０ 引言
近幾年由于能源緊張，各種能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，空調(diào)是用戶的一個(gè)能源消耗大項(xiàng)，傳統(tǒng)的空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)往往只考慮用電成本或按面積推算，這顯然不太合理。本系統(tǒng)以單總線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)式分戶計(jì)費(fèi)功能。
１ 測(cè)量原理及系統(tǒng)構(gòu)成
１．１測(cè)量原理
熱源供應(yīng)的熱水以較高的溫度流入交換系統(tǒng)（散熱器等），以較低的溫度流出；在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。根據(jù)熱力測(cè)量公式，用戶所獲得的熱量可由下列方程式計(jì)算得出： Ｅ＝∫ Ｋ×（ＴＳ－Ｔｄ）×ｄｖ 式中：Ｅ— 熱交換系統(tǒng)輸出熱量； ＴＳ— 進(jìn)水溫度（Ｔ）； Ｔｄ— 出水溫度（Ｔ）； Ｖ— 一定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)供熱系統(tǒng)的熱水流量（升）。
Ｋ—比重和比熱的修正系數(shù)。
Ｋ值用來對(duì)比重進(jìn)行修正。流量計(jì)測(cè)量的是體積流量，需要換算成適合熱量計(jì)算的質(zhì)量流量，水的比重是隨溫度的變化變化的，所以需要進(jìn)行比重修正。通過Ｋ值也對(duì)比熱進(jìn)行修正，水的溫度所對(duì)應(yīng)的熱量值并非絕對(duì)線形的，因此即使兩個(gè)工況下的供、回水溫差相同，如果供水或回水的溫度不同，相應(yīng)的熱量值也是不一樣的， Ｋ 值是一個(gè)同時(shí)取決于供、回水溫度值的變量。修正系數(shù)Ｋ的引入在熱量計(jì)算中是非常重要的。如果不引入該修正系數(shù)，由此而造成的計(jì)算誤差很大。
１．２ 系統(tǒng)構(gòu)成
如圖１所示，系統(tǒng)由主機(jī)和戶機(jī)構(gòu)成，每個(gè)用戶只安裝一個(gè)戶機(jī)，戶機(jī)由流量傳感器、供水溫度傳感器、回水溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、按鍵模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。為使溫度傳感器能與被測(cè)水的溫度一致，減小誤差，兩溫度傳感器安裝在導(dǎo)熱環(huán)上，并分別固定在空調(diào)的供水管（冷端）和回水管（熱端）上，并敷有絕熱保溫材料，以減少熱損失；電磁閥安裝在進(jìn)水管上，用流量計(jì)測(cè)量熱水的流量，室內(nèi)溫度傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)室內(nèi)溫度，并和已設(shè)溫度相比較，微處理器根據(jù)比較結(jié)果決定電磁閥的啟閉。微處理器根據(jù)進(jìn)水管和出水管溫差和流量計(jì)的值算出向用戶提供的熱量，讀出非易失性存儲(chǔ)器ＡＴ２４Ｃ０１中前一時(shí)間段的熱量值與當(dāng)前值累加，將累加值送顯示模塊顯示，并保存于ＡＴ２４Ｃ０１，在上位機(jī)要求數(shù)據(jù)時(shí)傳送給上位機(jī)。當(dāng)流量計(jì)的讀數(shù)為０時(shí)，計(jì)算出的熱量值為０，微處理器處于休眠狀態(tài)。
圖１ 系統(tǒng)原理圖
３ 器件的選擇
３．１ 流量傳感器
流量傳感器采用旋翼式結(jié)構(gòu)，其原理是： 將翼輪置于被測(cè)流體中，液體沿翼輪的切線方向沖擊使翼輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與流量有如下關(guān)系： Ｑ＝Ｋｎ Ｋ＝４×３．１４１５ＲＡ／ｃｏｓα 式中： Ｑ－液體的流量； ｎ－為翼輪轉(zhuǎn)速； Ｒ－為翼輪半徑； Ａ－為進(jìn)水口的面積； α－為翼輪輪葉與進(jìn)水口的夾角。
當(dāng)Ｒ 、Ａ 和α為定值時(shí)， Ｋ 也為定值。在理想情況下，流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。該傳感器的翼輪上共有７ 片輪葉。每片輪葉上鑲嵌一塊磁鋼，翼輪的上方安裝一塊密封的聚四氟乙烯板， 板面和磁鋼同直徑的位置上有一個(gè)盲孔，用來放置霍爾開關(guān)探測(cè)器。當(dāng)翼輪隨流體流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，７個(gè)磁鋼依次激勵(lì)霍爾開關(guān)，使其發(fā)出電脈沖信號(hào)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比， 頻率信號(hào)經(jīng)過Ｆ／ Ｖ 轉(zhuǎn)換， 輸出所需要的電壓信號(hào)，經(jīng)過標(biāo)定可測(cè)出其流量值。
３．２ 溫度傳感器
溫度傳感器選用可組網(wǎng)式單總線數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
３．３ 單總線Ａ／Ｄ芯片ＤＳ２４５０
