热量表生产企业已超过了3 0 多家， 约占总数的5 0 。这些企业中与国外的热量表专业公司合资、合作或作为 经营代理的大约有1 5 家，大约占总数的2 4 ，中国的热量表生产企业大部 分是民办中小企业，大约占7 0 。其中开发生产、销售并应用的热量表累 计超过5 0 0 0 套的国产热量表生产企业有：沈阳航发热计量技术有限公司， 天津市赛恩技术有限公司、江苏环能工程有限公司，天津万华股份有限公 司，延吉耐世康仪表有限公司等【1 8 t 0 1 。 我国的热蚤表生产企业在对热量表的研发、生产中，一方面认真学习 借鉴了国外成熟的先进技术，另一方面也自主开发了大量的针对我国国情 的热量表。 首先，热量表是多部件组成的机电一体化仪表，每一个部件都应该达 到相应的技术标准。我国所有的热量表生产企业，在选用热量表的基本部 件中，对精度至关重要的温度传感器，都给予了足够的重视。由于我国涉 及安装计量收费用表的建筑状况复杂。如果测温传感器选用p t l 0 0 配套电缆 长度约lm ，而且严格规定热量表主体只能安装在回水管道上，可能使施工 不便，热力公司的计费也可能受损失。所以他们几乎都选用了符合国际和 国家标准的r t l 0 0 0 型配对铂薄膜电阻测温探头。大多数企业采用的是德国 j u r n o 公司的产品。j u m o 公司是欧洲热量表的铡温头的主要生产企业。他们 的产品被包括丹佛斯、西门子、真兰、斯伦贝谢、荷德鲁美特等著名热表 正 第l 章绪论 企业所采用，占有全欧洲6 0 7 0 的市场口“。 其次，中国热量表企业关于户用热量表流量计的选用，大致经历了用 干式、磁传热水表代用一改进热水表结构，适合热量表水质和工况一改进 流量数据远传技术一独立或合作开发专用热量表流量计这样一个过程。目 前，国内大部分热量表生产企业都是采用磁效应传感器测量流量。还有些 企业针对热计量对流量计的特殊要求，在材质、结构方面进行了专门的设 计，采用韦根传感器采集流量信号。 使用有磁传感器的缺点是：它很容易吸附铁锈，致使转轴偏重，出现 噪声并且越来越大，影响流量计量精度；而韦根传感器的价格比较昂贵【列。 因此本文采用一种无磁流量传感器，它具有体积小、结构简单可靠、灵敏 度高、价格低廉等优点，便于用户接受和使用。 中国供暖的“收费难”的问题长期以来一直困扰着供应收费部门。“热” 作为商品供应到千家万户，收费体制改革和政策确定之后，这个问题马上 会提出来。供热部门当然会欢迎“先收费。后供热”的热量表。因此“预 付费式热量袭”会受到关注。在研制开发预收费热量表时应注意吸取其它 预付费卡表的经验和教训，设计开发出更好的i c 卡热量表。目前i c 卡热 量表技术也许最具有中国特色了。这在欧洲，在全世界其他国家也是没有 先例的性“。 由于在我国，供热计量与解决收费难的问题密切相关，对这种可以预 收费，并能控制关断的i c 卡热量表有相当大的市场需求。因此本课题的设 计采用射频卡技术实现预付费。 1 - 3 课题研究的内容和主要解决的问题 1 3 1 课题研究的内容 热量表是一种以微处理器和高精度传感器为基础，包含机械、电子和 信息技术的高科技产品。它与建筑业过去已普遍使用的户用计量表水 表、电表、煤气表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。正因如此， 它的研制、开发、生产、测试、校准及产业化等到都需要相当多的技术投 一5 燕山大学工学硕士学位论文 入与资金投入。 本课题主要是开发和研究高精度和可靠性的热量计量仪表，并准确计量 用户的用热量。具体包括以下几个方面的设计： ( 1 ) n 量元件的选型。热量表需要直接测量的物理量有两个：温度和流 量。因此测量元件的选择主要就是测温传感器、流量传感器的选择。这两 个传感器的正确选择对提高热量的测量起着至关重要的作用。 ( 2 ) 进行硬件电路的设计。主要是对温度测量电路、流量测量电路、i c 卡的读写部分。其中包括a d 变换、数据存储，结果显示以及按键的设计， 便于用户使用。 ( 3 ) 对所设计系统的各部分进行实验研究。编写程序，以便对系统各部 分进行调试和标定。 ( 4 ) 对本测量系统的误差进行分析。