摘要 
      本文論述了水暖供熱系統(tǒng)的熱量計(jì)量以及與之相適應(yīng)的熱量計(jì)量計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)；給出了所研制的家用水暖供熱計(jì)量裝置一暖氣表以及水暖供熱自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)二者的原理、結(jié)構(gòu)和框圖。

　　關(guān)鍵詞 供熱 計(jì)量 計(jì)算機(jī)

1 供熱計(jì)量
      隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的拓展，矛盾日漸突出的北方采暖供熱問(wèn)題，迫切地需要有一個(gè)好的安裝于城鎮(zhèn)居民家中的供熱計(jì)量裝置和一個(gè)好的小區(qū)供熱計(jì)量計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。有了科學(xué)的計(jì)量手段，可以充分地利用經(jīng)濟(jì)杠桿促使用戶合理用熱，避免浪費(fèi)，以促進(jìn)城市供熱系統(tǒng)發(fā)展的良性循環(huán)。多用熱，多交錢；少用熱，少交錢。用戶長(zhǎng)時(shí)間外出、無(wú)人的房間可以少開(kāi)或開(kāi)至以設(shè)施不被損壞不凍結(jié)為限的用熱本底數(shù)，借以合理利用資源，合理收費(fèi)。有了科學(xué)的計(jì)量手段，還可以使供熱部門對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)地管理，及時(shí)了解系統(tǒng)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)、管線和用戶的故障。目前，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)都采用或改為采用水暖供熱，也就是用熱水做為熱量傳送的載體。為此，我們研制了適用于水暖供熱系統(tǒng)的供熱計(jì)量裝置及計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，即安裝于用戶家中的暖氣表及設(shè)于居民小區(qū)中的水暖供熱自動(dòng)計(jì)量計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。暖氣表，確切地說(shuō)應(yīng)被稱為熱量計(jì)，但考慮到稱謂的習(xí)慣，在此仍暫稱其為暖氣表，而且盡管它是用于水暖系統(tǒng)。本系統(tǒng)為供熱部門提供了強(qiáng)有力的供熱計(jì)量手段，使供熱部門能科學(xué)地有效地對(duì)供熱進(jìn)行計(jì)費(fèi)，對(duì)供熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。
      暖氣表是個(gè)具有計(jì)量和顯示功能的獨(dú)立裝置。根據(jù)需要，它也可以與計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)聯(lián)結(jié)而單獨(dú)銷售和使用。自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)是個(gè)通用的系統(tǒng)，它除了對(duì)暖氣表可實(shí)行遠(yuǎn)程計(jì)費(fèi)管理外，還可在供熱計(jì)量的同時(shí)對(duì)水、電、煤氣等進(jìn)行計(jì)費(fèi)管理，也可加掛消防、報(bào)警等信號(hào)。有了自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，可以做到各種表計(jì)抄表不入戶，科學(xué)公正計(jì)量，節(jié)省了人力，免除了抄表的治安隱患等。該系統(tǒng)還可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2 系統(tǒng)
      本水暖供熱自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)，包括暖氣表、主機(jī)和計(jì)算機(jī)三部分，它們之間的聯(lián)結(jié)如圖1所示。
      暖氣表，安于暖氣用戶家中，不論用戶家中安裝有幾只暖氣，原則上每戶都可只安裝一只暖氣表。暖氣表用兩只溫度傳感器分別測(cè)量入戶水進(jìn)水溫度和出水溫度，用一只傳感器測(cè)量水的流量，三個(gè)信號(hào)在暖氣表中進(jìn)行處理和運(yùn)算后得到用戶的用熱量Q。暖氣表裝有8位的液晶顯示器，時(shí)刻顯示著用戶的累計(jì)用熱量多少，并將累計(jì)用熱量隨時(shí)報(bào)送主機(jī)。暖氣表本身具有計(jì)量顯示和輸出遠(yuǎn)傳脈沖信號(hào)功能，因而它也可做為獨(dú)立產(chǎn)品銷售，或根據(jù)客戶的需要構(gòu)成各式各樣的抄表收費(fèi)系統(tǒng)或IC卡表等。
     主機(jī)，負(fù)責(zé)接收各暖氣表送來(lái)的數(shù)據(jù)信息和工作信息，管理各暖氣表，并向各暖氣表送電。所有的暖氣表均并聯(lián)掛接在由二根線構(gòu)成的總線上，這二根線（一信一地）既是通訊總線又是主機(jī)向暖氣表供電的電源線。一臺(tái)主機(jī)可管理256只或512只暖氣表。
      計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)多臺(tái)主機(jī)送來(lái)的各用戶的各種信息進(jìn)行加工處理、統(tǒng)計(jì)顯示、打印報(bào)表、費(fèi)用結(jié)算等

