（工程热物理专业论文）智能户用热量表的研制与开发.pdf

山苤太堂鳃上芏位淦盔摘要本文对，刖智能热量表的i f i 场前景竹j 铷步分析，刈阔内外各种热量表作 r 比较，分析了热量表的开发和生产现状。提出了热量表开发过程中需蛭解决的技术问题，以及所要达到的技术要求。从以下几个方面详细论述了热量表开发的系统过程：温度信号采集、流量信号采集、热量计算、p c b 板的设计与开发、硬件上采用的抗f 扰技术措施、软件上采用的抗干扰技术措施、软件的编制等。详述了温度和流量信号采集所采用的数学模型、工作原理、器件分析、电路原理、以及实验数据分析。文章对供热管路热量计算的原理和数学模型作_ 较为详细的分析。关键词智能热量表流量采集温度采集热量计算a b s t r a c tt h ed i s c o u r s em a k ef o r e g r o u n da n a l y s i so fh o u s e u si n t e l l e c t i v eh e a tm e t e r ，c o m p a r ea l lk i n d so fh e a tm e t e r si nh o m ea n di na b r o a d ，a n a l i z et h es t a t u si nq u oo fe x p l o i t a t i o na n dp r o d u c t i o no fh e a tm e t e ri ta l s ob r i n gf o r e w a r dt h et e c h n i c a l l yp r o b l e m st ob er e s o v e da n dt h ea i mt ob eo b t a i n e dd u r i n gt h ee x p l o i t a t i o no fh e a tm e t e rt h ea r t i c l ed i s c u s st h es y s t e m i cp r o c e s so fh e a tm e t e re x p l o i t a t i o ni ns e v e r a la s p e c t si np a r t i c u l a r l yt h ea s p e c t sa r es i g n a lc o l l e c t i o no ft e m p e r a t u r e ，s i g n a lc o l l e c t i o no ff l u x ，c a l c u l a t i o no fh e a t ，p c bdes i g na n de x p i o i ta t i o n a n t i - ja m m in gme as ur esi nh a r d w a r e ，a n t i - j a m m i n gm e a s u r e si ns o f t w a r e ，p r o g r a m m e ，e t ci td e p i c tt h em a t h e m a t i c sm o d e l ，w o r kp r i n c i p l e ，a p p a r a t u sa n a l y s i s ，c i r c u i tp r i n c i p l eb e i n ga d o p t e di nt h ec o l l e c t i o no ft e m p e r a t u r es i g n a la n df l u xs i g n a la n dt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t at h ea r t i c l em a k ep a r t i c u l a rd i s c u s so nt h ep r i n c i p l ea n dma the ma t icsmode io fhea tca 1c u la t ioninf lo wp ipek e y w o r d s ：i n t e l i e c t i v eh e a tm e t e rc o | l e c t i o no ft e m p er a t ur eco1 1ectionoff luxcalc uia tjonofhea t21引言1 1 我国供热现状及热量表开发背景我国能源生产与供应面临着十分严峻的形势。