根据热量表的国家标准c j l 2 8 2 0 0 0 中规定的各误差限，对热量表各部分可能出现的误差进行分析，以尽量减 小这些误差。最后对热量表的整体误差进行分析。 ( 5 ) 用热收费的分析。对按流量计量的供暖系统的收费问题进行分析， 主要分析一下收费的合理性问题。 1 3 2 主要解决的问题 热量表是一种高科技产品。我国正在研制符合我国国情的热量表。目 前，国内自主开发的热量表在开发、生产、测试及产业化等过程会出现一 系列的问题。本课题在热量表研制开发方面主要解决以下一些问题： ( 1 ) 系统的低功耗设计。目前，热量表的电源供电方式有两种：交流市 电供电方式和干电池供电方式。在我国，电力线供电不太稳定，而且采用 交流市电供电方式，在有电的时候热计量比较准确，而停电以后热量表形 同虚设，不起作用。因此本系统采用干电池供电。 电池供给的电能是有限的。当含有微处理机的系统工作电流达到la 数 量级时，它已基本上不能依赖于电池的供电来工作：如果电流降至1 0 0m a 数量级，普通电池供电只能保证系统连续工作数小时；当电流降低到微安 数量级时，系统就可以长期连续工作丽只需偶尔更换电池。可见，低功耗 6 第1 章绪论 对于电池供电系统的重要性。 ( 2 ) 无磁流量计量的设计。无磁流量测量采用电感和电容的并联谐振， 通过测量转盘的位置来决定流量的多少。采用无磁方法测量流量避免了传 统的磁效应流量传感器的铁屑吸附问题，以及长期处于高温环境中磁退化 现象，为目前应用在热量表中最新的流量测量方法【2 钔。 ( 3 ) 射频卡预付费系统的设计。采用卡式预付费系统可以很好地缓解长 期困扰我国热供应系统的“收费难”问题，而且还可以避免抄表员逐户抄 表给用户带来的麻烦，给收费部门和用户带来极大的方便。 射频卡采用全密封结构，无卡口及外露触点，无需接触和磨擦，不怕 淋水、结露和污物侵入，彻底解决了接触式i c 卡表抗攻击性差的问题，大 大提高了工作可靠性和使用寿命。而且射频卡通过对射频信号的加密调制 大大提高了数据的保密性【25 1 。 本课题研究的热量表采用全新的结构，即把无磁流量测量技术和射频 识别技术加入到热量表中，克服了传统热量表在流量测量和收费方面的缺 陷，因此本课题的研究具有重要的实际意义。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章热量计量系统的设计 热量表是一种安装在用户的热交换环路中，用来测量载热流体通过用 户换热器时，所释放给用户热能多少的仪器。因此热量表又称热能表、热 能积算仪。 2 1 热量计量原理 根据工程热力学中的分析方法，对于一个开口系统，流体流经此系 统时的能量平衡方程可用下式表示； d e “= q + m + m g a z + m a c 2 2 + ( 2 1 ) 式中：d e 。一系统内部总的储存能随b 间的变化，q 一系统与外界的热交换 量，聊一流经系统的流体流量，止一系统进、出口处的位置差，c 2 一流体 在系统进、出口处速度的平方差，氓一系统与外界交换的功， 一流体在 系统进、出口处的比熔差【2 6 1 。 当系统为一换热器时。可以对以上方程进行简化。当流体流速较低时， 通常不计其流经换热器进、出口的动能和位能差。换热器与周围环境也没 有功的交换，暇= o 。因此，当换热器处于稳定工作状态时，班o = o 。流经 换热器的流体与周围环境的换热量可表示为： q ma h = m ( 魄一h 2 )( 2 2 ) 式中：h l 一流体在换热器进口处对应温度下的比焓 k j k g 】，h 2 一流体在换热 器出口处对应温度下的比焓。 当系统运行一段时间后的总换热量为： - q = i q 。a h d t( 2 3 ) 1 0 式中：锄一流体的质量流量 k g s ，幽一换热器入口和出i z l 处流体温度对应 的焓值差瞄k g ，t - - 时间【s 】。 在式( 2 - 3 ) 中，质量流量q m 口- j 直接测量，但是在实际应用中是通过测量 体积流量g v 来计算质量流量的，用公式( 2 4 ) 计算。 8 第2 章热量计量系统的设计 q 。= g ，p ( r ) ( 2 - 4 ) 式中：p 是流体介质的密度 k g m 3 】，它是温度的函数。 焓值h 与介质、介质温度及压力有关。