3 暖氣表
      暖氣表由熱量表、進(jìn)水溫度傳感器（Tr1）和出水溫度傳感器（Tr2）三部分組成。兩溫度傳感器以AD590作為感溫元件。為使AD590能與被測(cè)水溫溫度一致，減小誤差，AD590需安裝在導(dǎo)熱環(huán)上。兩溫度傳感器導(dǎo)熱環(huán)分別牢靠地固定在暖氣入戶總水管的進(jìn)水管（熱端）和出水管（冷端）上。兩溫度傳感器用雙芯屏蔽電纜與熱量表相接，熱量表再通過(guò)二線制的總線與主機(jī)相聯(lián)。熱量表設(shè)8位的LCD顯示器，顯示本用戶的熱量消耗累計(jì)值，單位MJ（兆焦耳）。
      暖氣表內(nèi)部的聯(lián)接及其電路框圖如圖2所示。圖中，L是我們專門研制并已批量生產(chǎn)的采用感應(yīng)式原理的流量傳感器，外形及尺寸與現(xiàn)有普通水表相同。它能將暖氣管道中所流熱水的瞬時(shí)流量Lt轉(zhuǎn)換成與之成比例的電脈沖頻率FL，經(jīng)整形后送單片機(jī)2051。
      溫度傳感器Tr1、Tr2送來(lái)的溫度信號(hào)取差放大后，經(jīng)V-F電路變換成與被測(cè)溫差⊿T成比例的電脈沖頻率信號(hào)FT后送單片機(jī)2051（參見(jiàn)圖2）。其中
⊿T=T1-T2
式中： T1——溫度傳感器Tr1所檢測(cè)到的暖氣用戶的進(jìn)水溫度；
T2——溫度傳感器Tr2所檢測(cè)到的暖氣用戶的出水溫度。
      2051將FL與FT相乘，得到相對(duì)應(yīng)的用戶所消耗的熱量。2051通過(guò)輸入輸出電路，“收聽(tīng)”系統(tǒng)主機(jī)對(duì)暖氣表的巡呼。當(dāng)呼叫的地址碼與該戶暖氣表的地址碼相同時(shí)，2051通過(guò)輸入輸出電路發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，接著報(bào)送出該戶暖氣表的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)：熱量消耗值，KJ數(shù)。用戶的熱量消耗累計(jì)值，由2051驅(qū)動(dòng)用8位的LCD就地顯示。為保證單片機(jī)2051程序絕對(duì)不跑飛，電路中設(shè)置了強(qiáng)制周期復(fù)位式的看門狗電路。暖氣表中設(shè)有電源電路，以保證電路和傳感器對(duì)供電質(zhì)量的需要。暖氣表的全部電子電路和顯示器都安裝在熱量表中。熱量表通過(guò)總線與主機(jī)相聯(lián)，其中的一根信號(hào)線掛接在系統(tǒng)主機(jī)總線的信號(hào)線上，熱量表的另一根線為地線，接在水表表殼上并同總線的地線相接。
4 系統(tǒng)通訊
      各戶暖氣表與系統(tǒng)主機(jī)間的通訊以及流量傳感器技術(shù)，是“水暖供熱自動(dòng)計(jì)費(fèi)計(jì)機(jī)管理系統(tǒng)”的兩個(gè)關(guān)鍵。
      各戶表與主機(jī)間通訊，目前有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式和總線式兩大類通訊方式。前者，每個(gè)檢測(cè)量的數(shù)據(jù)由獨(dú)立的通訊線路送給主機(jī)，各戶表與主機(jī)間的聯(lián)接線路較多，施工不便，主機(jī)管理的表數(shù)也因此受到限制。后者，又分二總線制、三總線制及多總線制。本系統(tǒng)中采用“一信一地”式的二總線制，主機(jī)與各表間的通訊、供電全部由這兩根導(dǎo)線完成。各戶暖氣表不設(shè)電源，統(tǒng)一由主機(jī)集中供電，提高了供電的可靠性，也使各戶暖氣表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
      為了能使通訊、供電合一，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，主機(jī)與各暖氣表間的通訊采用了我們自行研制開(kāi)發(fā)的二總線制通訊方式。主機(jī)發(fā)出方波脈沖送至總線上，其波形如圖4所示。正半周期用來(lái)為各暖氣表供電，負(fù)半周期用來(lái)完成主機(jī)與暖氣表之間的通訊。