我凼燃煤总量为刖：界第位，二氧化碳的排放量为世界第? 佗，每年闵建筑采暖燃煤人幅度增加 r 环境污染强度，环境问题已成为我国人民生活中 + 分紧迫的问题。j 二世纪七十年代西欧和北欧等国家为了应付世界范围的能源危机，在建筑采暖上推行按热计量收费制，以达到节约能源的目的。实施建筑采暖汁t 量收费的改革是节约能源、提高用户用热的舒适度、改善大气质量和生态环境的重要途径。为积极地有计划的推行建筑采暖收费制度的改革，中毕人民共和国建设部1 9 9 8 年颁布7 6 号令民用建筑节能管理规定。规定指出：国家鼓励发展供热采暖系统温度控制技术和分户热计量技术与装置。建筑节能”九五计划和20 1 0 年规划的发展目标中明确指出：对采暖中供暖的民用建筑安装热表及有关调节设备并按表计量收费的工作，1 9 9 8 年通过试点取得成效，开始推广，2 0 0 0 年在重点城市成片推行，2 0 1 0 f j 基本完成。卜述的诸项政策的出台及经济新的增长点，对研制开发生产热计量表| j ! 目起到促进及发展的作辟j ，将会带来新的产业的发展。随着我国人民生活水平的提高，人们已经不能满足于过去几十年贯圳的供热方式，而着眼于求新、求美、求舒适。但是，多年来的供给制、夫锅饭，给政府和企业造成难以承受的负担和能源浪费，供热市场商品化f l q 呼声日益增大。1 2 市场前景及投资效益的初步评估我国目前及今后相当长时期内的建设重点之一是住宅建设，这也是我国经济发展的增长点。全国城镇住宅建设面积每年近8 亿平方米，其中6 0 需要供热，以平均5 0 平方米为一户型，每年需要热表近1 0 0 0 万块，就一户一表而言，相当产值1 2 0 亿，旧有住房也要逐步将垂直串联的供热系统改造为水平管串联系统，届时也要安装分户计量的热量表，如果涉及温控阀等辅助设备，将有几百亿的产值。此外实旌热计量必然要发展供热系统平衡调控设备，施工、安装、调试、维护、服务系统等一系列相关产业也有很大的发展潜力。所以热计量仪表产业将成为一个年产值几百亿元的新中国的热量表市场比欧洲广阔得多。中圈的乍产成本消耗在引进r先进的管理体制后，肯定要比欧洲低。所以，势必产。尘良好的投资效箍“1 3 热量表的研制使用现状欧洲些发达国家及相关专业公司，为【 i l 目的供热汁量事业作出1 r 历史性的贡献，如丹麦的丹佛斯公司，法国的斯伦贝谢公司，德国的费特拉公司、兰吉尔驷法公司等等。是他们在中国引进r 热量计收费的概念，传授了欧洲的经验，提供了热量表、温控阀及配套系统，在中国进行r 计量节能效果的试点实验，建成了生产温控阀等相关设备的专业生产公司。现在，全国已有2 0 多家企业单位研制或小批量生产了各具特色的热量表。在热量表的开发上投资己达2 0 0 万元人民币有2 家企业：江苏环能工程有限公司和大连天正热能自动化设备有限公司。清华同方股份有限公司也在1 9 9 9 年开始r 热量表的研制开发工作，并且很快开发出了“一体化家用暖气表”。天津赛恩电子公司投资5 0 0 万研制开发了户型热量表，并己进行小批量生产。由于基础、起点、技术条件各不相同，国内这么多家企业的现有产品( 或样品) 都还需要经过对设计科学合理性的认证，对符合国际标准性的考核，需要经过实验、试点，发现问题，取得经验。1 4 需要解决的技术问题热量表是通过两种传感器测得的物理量一一热载体的流量和进吲水的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值。它是种以微处理器和高精度传感器为基础的机电体化产品。与建筑业过去已普遍使用的户用计量表一一水表、电表、煤气表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。是涉及到热工学、流体力学和测量控制等学科门类的高技术产品，其成功开发必须解决以下技术问题：1 4 1 热量表的抗干扰性热量表的热量计量值是采集流量传感器和温度传感器信号的基础l 二，经过复杂的科学计算得出的。考虑到热量表的实际运行环境比较复杂，因此，电子电路的抗干扰能力，直接关系到热量表的使用精度。1 4 2 抗破坏、防堵塞、防腐蚀、防金属氧化1 4 3 温度和流量信号的精确采集流量和温度是热量计算的基本依据，目前流量传感器有多种形式，但均仃n ：测蛀淡差大、成本高、易损环的缺点。