【論文摘要】 以集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)為應(yīng)用對象，開發(fā)研制了一套熱量計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機MCS51為主體，附加外部晶振電路以及復(fù)位電路組成的模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、 外置時鐘及流量測量模塊、鍵盤及顯示模塊等組成，借助軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集、運算、處理以及存儲等，實現(xiàn)了智能化。校驗實驗表明；該系統(tǒng)具有啟動流速低、精度高、自動化程度高、運行穩(wěn)定、在流速大于啟動流速后，誤差小于4%。該系統(tǒng)的開發(fā)研究對集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)的市場化運行管理具有重要意義。
引 言
在集中供暖和中央空調(diào)使用收費過程中，目前仍按建筑面積計算，該方式已不適應(yīng)市場化管理的要求，迫切需要對用戶消耗的熱（冷）量進行相應(yīng)的計量，以維護用戶和供暖（冷）雙方的利益，但目前未見該類似儀表 的廣泛使用。這是由于熱量計量存有困難，使該類儀表和開發(fā)受到限制。首先，因為熱量屬于過程量，在實驗或工程測量中，傳統(tǒng)測量方法對過程量的計量本身存在較大的難度，而且存在測量誤差大，修正因素多等問題。事實上，傳統(tǒng)測量方法無法滿足對熱量的精確計量，但隨著計算機以及信號處理技術(shù)在熱工參數(shù)測量中的廣泛應(yīng)用，熱工測量儀表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計算機軟、硬件相結(jié)合的優(yōu)勢可實現(xiàn)熱量的精確計量。
在理論上，熱流率的測量在穩(wěn)定流動中可以歸結(jié)為流體質(zhì)量流量與其溫差以及定壓比熱的乘積，即；
在實驗中對熱流率的測量主要采取直接法，并假設(shè)流體定壓比熱恒定不變，即簡化為質(zhì)量流率與其溫差的測量，要對熱量進行計量就必需連續(xù)對熱流率進行測量并累加求和。該類計量儀表的研究對供暖通風(fēng)、能源利用、實驗研究等領(lǐng)域具有重要意義，但該類儀表的開發(fā)研究比較困難，以集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)用熱量計量儀表為 例分析，存在如下問題需要解決；
①供暖系統(tǒng)中，流體流動速度較低，質(zhì)量流率較小，如何對供暖系統(tǒng)小流率流體的精確測量存在一 定難度。
② 進、出口溫差的測量要保證一定精度，同時要保證溫差與質(zhì)量流率的測量同步并存儲有關(guān)數(shù)據(jù)；而且系統(tǒng)的溫度（差）波動較大，測點的確定、安裝等實際問題較多，極難處理。
③ 即使能夠?qū)崿F(xiàn)對小流速換熱流體與溫差的同步測量，某一τ時刻的熱流率可以用理論公式；
利用傳統(tǒng)的測量方法完成上式的累計計量也是機極其困難的。
基于以上問題，要實現(xiàn)對熱量的精確計量，只有充分發(fā)揮微型計算機的軟、硬件結(jié)合優(yōu)勢，實現(xiàn)對小流量、小溫差的測量以及數(shù)據(jù)的存儲、計算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機系統(tǒng)具有易開發(fā)、功能強、體積小、價格便宜等特點，開發(fā)了一套熱量計量儀，實驗證明 ：該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、功能強、自動化程度高、易于維護保養(yǎng)等特點。
研究與開發(fā)
在熱能工程及材料科學(xué)的研究和生產(chǎn)過程中對熱量的測量一般采用間接法，該類儀表大多僅是對熱流進行測量，目前工業(yè)化的產(chǎn)品有輻射式熱流計、熱阻式熱流計等，該類儀表均需實驗標定儀表常數(shù)，存在誤差大，測量滯后等缺點，本文以熱量理論計算式的離散化方程式為基礎(chǔ)，充分利用MCS51單片機系統(tǒng)具有易開發(fā)，軟硬件結(jié)合的優(yōu)勢，實現(xiàn)了熱量的智能化計算，結(jié)合熱量測量的難點，使該智能化儀表很好的實現(xiàn)了以下功能；
（1） 溫差的測量，該功能由兩級放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、有關(guān)采集軟件完成。
（2） 小流量的測量，主要靠磁電感應(yīng)元件將流量信號轉(zhuǎn)化為標準頻率信號，由MCS51單片機及有關(guān)采集軟件，實現(xiàn)頻率信號的累計計量。
（3） 熱量的累計計算以及數(shù)據(jù)的存儲功能，主要由軟件和相應(yīng)的寄存器來完成。
（4） 斷電保護功能，系統(tǒng)由于外部斷電，重要數(shù)據(jù)將被寫入有關(guān)存儲器并保存，系統(tǒng)自備電源將開始工作，并開始記錄斷電開始時間以及來電時間，來電后將自動將斷電時間累加后存入外置RAM內(nèi)存儲。
（5） 顯示功能，無論用戶還是供暖公司均可通過儀表的顯示功能了解有關(guān)數(shù)據(jù)信息。
（6） 清零功能，供暖周期結(jié)束時供暖公司可以對儀表進行清零，以便于管理。