实际上，户用采暖装置中的压力 一般在1 0k c m 2 以下，其变化对水的热焓值的影响非常小。例如，当温度 t = 8 0 时，压力为0 0 4 7 3 9m p a ( 饱和水) ，对应的比焓值为3 3 4 9 1j g ；压 力为2 5m p a ( 压缩水) 时，对应的比焓值为3 3 6 8 6j 佗，其变化约为0 6 。在 户用采暖系统中，压力变化很小，对焓值的影响完全可以忽略。同样，压 力变化对水的密度的影响也可以不予考虑。 另外，我国的供暖系统是封闭式的，如果把热计量仪表安装在供水 管道上，就可以不用考虑热量的泄漏，而且流体在换热器中的流动比较 缓慢( 1 5m m 直径的散热器管道中，常用流量为1 5m 3 h ) ，可以认为流体 是匀速流动的，流体在入水口和出水口处的压力差也可忽略不计。 因此，从理论上说，只要测出3 个物理量即每一时刻的采暖系统进、出 口处的温度死、死和体积流量q ，然后根据测得的温度值从数据表中奁得对 应的烩值和密度，带入式( 2 3 ) 就可以计算出热耗。 其实，对于一个封闭的采暖系统，流体在此系统的流动的过程可以近 似看成是定压过程。在热工计算中常采用平均比热的方法来计算流体比焓 的变化，此时有： 岛一呜= c p ( 王一正) = c p r ( 2 - 5 ) 式中：g 一流体平均比热 k j ( k g + ) 】，a t - - 采暖系统进出口处流体的温差 值【2 ”。于是式( 2 3 ) w 转化为： - q = i q ，p ( 7 1 ) - c p - r 西 ( 2 6 ) h 将0 和p ( d 的乘积组合为一个新值，即为热量系数k ，单位为k j ，( m 3 k ) 。 在应用公式( 2 6 ) 计算热量时，流体的密度和平均比热都受管道中流体压力 的影响。当流体压力增加时，其密度增加而平均比热减小，这样就可以在 一定程度上补偿他们的乘积k 受压力变化的影响。当流体的压力在0 1 0 m p a 范围内时，由公式( 2 6 ) 计算出热量值的误差不会超过o 0 2 5 ，因此 可以忽略不计。公式( 2 6 ) 可以写成如下形式： q 燕山大学工学硕士学位论文 q = l q ，k 丁- d t ( 2 - 7 ) 1 0 根据公式( 2 7 ) ，只要测量出采暖系统中流体的体积流量，侈 、回水e l 温度，以及两次测量的时间间隔r ，便可以计量用户采暖所消耗的热量值。 目前，欧洲的热量计量普遍采用公式( 2 7 ) ，他们一般规定热量表要安装在 回水管道上，但是热量表安装在供水管道和回水管道其k 系数是不同的。为 了防止用户私自放用热水使热量计量结果减少，我国采用将热量表安装在 供水管道上的计量方案。因此k 系数这种热量计算方法不适于我国的热量计 量。目前国内热量表一般采用焓差法即公式( 2 3 ) 来计算热赣。 热量表系统原理图如图2 1 所示。 削2 1 热量表热量计量系统原理图 f i g u r e2 - 1m e a s u r e m e n ts y s t e mo f h e a tm e t e r 热量表通过安装在供回水管路中的温度传感器测得其热水的供回水瞬 时温度以后，根据实测温度查表得进出口焓值和密度等3 个常数，连同算出 的流量值，即可计算出热量。 显然，温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大，而且进行繁 杂的查表和计算，需要较高的硬件成本。因此一般要作一些近似。本系统 利用微控制器中已固化的程序采用插值的办法进行近似计算技术，通过搜 索与其距离最近的点计算出相应的焓值及密度后，再测量其瞬时流量值 q “m 3 ，s ) ，从而得出瞬时热量。在帖，时间内所耗的热量9 0 【j ) 为： 1 0 第2 章熟精计擞蕞绕的设计 e = | g ，( 吩一) 只t d t( 2 8 ) 出于在供热过程中温度是一个缓慢变化的量。囡此，可在菜一小段时 阀f “q ；内取一温瘦值，以代表这一小段时阀址砖的平均温度，在o o 时闻内 所耗热量( 妫又可表示为： q = 【乳+ ( k 一，) 丹l ( 2 - 9 ) d 式中；q v f - - 在耘l 喵时间内流过流量计翁体积流爨【m 3 】，n o 捷嘲内越的个 数，穗，堍f 分别为第沁段时阗痰对应鲍供网本的热烩痿。