　　通訊協(xié)議如下：
　　1） 每個(gè)長(zhǎng)脈沖后開(kāi)始一次對(duì)暖氣表的巡呼。長(zhǎng)脈沖后的短脈沖為地址碼。第1個(gè)短脈沖n1表示呼叫第1號(hào)暖氣表，第I(I<256)個(gè)短脈沖表示呼叫第I號(hào)暖氣表，直至下一個(gè)長(zhǎng)脈沖的到來(lái)完成一次呼叫循環(huán)。
　　2） 每個(gè)暖氣表在接收到對(duì)應(yīng)的地址碼呼叫后，在該次呼叫脈沖的負(fù)半周時(shí)間內(nèi)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)和1位二進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)信號(hào)。
　　3） 緊相連的連續(xù)兩個(gè)長(zhǎng)脈沖構(gòu)成一個(gè)雙長(zhǎng)脈沖信號(hào)，作為數(shù)據(jù)傳輸起始位的標(biāo)志。雙長(zhǎng)脈沖及雙長(zhǎng)脈沖后的長(zhǎng)脈沖N1，N2，…，Nj，…，Nn所對(duì)應(yīng)的每次呼叫循環(huán)，依次傳輸各暖氣表向主機(jī)所傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)的D1，D2，…，Dj，…Dn位。也就是各暖氣表的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)N次呼叫循環(huán)才能全部傳送至主機(jī)。N次呼叫循環(huán)結(jié)束后，主機(jī)又發(fā)出1個(gè)雙長(zhǎng)脈沖，各暖氣表又開(kāi)始向主機(jī)傳送一組新的二進(jìn)制數(shù)，將主機(jī)中的數(shù)據(jù)刷新。
　　4） 第I號(hào)暖氣表處于Nj長(zhǎng)脈沖后的呼叫循環(huán)中時(shí)，在ni個(gè)脈沖負(fù)半周時(shí)間內(nèi)向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)和第j位數(shù)據(jù)信號(hào)。
　　5） 長(zhǎng)脈沖的周期為10τ,短脈沖的周期為6τ。短脈沖的負(fù)半周期長(zhǎng)為3τ，其中負(fù)半周起始的0.5τ為準(zhǔn)備時(shí)間，接著的1τ時(shí)間暖氣表用來(lái)向主機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，以表明暖氣表的工作、以及暖氣表與主機(jī)間的聯(lián)線是否正常。再接著的1τ時(shí)間，暖氣表用來(lái)向主機(jī)傳送被測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的一位二進(jìn)制數(shù)，最后的0.5τ時(shí)間為結(jié)束收尾時(shí)間。
     系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為6位十進(jìn)制數(shù)（000000-999999），對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)共為20位。取τ等于工頻周期，即τ=20ms。掛在一個(gè)系統(tǒng)主機(jī)上的暖氣表個(gè)數(shù)為最大值，256（FFH）個(gè)時(shí)，則主機(jī)接收各暖氣表傳輸來(lái)的一組新數(shù)據(jù)的時(shí)間需要10.3min。這對(duì)于計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是足夠了。
總線輸出的供電功率為25W。
5 系統(tǒng)功能
      本系統(tǒng)主機(jī)將采集到的信號(hào)加工處理后送PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)信息進(jìn)行加工處理以完成下述的一些任務(wù)。本系統(tǒng)中各部分也可單獨(dú)使用，這為在設(shè)有智能終端板的高級(jí)住宅中進(jìn)行供熱計(jì)費(fèi)計(jì)量提供了方便。
　　5.1計(jì)費(fèi)
   　　計(jì)費(fèi)是本系統(tǒng)的主要任務(wù)。本系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)公式如下
    F=AQ×Q+FA (1)
    式中：F ——用戶應(yīng)向物業(yè)部門所交付的總費(fèi)用；
          AQ——用熱費(fèi)用系數(shù)；
          Q ——用戶用熱量，千焦?fàn)枺↘ J）；
          FA——附加費(fèi)用
    PC機(jī)根據(jù)物業(yè)管理部門的要求，將各用戶應(yīng)繳的費(fèi)用顯示、打印制表或轉(zhuǎn)帳等。由式（1）看出，物業(yè)部門收取用戶的費(fèi)用由二部分所組成：用熱費(fèi)和附加費(fèi)。
    用戶暖氣從供熱系統(tǒng)得到的熱量Q為
          Q=4.1868·m·⊿T （2）
式中：m——累計(jì)水流量，千克（kg）：
流量傳感器轉(zhuǎn)換關(guān)系為
N=KL·m （3）
式中：N——流量傳感器輸出的電脈沖個(gè)數(shù)，赫茲·秒（HZ.S）：
t1，t2——為計(jì)費(fèi)時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)；
KL.——流量傳感器系數(shù)，赫茲.秒/千克（HZ.S/kg）
溫度傳感器及電路的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
F=KT.⊿T （4）
式中：F——與溫度差⊿T相對(duì)應(yīng)的頻率，赫茲（HZ）；
KT——溫度傳感器與電路溫度的頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，赫茲/度（HZ/℃）
由式2、3和4得N和F的乘積S，單位為赫茲平方秒（HZ2.S）。
S=K.Q （5）
式中：