為實現(xiàn)儀表的以上功能，系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成 ：由單片機MCS51為主附加外部晶振電路以及復(fù)位電路組成的基本模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時鐘及流量測量模塊、鍵盤及顯示模塊等，系統(tǒng)件組成見圖1，其中各模塊的組成以及主要實現(xiàn)的功能如下：
單片機MCS51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的處理，協(xié)調(diào)其他模塊的工作，使整個系統(tǒng)步調(diào)一致的工作，選用的芯片是8051型單片機，具有5個內(nèi)部中斷，4K的ROM程序存儲器，使用極為方便，外部晶振選用12HZ ，復(fù)位電路主要是為熱量計運行管理方便而設(shè)計的，與鍵盤的功能復(fù)位鍵相連。
系統(tǒng)電源模塊：主要完成向系統(tǒng)供5V標準直流工作電壓，包括系統(tǒng)中單片機、運放、LCD顯示以及A/D轉(zhuǎn)換的工作電壓以及標準比較電壓等均由此電源提供，該電源的精密程度對整個系統(tǒng)的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓管和比較電路組成 ，該電源輸出的電壓由6.5位的KEITHLEY2000多功能表測量得到其輸出范圍可穩(wěn)定在 ：4.9999-5.0001V，其精度是極高的，作為基準電壓對系統(tǒng)造成的誤差可以忽略不計。
放大以及A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要功能是完成對熱電偶的信號進行放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入相應(yīng)的寄存器，進行相關(guān)的計算。該模塊的精度直接影響系統(tǒng)的測溫精度，是產(chǎn)生溫度測量誤差的主要來源，因此放大器件的選擇主要考慮其精密程度、抑制零漂能力、自校準情況等性能，在系統(tǒng)中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調(diào)試過程中放大5000倍時起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0 ～ 100℃范圍內(nèi)熱電勢36 μV/ ℃，可以出由于 零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區(qū)間為0～70℃，屬于8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，易于和微處理器接口連接，該器件的分辨率及量化誤差是影響溫度測量精度的重要原因，以銅-康銅熱電偶以及測量放大倍數(shù)可知由于分辨率及量化誤差而引起的最大誤差不大于0.2℃，因此由于放大以及A/D轉(zhuǎn)換而引起的溫度測量誤差合計不大于0.6℃，相對于一般供暖系統(tǒng)的設(shè)計溫差20℃而言，由于上述原因而引起的最大誤差不大于3%，這一精度是比較高的。
外置RAM及電壓監(jiān)控模塊：外置RAM主要完成對重要數(shù)據(jù)的存儲，尤其在系統(tǒng)掉電的情況下對所采集的熱量值進行存儲以及掉電時間進行記憶，便于管理，其主要芯片是X24C45，該芯片具有非易失性，便于在線寫入等特點。電壓監(jiān)控電路主要完成的功能是 ：在主電源失效時將備用電池自動接入電路，當主電源恢復(fù)時將備用電池斷開，以達到保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門狗定時器以及降壓檢測的μP監(jiān)控電路。
外置時鐘及流量測量模塊：主要完成對單片機的運算提供時間記數(shù)以及斷電時使用電池電源繼續(xù)工作，為記錄斷電時間提供時鐘，主要芯片是DSI302，屬于點滴式充電記時芯片，流量測量電路主要完成流量信號的轉(zhuǎn)換及測量，流體流動 經(jīng)過磁電感應(yīng)器、光電耦合器等轉(zhuǎn)換成頻率信號，送入單片機并記錄累加，完成流量的測量，該部分是熱量測量產(chǎn)生誤差的主要來源之一，關(guān)鍵是流量信號轉(zhuǎn)換過程中，頻率信號與流量的對應(yīng)常數(shù)的標定，以及最小流量的影響。
鍵盤及顯示模塊：鍵盤主要完成的功能包括清零復(fù)位，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、查詢寄存器重要的即時值等，顯示功能是將經(jīng)過單片機計算累加的熱量值顯示出來，是系統(tǒng)功耗的主要來源，所以選用LCD液晶顯示器，具有功耗小，易于與單片機連接的CC14544芯片。
（1） 在正常通電開始工作的情況下，首先進行系統(tǒng)自檢，自檢完畢，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫差同時讀取計數(shù)器的頻率值（讀取數(shù)值后即時將計數(shù)器復(fù)位）并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量值，進行熱量的計算，從外部的RAM讀取累計存儲的熱量值與測的熱量值進行累加，累加后送回外部的RAM存儲，完成一個測量循環(huán)。
（2） 在突然斷電非正常情況下，電壓監(jiān)控電路開始工作，提供短時電源使得單片機把重要數(shù)據(jù)和外部時鐘的數(shù)值記錄到外部RAM中，同時系統(tǒng)開始記錄時間，以便電源恢復(fù)正常時，系統(tǒng)進行(1)的工作內(nèi)容，并記錄下停電時間的累加值。