我国的供暖多采高温并! 小流粒方j i = ，这对流量和温度的准确测量带来难。i 4 ，i 微功耗崾求采f h 一节3 v 3 6 v 锂电池能持续运行5 年以上。1 5热量表开发所要达到的技术要求1 5 1 总体精度总体精度达中华人民共和国国家计量检定规程热量表规定的2 级杯准。其中，热水流量测量准确度要求在测量范围内小于3 。温度传感器采用铂电阻，测量误差应小于o ：；。1 5 2 积分计算仪积分计算仪应具备热焓、质量流量、密度等实时计算能力。计算误差避小i 二o 1 。1 5 ： 运行时间采用3 v 3 6 v 锂电池可以连续工作5 年以上。2 温度信号的采集2 1温度信号采集中需要解决的问题及采取的措施目前，热电阻和热电偶是工业生产过程自动化最常用的温度传感器，热电阻由于在测量灵敏度、线性度等诸多方面优于热电偶，因此，在6 0 0 。c以下的低温区得到了更广泛的应用。热电阻传感器的工作原理是将被测温度的变化转换成电阻的变化，要想获得被测温度信号，必须通过测量电路才能实现。因此，测量电路性能的好坏直接关系到测量结果的精确程度。根据测量电路本身的作用，必须注意以f 几个问题：2 1 1r v 转换与恒流测量测量电路首要的任务是将电阻的变化( 衄，) 转换成电压的变化( a t ，) ，而且这种转换应该是线性的，即：矿= f a r , ( 2 i )式中：肝一转换系数，常数这个功能的实现是很容易的，只要在热电阻上流过的电流，为常数，电 矗的变化量( u ) 就与热电阻阻值的变化量( a r + ) 成线性关系。2 1 2 自热效应山丕厶堂亟土堂缸论窑“1 有电流流过热电阻时，势必产生一定的热量，根搀：焦耳定律，其散热戢人小为：q = 12 足7 1 ( 2 2 )式。p ：1 - - 流过热电阻的电流以一热电阻在被测温度为时的阻值卜通过电流的时间虽然发热量很容易计算，但要计算出热电阻本身的自热效应值，将是很复杂的事情。因为自热效应不仅与发热量多少有关，还与热电阻散热情况有关，通常只是根据经验限制流过热电阻的电流大小，以使自热效应的影响忽略不计。该热量大部分被热电阻吸收而使其温度升高，阻值增大。因而产生测温时的附加误差。在热电阻上消耗的功率小于1 0 m w 时，阂自热效应而引起的热电阻变化量为：a r = m 1 2 ( 2 3 )在测量过程中的热电阻值可以表示为：r j = r + 缸，( 2 4 )式中：，- 一通过热电阻的工作电流( m a )t - - - 被测温度( 。c )r 温度为t 时的铂热电阻r ，温度为t 、工作电流为，时因自热效应而引起的热电阻变化超肛一自热效应系数自热效应系数与具体的热电阻结构有关，可以分别用两个不同的工作电流i i 和1 2 ，在同一温度t 中，对同一热电阻进行测量，得到工作热电阻尺，和r 。，再通过汁算求得。其推导过程如下：r 川= r + a t , 川= r f + m l2 ( 25 )r 2 = r + 缸，2 = r + 埘2 2 ( 26 )将两式相减整理后得4一= = = 些垄垒兰釜墼兰垒垫垒些= = = = = = = 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ m ：竺罢掣( 27 )，二。一，i 。经测试统计， j 普通云母骨架得i 业钔热l u 阻锵自热效应系数m 为o0 0 18 一一00 0 3 。在温度量值传递中，常常需耍求得工作电流为0 时的热电阻尺值，可用外推法求得r 值：r o = 尺“2 觚f2= r 。：一m i ：2( 28 )迅旷番( ：吨)在测温现场，往往需要求得因自热效应引起热电阻的温升出，其值为缸厂a t ii 掣( 2 9 )l “zi由上式可知，f ，等于温度为t ，1 作电流为i 时因自热效应而产生的电阻变化量缸，与该温度下的微分电阻d r d t 之比。由以上对铂电阻分析表明，在应用其作为测温传感器时，应尽量减小通过铂电阻的电流，在测温过程中，减小其测温作用时间，也是减小自热效应影响的有效措施。2 i 3 引线电阻以及随环境温度变化的影响因为传感器般都是就地安装地，和测量电路之间通常都由一定地距离，两者之间由引线连接，这样引线电阻地大小势必影响测量的零点。实际上，引线本身是置于一个相当复杂的温度场中，引线电阻的大小随环境温度变化的规律自然也是相当复杂的。