ＤＳ２４５０是單總線式４通道逐次逼近式Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，即Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ模擬電壓輸入通道，其輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換精度位數(shù)、報(bào)警門限電壓可編程；每個(gè)通道都有各自的存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門限電壓等參數(shù)（詳細(xì)資料讀者可查看參考文獻(xiàn)［１＞）。ＤＳ２４５０將流量傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給微處理器。
３．４ 液晶顯示模塊ＬＣＭ１２８６４ＺＫ
ＬＣＭ１２８６４ＺＫ是帶中文字庫(kù)圖形的液晶顯示模塊，其功能強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，由于其本身自帶中文字庫(kù)，大大減少了編程的工作量。該模塊主要用來顯示當(dāng)前的時(shí)間、室溫值及熱量值。
３．５ 按鍵模塊
系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)按鍵，按鍵１用來設(shè)置室溫，按鍵２和按鍵３分別為加、減鍵。
４ 工作過程
在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化ＤＳ２４５０、ＤＳ１８Ｂ２０和ＬＣＭ１２８６４ＺＫ，依次發(fā)送每組傳感器的地址（即ＤＳ２４５０和ＤＳ１８Ｂ２０的序列號(hào)），啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，讀取溫度傳感器的值，比較室溫值與設(shè)定溫度值，如相等，則關(guān)熱水管閥門；如不等，則計(jì)算進(jìn)水管和出水管的溫差，讀取Ａ／Ｄ值（即流量傳感器的值），計(jì)算熱量，送液晶顯示模塊顯示并存于非易失性存儲(chǔ)器ＡＴ２４Ｃ２５６內(nèi)，同時(shí)下位機(jī)也可通過ＲＳ－４８５向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，上位機(jī)也可向下位機(jī)傳送命令。
５ 軟件設(shè)計(jì)
圖２為系統(tǒng)的軟件流程圖，由于系統(tǒng)采用單總線協(xié)議，必須嚴(yán)格遵守單總線協(xié)議的時(shí)序．
圖２ 軟件流程圖
６ 結(jié)束語(yǔ)
用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)冷熱表的溫度、流速、熱功率進(jìn)行檢驗(yàn)，溫差誤差小于０．１１５℃， 實(shí)際流量積算誤差小于５％ ， 熱量積算誤差小于２％。
近幾年由于能源緊張，各種能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，空調(diào)是用戶的一個(gè)能源消耗大項(xiàng)，傳統(tǒng)的空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)往往只考慮用電成本或按面積推算，這顯然不太合理。本系統(tǒng)以單總線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)式分戶計(jì)費(fèi)功能。
１ 測(cè)量原理及系統(tǒng)構(gòu)成
１．１測(cè)量原理
熱源供應(yīng)的熱水以較高的溫度流入交換系統(tǒng)（散熱器等），以較低的溫度流出；在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。根據(jù)熱力測(cè)量公式，用戶所獲得的熱量可由下列方程式計(jì)算得出： Ｅ＝∫ Ｋ×（ＴＳ－Ｔｄ）×ｄｖ 式中：Ｅ— 熱交換系統(tǒng)輸出熱量； ＴＳ— 進(jìn)水溫度（Ｔ）； Ｔｄ— 出水溫度（Ｔ）； Ｖ— 一定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)供熱系統(tǒng)的熱水流量（升）。
Ｋ—比重和比熱的修正系數(shù)。
Ｋ值用來對(duì)比重進(jìn)行修正。流量計(jì)測(cè)量的是體積流量，需要換算成適合熱量計(jì)算的質(zhì)量流量，水的比重是隨溫度的變化變化的，所以需要進(jìn)行比重修正。通過Ｋ值也對(duì)比熱進(jìn)行修正，水的溫度所對(duì)應(yīng)的熱量值并非絕對(duì)線形的，因此即使兩個(gè)工況下的供、回水溫差相同，如果供水或回水的溫度不同，相應(yīng)的熱量值也是不一樣的， Ｋ 值是一個(gè)同時(shí)取決于供、回水溫度值的變量。修正系數(shù)Ｋ的引入在熱量計(jì)算中是非常重要的。如果不引入該修正系數(shù)，由此而造成的計(jì)算誤差很大。
１．２ 系統(tǒng)構(gòu)成