风；为进水管道 流体密度1 2 ”。 由式( 2 9 ) 可知，对手热鬣的计冀，最主要的就是要计算出j c 圣波禁溢 度下的流体豹烩馕和密度。在本系统中，可戳不必考虑难力对热爨测嚣的 影响8 。本系统取压力为o 。5a 稃a 隧豹烩德帮密渡。温度与焓餐、瓣发豹对 应美系尾寝2 - 。 袭2 * 1 热承姆赫嶷与烩值、密瘦袭 t a b l e2 - iv a l u e o f e n t h a l p y a n d d e n s i t y 融d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e 滠度鞲)熄健瓣溉)密魔( k g m 3 ) l4 猖4 11 0 0 0 2 l o4 2 + 6 0 59 9 9 ，9 4 2 08 4 4 7 69 9 8 、4 4 3 01 2 6 2 99 9 5 ，8 7 4 01 6 8 黼9 9 2 4 4 袖2 0 9 8 59 8 8 2 5 6 。”l6 7 9 8 3 4 l 7 02 9 3 贽争7 7 9 8 8 03 3 5 4 5钳工o l 9 0 3 7 7 4 59 6 5 5 4 1 0 04 1 9 5 43 5 8 l i ； 表2 一l 母觅，热承鲍焓餐和密度隧温度的变化势举是呈绞馕荚系。嚣 - 1 1 一 燕山大学工学硕士学位论文 此，本系统对焓值和密度进行计算的时候采用插值的方法，即每隔1 0 为 个插值区间。采用焓值法进行热量计算，克服了欧洲标准采用k 系数法 计算流体流量时流量计只能安装在回水管路上的缺点，并且提高了流量测 量准确度。 以上说明了热量表的热量计量躁理，给出了适合我国热量袭所使用的 热量计算公式。可以看出，热量表系统主要是由温度测量部分、流量测量 部分和热量的积算部分所组成。同时本设计还把射频卡应用到系统中来实 现用户先购热后用热的目的，实现了预付费式的热量表。下面就系统中的 几个主要部分的设计进行详细的说明。 2 。2 计算器的选择 计算器的主要功能就是完成流量信号和两路温度信号的采集汇总，然 后进行热量的累积计算。同时，它还要有一些辅助功能，如各种信号的存 储、显示以及按键、阀门、i c 卡模块的控制等等。因此，计算器是整个系 统的核心部分，应选用具有强大的控制和处理能力的智能微处理器芯片。 在电池供电的系统中，微处理器在整个应用系统中对功耗的影响不可 忽视，选用不同的微处理器，功耗是不同的，差别也比较大。 目前各微处理器生产厂家为了抢占低功耗市场，纷纷推出各具独特低 功耗微处理器，如8 0 c 3 1 系列微处理器，p i c 系列微处理器等。在这些微 处理器中，究竟选用哪一种低功耗微处理器比较合适，我们可从以下几个 方面着手选择： 一是微处理器的工作电压。因为功耗与电源电压的平方成正比。降低 电源电压是降低功耗的最有效的途径。可以简单估算一下：其它条件不变 时，电压源由5v 降为3 3v ，功耗将降低近6 0 ，电压源若将低n 2v ，则 功耗将降低8 0 以上。以上数据表明，降低电压将大幅度降低功耗。 二是微处理器提供的几种低功耗模式，如停止c p u 运行、停止数字控 制振荡器( d c o ) 的运行、停止外部晶振。前述三种情况，后一方式较前一方 式大幅降低功耗。 三是依据课题的需要选择集成了自己需要的外围芯片的单片机，尽量 1 2 第2 章热量计量系统的设计 压缩外围硬件电路，降低功耗。现在的微处理器很多都集成了如：a i d ， d a ，f l a s h 等外围芯片。选择这样的芯片相对于另外措建外围电路来说 将很大程度地降低微处理器的功耗。 依据以上所述三原则，现在考虑几种不同单片机在其不同工作模式下 的功耗情况：8 0 c 3 1 系列单片机，正常运行时，电源5v 供电，1 2m h z 时 钟下，耗电1 6 m a ；等待方式时，5 v 供电1 2 m h z 时钟下，耗电3 7 m a ； 省电模式时，2v 供电，时钟停振，耗电5 0i x a 。p i c 系列单片机，正常工 作时，其平均电流为2m a ，睡眠条件下小于o 2m a 。