消除引线电阻影响的措施通常采用在测量电路中加配小电阻的办法，或者减小引线电阻在电路中所占的比例，即减小通过电路的电流的方法。2 1 4 信号放大在测量和控制系统中，通常用集成运算放大器对微弱的电信号进行放大和处理，集成运算放大器的精度将直接影响测量系统的精确度。影响集成运算放大器的因素是多种多样的，但在不同的使用条件下，将由不周的附素起i 二譬作用。例如，在同相放大器巾，集成运算放大器的嗣相端年l j 反卡| 端蔻小多等j 二输入电压，即加有共模电压，因此同相工作的运算放人器应具有良好的共模抑制比和较宽的共模电压工作范围；而在反丰 放大器中，旧相端和反相端电压几乎为零，即共模输入电压几乎为零，此时共模电胝4 i 足要因素，但是，失调电压引入的误差将起主要作用。要构成高质量的放大电路，除选片j 商性能的集成运算放大器外，电阻的匹配精度对整个放大电路的影响很大，电阻失配会使共模抑制比降低，失调和漂移产生的误差增大。电阻的稳定性也会产生漂移误差，电阻的阻值超过l m q 时，其稳定性差，所以，集成运算放大器的外围电阻的阻值般不宦超过1 m q ，并且所有的电阻在使用前必须经过老化处理。在精密测量电路中，由于温度变化而引起电阻值的变化是不容忽视的。因为在集成运算放大器电路中，即使电阻是同一材料制成( 湿度系数相同) ，但由于加在每个电阻上的电压不同，会产生不同的功耗，使每个电阻温度变化不同，电阻值的变化量不同而引入误差。解决这个问题的方法是使用温度系数匹配的电阻，且电阻的温度系数和热阻值要低。2 2温度采集中使用的传感器金属铂可提纯达9 9 9 9 9 ，性能稳定，线性较好，电阻温度系数分散性小，阅而应用广泛。铂电阻适用温度范围一2 5 0 。c 一6 4 0 。c 。其方程可用多项式表达：r ( t ) = r 、( 1 + a t + 6 f 2 + c ，3 十) ( 2 1 0 )式中，t 为摄氏温度，r 。是t = o 。c 时的铂电阻值，p t l o o o 在t = 0 。c 时的铂电阻值为1 0 0 0 q ，温度系数a = 3 9 0 8 2 * l o 。3 。c ，b 一5 8 0 1 9 5 * 1 07 ( 。c ) 2 二次项系数与次项系数间相差4 个数量级，三次项之后的系数更小，因此实际应用中般只应用到二次项即可。2 3 国内外温度采集中应用电路的比较与分析多年来，热电阻的测量电路基本上都是采用两线制直流不平衡电桥，热电阻与电桥的连接如图( 2 1 ) 所示：6ty1赳13她二图( 2 1 1图( 2 1 ) 中，r 1 ，r 2 ，r 4 为固定电阻，r 3 为热电阻，且r 1 = r 2 ，t = 0 。c 时，r 3 = r 4 。电桥的输出接在差分放大电路中，如图( 2 2 ) 所示：酗w 敝+ t )b 3 * v 氇i )镀然：州等，赢，熹矿一赢，熹心设k ：i j 墅一矿一点矿( 2 1 2 )1r l4 - r 3心+ r取冗= r 2则k = 鼍即( 2 1 3 )7幽蠡厶堂亟土堂j 立i 金空这种温度采样电路稳定性较好，是种比软传统的温度采集方案。但它存在电路器件多，对电阻精度要求较高，匹配较复杂的小足，因此实际的7 、v 删中需要有严格的j ：艺要求。存：热量表的开发过程中，曾运用此电路原理，应用髓路电桥和双路运算放大器的方案，基本达到，两路温度采集一致性的要求，但电路的匹配较为复杂，且要求电子器件的精度极高，考虑到生产中工艺简化性的要求，此采用单电桥加开关的方式，这样既保证了采样精度，又简化了工艺过程，是一一种实用性比较好的力案。在国外的种热量表中，采用了一种比较新颖的温度采集电路，斜率a d 采集方式，其电路原理如图( 2 3 ) 所示： 一一 匝i救p 2 4jc a 八t - l ：|i卜一图【23 )这种方案应用于温度采集，可以不用单独的a d 采集芯片，直接达到1 6 b i t 以上的采集精度，而且可以简化外围采集电路，它的线性、一致性、及稳定性都很好，是一种极为理想的模拟量采集方案。m s p 4 3 0f 1 4 9 是1 6 位r i s c 结构的f l a s h 型单片机。有4 8 个双向i o 口并兼有中断功能。一个1 6 位定时器，兼有计数和定时功能。一个模拟电压比较器。