暖气分户计费中温度与流量传感器设计

摘要 针对热能费收缴困难和按使用面积收费的不合理方式，提出了一种新型的智能表以及与之配套的远程自动抄表系统。整个系统由热能表、数据传输电路、PC机3部分组成；热能表通过实时测量Pt1000电桥两端的电压差计算出温度值，对霍尔流量计进行计数得到用户在一段时间内的流量值，最后应用流量和热量值得到用户在一段时间内所消耗的热值；测量数据通过CAN总线可以传给上位机，由上位机的管理系统对数据进行数据处理、费用结算、报表打印等多项任务。经测试证明，此方案能较好地实现小区热费智能计量。
关键词 热能计费；Pt1000；霍尔流量计

    暖气计量系统是通过两种传感器测得的热载体流量和进出口温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，得到热量值。它是一种以微分处理器和高精库传感器为基础的机电一体化系统。与以前普遍使用的用户计量表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。研究内容主要包括：智能暖气表、基于CAN总线的数据通信系统、基于Visual Basic和数据库Visual FoxPro的暖气流量计费管理系统。
    课题的最终目标是建立一套符合现代化智能小区要求的先进的采暖计量收费系统。文中仅对系统的温度和流量采集系统计进行介绍。

1 系统硬件电路的基本组成
1．1 结构框图
    安装于用户家中，不论用户家中装有几组暖气，原则上每户只安装一块暖气表。暖气表包括流量传感器、温度传感器、单片机系统等部分。系统选用的流量传感器是霍尔元件A3144EUA；温度传感器选用的是Pt1000；单片机选用的是89C52。流量传感器L，用以检测水的流量，两个温度传感器Tr1和Tr2分别测量供热系统的进水温度和回水温度。3个信号在单片机中进行处理和运算后得到用户的用热量Q。暖气表的结构框图如图1所示。

1．2 测热系统数学模型的建立
    系统应用传热学的基本理论可以得出精确的暖气散热公式
   
    式中，Q为释放或吸收的热量值，单位kJ；q为瞬时质量流量，单位kg／s；△h为进出口焓差，单位kJ／kg；t为时间，单位s。
    对于交换热量的计量，目前一般采用以下3种方法。
    (1)直接焓差法。
     Q=qm(hf-hr)=qv(Cpfρfθf-Cprρrθr)      (2)
    式中，Cpf，Cpr为人口与出口的定压比热容；qv，qm为瞬时体积流量，瞬时质量流量；ρf，ρr为入口与出口温度下的载热流体密度；θf，θr为入口与出口的温度。
    决定热量的因素是瞬时体积流量和温度，如果能准确地测量流量和温度，就意味着热量能够测试准确。只要测得瞬时体积流量qv，并根据实测温度θf与θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4个常数，带入式(2)即可计算出热量Q。该方法的缺点是温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大，并且对于实测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其距离最近的点计算相应的极值，得出瞬时热量。
    (2)常系数焓差法。
    Q=Cpqm(θf-θr)=Cpρqv(θf-θr)     (3)
    式中，Cp为定压比热容，为常数，使得程序计算量减少，计算速度大大加快。该方法对于定压不变频的系统是合适的。但由于流体的密度ρ需要进行温度修正，同时由于不能对Cp进行在线温度补偿，该方法的温度适应性较差，不宜于作为户用型暖气表的热量计算方法。
    (3)K系数法。
    Q=k·△θ·dv                  (4)
    式中，Q为换热器与周围环境的换热量；dv为流经换热器流体的体积流量；△θ为流体在换热器进、出口处的温度差；K为热系数，是流体在相应温度、温差和压力下的函数。
    由于热交换系数K当压力一定时，它随温度而变化，所以K系数法又可分为分段式K系数法和K系数补偿法。
    分段式K系数法是将热交换系数按回水温度进行3段分类：
   
    该方法将热交换系数量化为3个分段常数，在一定程度上对其进行了温度修正，式中3个关键常数凭经验确定，如果温度区间划分较粗，温度适应性依然较差。因此，分段式K系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高，且温度变化较小的情况。K系数补偿法实现了热系数的在线温度和压力补偿，大幅提高了热量计量的精度。OIML-R75国际规程和EN1434欧洲标准都对热系数K的计算有明确的说明。
    系统的热量测量需要达到一定精度，所以在计算上采用直接焓差法。