m s p 4 3 0 系列单片机 设计了五种低功耗模式，以利于在各种条件下实现低功耗模式，其性能参 数为：在电源电压为2 2v 、工作频率为1m h z 时、工作电流为1 6 0u a ， 工作频率为4k h z 时、工作电流为l - 3 “a ，在r a m 关闭的低功耗模式中， 工作电流更是低到惊人的程度，仅为o 1n a 。由上述参数对比可知，m s p 4 3 0 系列单片机真正实现了超低功耗，在考虑到外围器件时，它内部自带f l a s h 存储单元、看门狗、a d 等模块，在将低了系统功耗的同时也降低外围电 路复杂程度。 因此，根据实际的工况和厂家所提供的各种低功耗微处理器的性能参 数，本课题的微处理器选择了m s p 4 3 0 系列单片机。在工作电压上，多数 单片机的工作电压都为5v 且范围较窄，而m s p 4 3 0 系列单片机的工作电 压范围很宽，为1 8 3 6v ，并且系统的功耗极低，其正常：】二作时的平均电 流消耗大约在4 0 0 a 左右，特别适合于采用于电池供电的系统。 m s p 4 3 0 支持多种工作模式，这几种工作模式通过模块的智能化运行管 理和c p u 的状态组合以先进的方式支持超低功耗的各种要求。c p u 内状态 寄存器s r 中的s c g l 、s c g 2 、o s e o f f 和c p u o f f 与功耗有关，可以组合 成6 种工作模式： ( 1 ) 活动模式( a m ) 正常的工作模式，c p u 和时钟处于活动状态，这时 单片机消耗的电能最大。 ( 2 ) 低功耗模式0 ( l p m 0 ) c p u o f f 置位，c p u 停止活动，但外围模块 继续工作，a c l k 和m c l k 信号保持活动，m c l k 的锁频环控制正常工作。 有关控制位设置为：s c g i = 0 ，s c g 0 = 0 ，o s c o f f = 0 ，c p u o f f = i 。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 低功耗模式i ( l p m l ) c p u o f f 置位，c p u 停止活动，但外围模块 继续一l 作，m c l k 的锁频环控制停止工作。a c l k 与m c l k 保持活动。有 关控制位设迸为：s c g l = 0 ，s c g 0 = i ，o s c o f f = 0 ，c p u o f f = t 。 ( 4 ) 低功耗模式2 ( l p m 2 ) c p u o f f 置位，c p u 停止活动，但外围模块 继续工作，m c l k 的锁频环控制停止，a c l k 活动，m c l k 停止。有关控 制位设爱为：s c g l = l ，s c g 0 = 0 ，o s c o f f = - o ，c p u o f 卑l 。 ( 5 ) 低功耗模式3 ( l p m 3 ) c p u o f f 置位，c p u 停止活动，但外围模块 继续工作，m c l k 的锁频环控制和m c l k 停止工作，d c o 的d c 发生器关 闭，但a c l k 信号仍保持活动。有关控制位设置为：s c g i = i ，s c g 0 = i ， o s c o 肛0 ，c p u o f f = - 1 。 ( 6 ) 低功耗模式4 ( l p m 4 ) c p u o f f 援位，c p u 停止活动，但外围模块 继续工作，m c l k 的锁频环控制和m c l k 停止工作，晶振停止。有关控制 位设置为：s c g l - - x ，s c g 0 - - x ，o s c o f f = l ，c p u o f 牛- i s 1 。 不同工作模式对应的典型电源消耗如图2 2 所示。 工作模式 图2 - 2m s p 4 3 0 单片机的工作模式和工作电流关系 f i g u r e2 - 2c u r r e n tc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n tl p m 2 3 温度测量 热量表的温度测量系统是把两个温度传感器分别放入用户换热器的入 1 4 第2 章热量计赶系统的设计 水f 1 和回水i ：1 的热水中，将其测得的温度信号传给后面的温度处理电路。 