在采集开始时，首先将p 2 0 口置为高电平，使其通过参考电阻向电容充电，根据r c 值设置充电时间，充电完成后，将p 2 0 口置低电平，使电容反向向参考电阻放电，同时将片内比较器打开，将其比较电压设置为8幽蠢太堂熊土茔位淦塞一02 5 v c c ，并将t i m ea 中的t a r 值压栈保存，c p u 进入等待状态，当比较器捕获到电容放电到0 2 5 v c c 时，溢出寄存器c o v 位嚣位，同时c o v 的变化，j l 起t i m ea 中的c c r l 寄存器溢出，将此时的c c r l 的值与 = | 三栈时的f a r值相减，即得出电容对参考电阻放电的时间n r e f ，同样对铂电阻重复j 二述过程，得出电容对铂电阻的放电时问n r ，根据阿者的比例关系确定出铂电阻的阻值，通过查表得出此时铂电阻所对应的温度值。影响此电路测量精度的因素有电源电压v c c 、晶振频率、r c 参数等。在p 2 0 输出高电平，因此v c c 越稳定，测量结果越准确。晶振频率影响c p u 时钟，c p u 运行越快，r c 相对越大，则误差越小。电容值在0 t u f 与0 0 1 u f 之问变化时，测量线性度基本不受影响，电容越小，稳定性越好，这是因为电容值越大，漏电流越大，造成电压波动大。2 4温度采样电路实验与分析温度采样电路采用单电桥，配合切换开关的方式，经过单路运算放大器，将信号送入c p u ，进行a j d 采样，通过计算和查表，得出温度数值。分别在冰水混合物中，沸水中，和温水中进行实验，实验数据如下表所示：表( 2i )次数234表( 22 )入水i ；3 温度( o c ) ；01100；o10 1出水口温度o1o1o 1n0 1( o c )进出水口温差( o c )00次数12oloo0 ，0入水1 2 1 温度( o c ) j 出水口温度( o c )进出水口温差( o c )：。“”、j一：。：一：9 9 9l9 9 9o ，0j “：69 9 9：i9 99o03，9 9 9 j9 9 8一一- 一一j 一l!l竺竺：竺l；! ! ：19o 1一0o出苤厶堂亟兰：芏】立泣g一表( 23 )；次数入水口温度( o c )水fj 温度( o c )进出水口温等( o c )。“n ”一一”：16 906 9000。 “一一 ；26 886 87011l36 876 8700j46 856 840l一一- _ _从表( 2 1 ) ，( 2 2 ) ，( 2 3 ) 可以看m ，此电路在0o c 一1 0 0o c 各个温度点上有较好的吻合度。在表中显示的的示值存在有0 1o c 的误差，是由于铂电阻在各温度点上两路电阻值不完全一致，存在0lq 一一o2 q的偏差，在电桥电路中会产生0 3 m v 左右的偏差，经过运算放大器后，会产生l m v 的偏差，从而在显示上产生约0lo c 一一o3o c 的示值误差。实验结果表明，温度采集电路的温度信号采集基本达到了标准要求。3 流量信号的采集3 i流量信号采集的理论基础和流量方程管内流体流动存在两种状态，为层流状态，一为紊流状态。在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。在层流流动状态时，流量与压强成正比；在紊流流动状态时，流量与压强的平方根成正比。而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同，这些对于采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。流体流动状态的改变与流速有关，也即与流体流量有关。从层流流动状态转变为紊流流动状态的分界线不仅与流体的流速有关，而且与流体的粘度和管径有关。用一个无量纲数r e 作为它的判据。当流体在圆形管路流动时，它的r e 可写成：r e 。：竺堡( 3 1 )。v式中”一管内流体平均流速d 一一管道内径y 一管内流体的运动粘度若写成与流量玑的关系式，即为：l or e ，：兰生( ： 2 )m a ,通常町以认为，r e 。= 2 0 0 0 是管内流动从层流状态转变为紊流状态的临界划据。当流体的r e 。小于该数值时，流动是层流流动状态；流体的r e 。，大卜该数值时，流动就开始转变为紊流流动状态。当管内流体为层流流动状态时，管内流体在半径方向上的流速分布可f f 下式表示：“。= ，一【卜e ) 2 】( 3 3 )、式中，”，一距管中心距离r 。