暖氣分戶計(jì)費(fèi)中溫度與流量傳感器設(shè)計(jì)

摘要 針對熱能費(fèi)收繳困難和按使用面積收費(fèi)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(yuǎn)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(jī)3部分組成；熱能表通過實(shí)時測量Pt1000電橋兩端的電壓差計(jì)算出溫度值，對霍爾流量計(jì)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到用戶在一段時間內(nèi)的流量值，最后應(yīng)用流量和熱量值得到用戶在一段時間內(nèi)所消耗的熱值；測量數(shù)據(jù)通過CAN總線可以傳給上位機(jī)，由上位機(jī)的管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、費(fèi)用結(jié)算、報(bào)表打印等多項(xiàng)任務(wù)。經(jīng)測試證明，此方案能較好地實(shí)現(xiàn)小區(qū)熱費(fèi)智能計(jì)量。
關(guān)鍵詞 熱能計(jì)費(fèi)；Pt1000；霍爾流量計(jì)

暖氣計(jì)量系統(tǒng)是通過兩種傳感器測得的熱載體流量和進(jìn)出口溫度，再經(jīng)過密度和熱焓值的補(bǔ)償及積分計(jì)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(chǔ)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。與以前普遍使用的用戶計(jì)量表相比，有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更高的技術(shù)含量。研究內(nèi)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(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)。
課題的最終目標(biāo)是建立一套符合現(xiàn)代化智能小區(qū)要求的先進(jìn)的采暖計(jì)量收費(fèi)系統(tǒng)。文中僅對系統(tǒng)的溫度和流量采集系統(tǒng)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)硬件電路的基本組成
1．1 結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)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(jìn)水溫度和回水溫度。3個信號在單片機(jī)中進(jìn)行處理和運(yùn)算后得到用戶的用熱量Q。暖氣表的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．2 測熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
系統(tǒng)應(yīng)用傳熱學(xué)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(zhì)量流量，單位kg／s；△h為進(jìn)出口焓差，單位kJ／kg；t為時間，單位s。
對于交換熱量的計(jì)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(zhì)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(zhǔn)確地測量流量和溫度，就意味著熱量能夠測試準(zhǔn)確。只要測得瞬時體積流量qv，并根據(jù)實(shí)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(jì)算出熱量Q。該方法的缺點(diǎn)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(shí)測溫度，需要采用線性插值等近似計(jì)算技術(shù)，通過搜索與其距離最近的點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)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(jì)算量減少，計(jì)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(jìn)行溫度修正，同時由于不能對Cp進(jìn)行在線溫度補(bǔ)償，該方法的溫度適應(yīng)性較差，不宜于作為戶用型暖氣表的熱量計(jì)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(jīng)換熱器流體的體積流量；△θ為流體在換熱器進(jìn)、出口處的溫度差；K為熱系數(shù)，是流體在相應(yīng)溫度、溫差和壓力下的函數(shù)。
由于熱交換系數(shù)K當(dāng)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(bǔ)償法。