温度测量是热量表的重要组成部分。测量原理如图2 3 所示。 i 进水温度传感嚣 _ 一 二三茎鎏至霍三二卜- - 二三 单片机 图2 - 3 温度测量原理幽 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 2 3 1 传感器的选择 现阶段的接触式温度测量领域中，可以用来测量温度的敏感元件有许 多种，其中热电偶和热电阻是应用最广泛的测温元件。 ( 1 ) 热电偶它是用两种不同成分的导体焊接在一起，两端温度不同时， 在回路中就会有热电势产生，因此它是- - e e 变换器，能将温度信号赢接转 变为电信号。热电偶具有结构简单、价格低廉、热响应快、测温范围广等 优点，但它的精度、重复性和稳定性等都比热电阻传感器低；同时还要对 它还耍进行冷端补偿，而且冷端温度难以保持恒定，造成测量不准。 ( 2 ) 热电阻它的测温原理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而 变化的特性来测量温度的。常用的热电阻有铜热电阻，铂电阻和镍热电阻。 热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。电阻温度计 有测量精度高，性能稳定，灵敏度高，应用范围广等优点。 热电阻的电阻值与温度的关系为： r ，= 月n ( 1 + 彳，+ 厨2 十c f 3 + - )( 2 1 0 ) 式中：r o - - 0 时热电阻的电阻值 删，r ，t 时热电阻的电阻值，f 一坡 测介质的温度 ，a 、b 、c 为温度系数吲。 绝大多数金属的电阻温度系数并不是常数，但在一定的温度范围内可 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 取平均值。另外，金属材料的纯度对电阻温度系数影响很大。如果要使温 度传感器具有较高的灵敏度，热电阻材料需要有较大的电阻温度常数。一 般纯金属的电阻温度系数较大，也易于复制。所以，目前应用最。泛的热 电阻材料是铂和铜，并已被制成标准化的热电阻。 铜电阻的电阻值与温度的关系是非线性的。它的电阻温度系数比较大， 且材料易提纯，价格比较便宜。其缺点为电阻率低，易于氧化，敞只适用 于温度不高，对传感器体积无特殊要求的场合。 铂电阻有很好的稳定性和测量精度，测温范围宽，性能可靠。在氧化 性环境中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定。其缺点为价格较 贵。但是随着薄膜铂电阻生产技术发展，它在0 - - 2 0 0 范围内的稳定性完 全可以与绕线式温度传感器相比，而它的价格要比绕线式传感器便宜很多， 具备大批量生产的优势。因此铂电阻是一种性能非常优良的温度传感器 3 3 1 。 f 是由于铂热电阻在氧化介质和高温下的物理化学性能极其稳定，易 于提纯，工艺性好，可拉成极细的丝这些特性，它除用作一般的工业测温 外，更重要的是在国际应用标准中，它被作为从- 2 5 9 3 4 6 3 0 7 4 温度范 围内的温度基准。 欧洲标准热量表的第二部分“对设计的要求”中规定：作为热量表的 部件，温度传感器必须采用铂电阻作为测温元件，并且配对使用。所以热 量表温度传感器使用铂电阻是最合适的。 国际上普遍采用的是铂薄膜热电阻，其型号有p t l 0 0 、p t s o o t l p t l 0 0 0 ( 数 字表示0 时的电阻值) 。 热量表所使用的铂电阻温度传感器是一个对性能要求非常高的元器 件，只有选择性能优良的铂电阻温度传感器，按正确的方法使用，才能使 热量表测量出正确的热量值。保证热量表计量热量时的正确性和可靠性， 这对保证整个热计量收费体系的正常运转是非常重要的。 2 1 3 2 传感器信号转换 铂电阻阻值随温度的变化而变化，但是，在热水流体的整个温度变化 范围内，铂电阻的阻值变化并不大。因此，在使用铂电阻传感器时，精确 一1 6 第2 章热量计量系统的设计 测量微小电阻的变化是十分关键的。 测量电阻变化的一种方法是强迫恒定电流通过电阻式传感器并测量电 压输出。这既需要精确的电压源，