如圖１所示，系統(tǒng)由主機(jī)和戶機(jī)構(gòu)成，每個(gè)用戶只安裝一個(gè)戶機(jī)，戶機(jī)由流量傳感器、供水溫度傳感器、回水溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、按鍵模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。為使溫度傳感器能與被測(cè)水的溫度一致，減小誤差，兩溫度傳感器安裝在導(dǎo)熱環(huán)上，并分別固定在空調(diào)的供水管（冷端）和回水管（熱端）上，并敷有絕熱保溫材料，以減少熱損失；電磁閥安裝在進(jìn)水管上，用流量計(jì)測(cè)量熱水的流量，室內(nèi)溫度傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)室內(nèi)溫度，并和已設(shè)溫度相比較，微處理器根據(jù)比較結(jié)果決定電磁閥的啟閉。微處理器根據(jù)進(jìn)水管和出水管溫差和流量計(jì)的值算出向用戶提供的熱量，讀出非易失性存儲(chǔ)器ＡＴ２４Ｃ０１中前一時(shí)間段的熱量值與當(dāng)前值累加，將累加值送顯示模塊顯示，并保存于ＡＴ２４Ｃ０１，在上位機(jī)要求數(shù)據(jù)時(shí)傳送給上位機(jī)。當(dāng)流量計(jì)的讀數(shù)為０時(shí)，計(jì)算出的熱量值為０，微處理器處于休眠狀態(tài)。
圖１ 系統(tǒng)原理圖
３ 器件的選擇
３．１ 流量傳感器
流量傳感器采用旋翼式結(jié)構(gòu)，其原理是： 將翼輪置于被測(cè)流體中，液體沿翼輪的切線方向沖擊使翼輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與流量有如下關(guān)系： Ｑ＝Ｋｎ Ｋ＝４×３．１４１５ＲＡ／ｃｏｓα 式中： Ｑ－液體的流量； ｎ－為翼輪轉(zhuǎn)速； Ｒ－為翼輪半徑； Ａ－為進(jìn)水口的面積； α－為翼輪輪葉與進(jìn)水口的夾角。
當(dāng)Ｒ 、Ａ 和α為定值時(shí)， Ｋ 也為定值。在理想情況下，流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。該傳感器的翼輪上共有７ 片輪葉。每片輪葉上鑲嵌一塊磁鋼，翼輪的上方安裝一塊密封的聚四氟乙烯板， 板面和磁鋼同直徑的位置上有一個(gè)盲孔，用來放置霍爾開關(guān)探測(cè)器。當(dāng)翼輪隨流體流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，７個(gè)磁鋼依次激勵(lì)霍爾開關(guān)，使其發(fā)出電脈沖信號(hào)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比， 頻率信號(hào)經(jīng)過Ｆ／ Ｖ 轉(zhuǎn)換， 輸出所需要的電壓信號(hào)，經(jīng)過標(biāo)定可測(cè)出其流量值。
３．２ 溫度傳感器
溫度傳感器選用可組網(wǎng)式單總線數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
３．３ 單總線Ａ／Ｄ芯片ＤＳ２４５０
ＤＳ２４５０是單總線式４通道逐次逼近式Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，即Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ模擬電壓輸入通道，其輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換精度位數(shù)、報(bào)警門限電壓可編程；每個(gè)通道都有各自的存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門限電壓等參數(shù)（詳細(xì)資料讀者可查看參考文獻(xiàn)［１＞）。ＤＳ２４５０將流量傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給微處理器。
３．４ 液晶顯示模塊ＬＣＭ１２８６４ＺＫ
ＬＣＭ１２８６４ＺＫ是帶中文字庫(kù)圖形的液晶顯示模塊，其功能強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，由于其本身自帶中文字庫(kù)，大大減少了編程的工作量。該模塊主要用來顯示當(dāng)前的時(shí)間、室溫值及熱量值。
３．５ 按鍵模塊
系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)按鍵，按鍵１用來設(shè)置室溫，按鍵２和按鍵３分別為加、減鍵。
４ 工作過程
在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化ＤＳ２４５０、ＤＳ１８Ｂ２０和ＬＣＭ１２８６４ＺＫ，依次發(fā)送每組傳感器的地址（即ＤＳ２４５０和ＤＳ１８Ｂ２０的序列號(hào)），啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，讀取溫度傳感器的值，比較室溫值與設(shè)定溫度值，如相等，則關(guān)熱水管閥門；如不等，則計(jì)算進(jìn)水管和出水管的溫差，讀取Ａ／Ｄ值（即流量傳感器的值），計(jì)算熱量，送液晶顯示模塊顯示并存于非易失性存儲(chǔ)器ＡＴ２４Ｃ２５６內(nèi)，同時(shí)下位機(jī)也可通過ＲＳ－４８５向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，上位機(jī)也可向下位機(jī)傳送命令。
５ 軟件設(shè)計(jì)
圖２為系統(tǒng)的軟件流程圖，由于系統(tǒng)采用單總線協(xié)議，必須嚴(yán)格遵守單總線協(xié)議的時(shí)序．
圖２ 軟件流程圖
６ 結(jié)束語(yǔ)
用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)冷熱表的溫度、流速、熱功率進(jìn)行檢驗(yàn)，溫差誤差小于０．１１５℃， 實(shí)際流量積算誤差小于５％ ， 熱量積算誤差小于２％。