处的流速r ，。一一管中心处的最大流速 一一距管中心线的径向距离r 一管内半径从式( 3 3 ) 可见，在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布，在管中心线上达到最大流速”。! j 管内流动为紊流流动状态时，管内半径方向上的流速分布为：，!j ，= l l r m m ( 1 _ 景) “( 3 4 )n式中，n 为随流体雷诺数r e 不同而变化的系数。从式( 3 4 ) 可见，在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称分布的，但是其分布呈指数曲线形式。与层流流动状态相比较，在平均流速相同的情况下，近管壁处流速大于层流时的流速，管中心处流速小于层流时的流速。而且，紊流时管内流速分布是随雷诺数变化而变化的，层流时的速度分布与雷诺数无关。上面所述的管内流速分布，都是指流体稳定流过定长度直管段后才形成的稳定的流速分布在弯管和阀门、节流件的后面，管内流速分布将会变得紊乱。对于通过测量流速而求流量的流量计，稳定的速度分布是得到准确测量值的必要条件。所以，对于这类测量仪表来说，安装流量计时在其上游侧和下游侧必须有一定长度的直管段，其目的就是为了保证测量管道内有稳定的流速分布。出丕鑫芏鲤上翌位i 幺毫通过测量流体速度求得流量得流量汁，般是检测平均流速，然后求得流翳。所渭、f 均流速，一般是指流过管路得体积流量除以管路截面i 积所得剑得数值。设管路截面积为a ，体积流量为q ，则平均流速h 为：i ：导：罂( 3 5 )爿一对f 阴管，庄层流流动状态下，利用式( 3 5 ) 可得其平均流速为：i ：学：挚 2 。的积。被!一圆管内流动在紊流流动状态下，利用式( 3 5 ) 可得其平均流速为：i ：骂等：2 m r 。r ( 1r t r ) “，：呶积2煞( ： )一甜t ，j ，( 2 n + 1 ) 伽+ 1 ) ”“在研究管内流体流动和流体流量计量与测试问题时，流体力学中的连续性方程和伯努利方程是经常要用到的。流体是由无数流体微团连续分布而组成的连续介质，表征流体属性的密度、速度、压力等流体物理量也是连续分布的。流体流动的伯努利方程就是流体运动的能量方程。当理想流体在重力场作用下在一根管道内稳定流动时，根据流体力学的理论分析可得到这样的结沦：对于流管中的任意两个截面l l 和2 2 ，有如下关系成立：g z t + 告+ 等= 0 0 2 2 + p _ p s l + 等( 3s )式中，g 一重力加速度z ，= 。一一截面1 一l 和截面2 2 相对某一基准线的高度p 。，p ：一一两截面上个各自的流体静压力, 。，”：一一两截面处流体的平均流速式( 3 8 ) 中的每一项韵量纲为【2 7 4 】，实际它们的量纲是【等+ + 击也就是每项的单位为焦耳每千克，即单位质量具有的能量。由此可见，伯一立坠垒奎兰尘坠当兰尘型釜坚= = = = = = ! 一丐酥币再五万面了磊甭夏i 而f i 面硅面石再i 磊磊面以相t j ：转换，且总的机努利方程说明_ 厂流体运动时，不同性质的机械能司以相f 转挟，列，b 刚f jl械能守t 百。这就是伯努利方程的物理意义。以! 实际流动中，由f 流体小是理想流体，凶此液流与管壁的摩擦、流体内部的相互摩擦等会使流体中的一部分机械能转换程热能而耗散；在些突然的弯头、阀门等处由于流体激烈的扰动而使- 部分机械能转变成热能而耗散。因此实际的伯努利方程可以写成：粥+ 堕+ 等= 础+ 丝+ 等十矗。( 3 9 )式中。矗。表示在截面1 一l 到截面2 2 之间实际流体流动产生的机械能损失。利用测量管道内介质流动速度来得到流量的测量方法，称为流量的速度式测量方法。这是目前流量测量的主要方法之一。利用此原理测量流量的仪表种类较多，我们采用叶轮式速度流量计，其工作原理是：置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体速度成比例，通过测量叶轮的旋转角速度就可得到流体速度，从而得到管道内的流量值。