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的流量值，最后應用流量和熱量值得到用戶在一段時間內所消耗的熱值；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、費用結算、報表打印等多項任務。經測試證明，此方案能較好地實現(xiàn)小區(qū)熱費智能計量。
關鍵詞 熱能計費；Pt1000；霍爾流量計

    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，有更復雜的設計和更高的技術含量。研究內容主要包括：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Visual FoxPro的暖氣流量計費管理系統(tǒng)。
    課題的最終目標是建立一套符合現(xiàn)代化智能小區(qū)要求的先進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 結構框圖
    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。暖氣表的結構框圖如圖1所示。

1．2 測熱系統(tǒng)數(shù)學模型的建立
    系統(tǒng)應用傳熱學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為瞬時質量流量，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，通過搜索與其距離最近的點計算相應的極值，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個關鍵常數(shù)憑經驗確定，如果溫度區(qū)間劃分較粗，溫度適應性依然較差。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國際規(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)電路設計
    溫度采集系統(tǒng)電路由橋路、電子開關、前置放大、A／D轉換電路構成。為克服增益、零位等誤差，由電子開關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0．136～0．398 V范圍內，設置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)轉換器在5 V的電源下，滿量程2．5 V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5 V單電源，它有兩個模擬差分輸入通道，參考電壓為2．5 V。另外，AD7705還可直接接收傳感器產生的小信號以進行A／D轉換并輸出串行數(shù)字信號。它采用∑-△技術實現(xiàn)16位A／D轉換。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放大、調制轉換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可編程控制，以便調節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)更新速率。
    AD7705片內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轉換器的滿標度電壓在進行A／D轉換，有利于提高轉換字量。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5 V，片內可編程放大器增益設置為1時，A／D的精度為16位，最小分辨電壓為38．15μV，而Pt1000在30～100℃范圍內每變化1℃時，橋路的輸出電壓變化小于4．25 mV，遠大于AD7705的最小分辨電壓。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)電路設計
3．1 流量采集的理論基礎
    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，其采用多葉片的轉子感受流體平均流速從而推導出流量或總量。轉子的旋轉運動可由機械、磁感應、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，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪隨轉動周期改變磁電轉換器的磁阻值。檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產生周期性的感應電勢，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計
    系統(tǒng)中霍爾開關工作在低頻、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。該型號霍爾開關的特點是溫度穩(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。具體的設計電路如圖4所示。

    為減少熱損失，流量測量儀應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1 s內輸出的脈沖數(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。
    若在每個葉片轉動輪每個的外緣處都安裝一個間隔為90°的磁鋼，則。

4 結束語
    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。