集中供暖及中央空調(diào)系統(tǒng)用熱量計的研究
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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、能源利用、實驗研究等領域具有重要意義，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：
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，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、有關采集軟件完成。
（2） 小流量的測量，主要靠磁電感應元件將流量信號轉(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 ，復位電路主要是為熱量計運行管理方便而設計的，與鍵盤的功能復位鍵相連。
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)換送入相應的寄存器，進行相關的計算。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。
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