2 温度采集系统电路设计
    温度采集系统电路由桥路、电子开关、前置放大、A／D转换电路构成。为克服增益、零位等误差，由电子开关引入了零电平和参考电压。温度采集系统如图2所示。

    前置放大器选用AD620，水温在30～100℃范围时，桥路输出电压在0．136～0．398 V范围内，设置AD620增益为5，则输出电压范围在0．68～1．99 V之间，这样便可以满足AD7705模数转换器在5 V的电源下，满量程2．5 V时的输入范围。AD620的增益电阻计算如下
   
    AD7705是用于低频测量系统的前端器件，它分辨率高，且有节电模式，能满足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片内还有数字滤波电路、校准电路和补偿电路，因而能更好地保证高精度的实现温度测量。
    AD7705使用5 V单电源，它有两个模拟差分输入通道，参考电压为2．5 V。另外，AD7705还可直接接收传感器产生的小信号以进行A／D转换并输出串行数字信号。它采用∑-△技术实现16位A／D转换。采样速率由MCLKIN端的主时钟和放大器的可变增益决定。实际上，AD7705同时可以对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波处理。其数字滤波器的阻带可编程控制，以便调节滤波器的截止频率和输出数据更新速率。
    AD7705片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、4、8、16、32、64、128共8种之一，能将不同摆幅的范围信号放大到接近A／D转换器的满标度电压在进行A／D转换，有利于提高转换字量。在系统中所选的增益为1。
    在温度采集方面，系统采用增益误差的自动校正方法，其基本思想是开始工作后或每隔一定时间去测量一次基本参数，然后建立误差校正模型，确定并存储校正模型参数。在正式测量时，根据测量结果和校正模型求取校正值，从而消除误差。整个校正过程自动完成。
    当AD7705工作电压为5 V，片内可编程放大器增益设置为1时，A／D的精度为16位，最小分辨电压为38．15μV，而Pt1000在30～100℃范围内每变化1℃时，桥路的输出电压变化小于4．25 mV，远大于AD7705的最小分辨电压。系统的分辨率理论上可达0．001℃。但是在实际测量中由于外界和硬件等原因使分辨率降低到0．1℃。具体温度的数据采集流程如图3所示。

3 流量采集系统电路设计
3．1 流量采集的理论基础
    系统采用涡轮流量计，它是速度式流量计的主要种类之一，其采用多叶片的转子感受流体平均流速从而推导出流量或总量。转子的旋转运动可由机械、磁感应、光学或电子方式检出并由读出装置进行显示或记录。系统采用的是磁感应方式检验并记录数据的霍尔元件。
    涡轮流量计的工作原理：当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮随转动周期改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，送到单片机进行计数。涡轮流量计的实用流量方程为
    qV=f／K            (8)
    qm=qvρ             (9)
    式中，qv，qm为分别为体积流量m3／s和质量流量kg／s；f为流量计输出信号的频率；K为流量计的仪表系数。
3．2 流量传感器的具体电路设计
    系统中霍尔开关工作在低频、低磁场中，所测磁场较小，霍尔输出也较小，所以应选择敏感、噪声系数低、由碍化铟材料制成的元件。所选霍尔元件为A3144EUA。该型号霍尔开关的特点是温度稳定性好，电源电压为4．5～24 V，系统采用的VCC为5 V，输出饱和电压为0～400 mV。具体的设计电路如图4所示。

    为减少热损失，流量测量仪应该安装在供暖装置的出水管上。
    很明显，水的流速V与霍尔开关每秒输出的脉冲数n成正比
    V=Cn     (10)
    式中，C为比例系数。流速乘以时间再乘以管道的横截面积及可以得到一定时间内的流量大小。
    标定C较为简单的方法是：将标准流速仪和被测流速仪放置于流场的同一点，标准流速仪的读数为V’，被标定的流速仪的读数为Cn’，则
    V’=Cn’  (11)
    式中，n’即计数器测得的霍尔开关1 s内输出的脉冲数。
    在忽略流体与叶片间相对滑动的情况下，C是叶片外缘的周长。
    C=2πR     (12)
    式中，R为叶片圆周的半径。
    若在每个叶片转动轮每个的外缘处都安装一个间隔为90°的磁钢，则。

4 结束语
    实行计量供热的目的是节约能源和保护环境，也是保证供热事业的可持续发展，要解决的问题是正确计量热量及热费的合理分摊。而对于供热系统的需要是在满足精度的同时还需考虑成本和运行的稳定性。