    通過(guò)式（5）計(jì)算得用戶用熱消耗量Q，由暖氣表中的LCD顯示出其累計(jì)值，并在主機(jī)呼叫時(shí)將其數(shù)值報(bào)送主機(jī)。

　　5.2系統(tǒng)監(jiān)控
     通過(guò)對(duì)各暖氣表所報(bào)送的數(shù)據(jù)的分析，可隨時(shí)了解供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中的問(wèn)題，例如，管路有熱損失、泄漏或是有用戶表前竊熱等，此時(shí)本系統(tǒng)將會(huì)提示操作人員注意。
對(duì)拖欠費(fèi)用的用戶，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)還可計(jì)算其滯納金。

　　5.3優(yōu)質(zhì)服務(wù)
      將模糊技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中去，利用熱量計(jì)量的既往數(shù)據(jù)和供熱總表的數(shù)據(jù)可使監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確，熱量計(jì)量管理系統(tǒng)更加科學(xué)和完美。例如，通過(guò)隨時(shí)采集到的瞬時(shí)熱流量，利用計(jì)算機(jī)可判斷出供熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)壓力參數(shù)變化的情況，以保障供熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不間斷地按質(zhì)接量地向用戶供熱。當(dāng)發(fā)生意外停止供熱時(shí)，或水質(zhì)、水壓、溫度及所供熱量達(dá)不到要求時(shí)，物業(yè)管理部門應(yīng)該向用戶做出適當(dāng)?shù)馁r償。為此，自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)對(duì)此可做出相應(yīng)的記載。

　　5.4管理系統(tǒng)的功能擴(kuò)充
      利用“暖氣自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)”的完善的軟硬件資源條件，在其上可掛接其它的信息信號(hào)，例如，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警信號(hào)，室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)，防竊報(bào)警，事故呼救等等。這樣，大大提高了本系統(tǒng)的利用率。

6 系統(tǒng)聯(lián)接
      系統(tǒng)聯(lián)接的示意圖如圖4所示。流量傳感器的外殼、聯(lián)接及聯(lián)接尺寸與同規(guī)格的水表相同；溫度傳感器的外部尺寸和聯(lián)接，與同管徑的“水管三通”完全相同。熱量表的外形尺寸為120×80×40mm，它可懸掛在住戶的墻壁上，也可掛在住戶家外的走廊上。聯(lián)接電纜均為單芯屏蔽電纜，無(wú)頻帶寬度的要求。主機(jī)的尺寸小于370×250×130mm，可無(wú)人值守。
      根據(jù)客戶要求還可生產(chǎn)顯示器和電子電路都安裝于流量傳感器內(nèi)部的暖氣表。這種顯示器與流量傳感器成一體的暖氣表，單獨(dú)銷售，用來(lái)與用戶自行開(kāi)發(fā)的住宅智能系統(tǒng)相配套。
      對(duì)于有多根進(jìn)出水管（沒(méi)設(shè)總進(jìn)水管）的部分老住房，每根水管上都須加溫度傳感器，每根出水管上要加裝流量傳感器，而熱量表共用，不必另外增加。


　　參考文獻(xiàn)
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