（3） 軟件對溫漂和時漂的自動測量及消除，在軟件中設(shè)置測量各傳感器的零點值并存為數(shù)據(jù)文件，在熱量計量計算中減除該對應(yīng)傳感器的零值，可以有效的消除溫漂和時漂的影響，提高了傳感器的測量精度及系統(tǒng)總體精度。
精度的實驗校驗及應(yīng)用
熱量計的外形尺寸130×130×40mm，液晶顯示，保證熱量計的精度是熱量計開發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，對其精度進行 校驗是開發(fā)研究的重要內(nèi)容，圖3是校驗實驗臺，主要完面熱量計在小流量工況下性能標定，實驗過程如下：水流經(jīng)1.5級的水表計量后經(jīng)過電加熱升溫后，進入流量變送器將流量信號轉(zhuǎn)化為光電信號將信號送入熱量進行計數(shù)，流體進入散熱器，經(jīng)強制對流換熱后流入標準容器。在散熱器前后各設(shè)置溫度測點，除由熱量計測量經(jīng)放大的電壓信號外，還用6.5位的KEITHLEY2000多功能表測量了未經(jīng)放大的熱電偶輸出信號，作為熱量計溫差測量的 校驗信號。流量的校驗主要是由水表、流量頻率變送器、頻率信號測量并轉(zhuǎn)化為流量，測得流量值與標準容器得的數(shù)值比較，計算其測量誤差，其中實驗中主要集中在小流量區(qū)。實驗數(shù)據(jù)見表1（表中qi代表流量值）。
表1 流量計校驗實驗數(shù)據(jù)表
水流速
(m/s)
水表示值(q2)(m3)
熱量計示值(q2)(m3)
標準容器示值(q3)(m3)
相對誤差
δ1 δ2
流量計溫差(T1)
萬用表溫差(T2)
溫差測量相對誤差(%)
熱量計總體誤差(%)
0.1886 0.0023 0.0029 0.0032 28.1 9.4 29.8 30.1 0.997 10.4 0.2629 0.0032 0.0037 0.0038 15.8 2.6 21.2 21.5 1.4 4.01 0.3772 0.0036 0.0041 0.0042 14.3 2.4 15.3 15.1 1.32 3.72 0.5658 0.0055 0.0058 0.0059 6.78 1.7 10.1 10.2 0.97 2.67 0.7544 0.2279 0.0083 0.0084 5.95 1.2 7.6 7.5 1.33 2.53 0.9430 0.0094 0.0094 0.0095 1.10 1.1 6.1 6.2 1.61 2.73從表中數(shù)據(jù)可以看出：隨著流量的增大，無論是水表還是熱量計測量的流量值越來越精確，其中對熱量計和水表而言都存在著啟動最小流量，但熱量計的啟動流量要比水表的啟動流速要小，分析認為 ：主要是熱量計的啟動阻力比水表要小的多。在熱量計流量大于啟動流速后，其總體誤差小于4%，這一精度滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)對熱（冷）量計量的精度要求。圖4揭示了水表和熱量計的測量相對誤差 ，從圖中可以看出；熱量計的啟動流速較小，隨著流速的增大的測量相對誤差在減小，當流速大于0.9m/s后，水表的測量相對誤差小于熱量計測量相對誤差，這與測量誤差的來源不同有關(guān)，熱量計工作流速大于啟動流速后，誤差主要來自流量變送器和溫度測量的誤差，基本上是恒定的，但總體相對誤差不大于4%，實驗結(jié)果表明；該系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。
結(jié) 論
本文針對熱量過程中存在的問題，開發(fā)了一套熱量計量系統(tǒng)，以滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱量計量，具有廣闊的市場前景，該系統(tǒng)的開發(fā)成功對集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的市場管理具有重要意義。該系統(tǒng)具有；智能化程度高、性能穩(wěn)定、精度高、功能齊全、易于安裝等特點；經(jīng)實驗 校驗表明：
（1）該系統(tǒng)具有啟動流速小的特點，啟動流速小于0.2629m/s，比水表啟動的流速小；而在正常流速下，其總體誤差小于4%，這一精度滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱（冷）量計量的精度要求。
（2） 該系統(tǒng)充分利用單片機具有易開發(fā)等特點，充分利用其強大的軟件處理及數(shù)據(jù)采集運算能力，實現(xiàn)了純機械系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能，達到自動記錄、處理、顯示數(shù)據(jù)等智能化要求，自動修正測溫誤差等功能，降低了硬件成本，有利于市場化。
（3） 外置ROM、電源監(jiān)控以及外置時鐘、電源設(shè)置，使單片機系統(tǒng)具有內(nèi)外資源結(jié)合利用，在停電的情況下系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入計時，為集中供暖、中央空調(diào)的管理提供了極大的便利，數(shù)據(jù)的存儲等功能得到了強化，完全實現(xiàn)了自動化。
（4） 該系統(tǒng)還具有運行部件少、使用壽命長、功耗低、易維護和改型，可以滿足不同的流量測量范圍，易形成系列化生產(chǎn)，同時具有運行穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好等特點。
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