3 2叶轮式流量计的工作原理叶轮式流量计采用在特殊设计的流道内安装一个叶轮，上下由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击叶轮叶片，叶轮产生驱动力矩，使叶轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，叶轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速叮通过叶轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。叶轮的转数与通过流量计的流量成正比，其比例系数为k ：上( 3 1 0 )q v式中：i 厂一叶轮的转数q ，一通过流量计的流量该比例系数也称为叶轮流量计的仪表系数3 2 1 理想特性曲线所谓叶轮流量计的理想特性，就是假定叶轮处于匀速运动的平衡状态，并且机械摩擦阻力矩，流体对叶轮的阻力矩均可忽略的条件下，仪表系数k 与流量q 、，之问的关系。理想特恬仅与仪表结构参数有关，与流量变化无关，仪表系数为一常数，在k 一( ) 图卜为一平行于横轴的直线。3 2 2 始动流量值q 。对于实际的叶轮流量计，叶轮必须首先克服轴承的静摩擦力矩后才能转动。我们将叶轮克服静摩擦力矩所需的最小流量值称为该叶轮流量计的始动流量值q 。当通过流量汁的流量小于始动流量值q m m 时，叶轮彳i转，无信号输出。机械摩擦阻力越小，流量计的始动流量值也越小，即在小流量区段量限越宽。所以，要得到好的小流量特性，首先应减少流量计的叶轮与轴承之间的摩擦力。流体介质密度p 越大，始动流量值g 也就越小。3 2 3 实际特性曲线与流量变化的关系当流量大于始动流量值以后，随着流量的增加，叶轮旋转角速度也将增大。以后在测量范围内，流体产生的阻力矩将成为影响流量计特性的主要因素。相对来说，由轴承间摩擦产生的机械阻力矩就比较小了。因此，在以下的讨论中，我们假定机械摩擦阻力忽略不计，由于在不同的流动状态下，流体产生阻力的机理不同，效果也不同，所以对层流流动状态和紊流流动状态将分别进行讨论。在层流流动状态时，流体流动阻力与流体粘度，叶轮旋转角速度成正比，而叶轮角速度又与流体流量成正比。仪表系数将随流量q 的变化而变化，若粘度不变，则随着流量q 。的增加而增大。仪表系数与流体粘度的变化有关。在紊流流动状态下，流体流动阻力与流体密度p 和流量q 的平方成正比，此时可不计流体粘度的影响，在紊流流动状态下，仪表系数仅与仪表本身结构参数有关，而与流量q 。流体粘度等参数无关，可近似为一常数。只有在这种状态下，仪表系数斤才真正显示了常数的性质。仪表系数为常数的这个区间，也就是该流量计的流量测量范围。1 4鲁檀卜：卜! - “f 甜( 3 1 )由于层流时流体阻力矩较素流时要小一点，所以在层流与紊流的交界点上，特性曲线上有一个峰值。该峰值的位置受流体粘度的影响较大。流体粘度越大，该峰值的位置越向大流量方向移动。通过上述分析，可作出叶轮流量计的k 一9 特性曲线，如图( 3 1 ) 所示，图中虚线为叶轮流量计的理想特性，若流量具有这种特性，不论流量如何变化，总可以使其累积流量、瞬时流量的误差为零。图中实线为一般叶轮流量计特性曲线的大致趋势。3 3国内外流量采集应用的方法与比较在国内的热量表研制和生产中，普遍采用干簧管作为流量采集的信号源，这种方式具有简单易行的特点，但在实际的应用中，f 簧管存在稳定性不足的特点，热量表在长期的运行中，由于其所处的温度环境较高，对于簧管的使用寿命影响很大因此对于热量表五年以上的使用周期来说，这种采集方式显然是不适宜的。欧洲多数国家的热量表采用的流量采集方式是一种比较新颖的无磁式不接触脉冲采集方案，其原理如图( 3 2 ) 所示：一1s e n ：8 “f ，、f 。d 。a m 。p 。i n 。g 。i i 圜ls e n s o rd f9 0 。一5 8 “5 。o o 广“船8 ts e n s e o f1 8 04，6 1 8 。1 。“3 5 n s o ko图( 3 2 )四个电感线圈构成的流量传感器，其工作时转数和旋转方向都必须事先确定。叶轮的旋转通过四个探头来探测，但最多作三个来判定探测，另外一个是多余设置的。这四个探头被设置在旋转轨道上的9 0 度角度处，旋转的部件的半边涂抹了用蒸汽处理过的材料，这样就导致4 个传感器中2个会有蒸汽处理的材料而另外俩个没有。全旋转计数器的四分之一旋转计数器或旋转方向，信号产生的不同的脉冲数部通过一个逻辑图表来表示出来。四分之一计数器根据旋转方向不同显示增量或减少，如果两个传感器停止了运转，就以逻辑图表上叶轮的半旋转为准来探测。传感器进行平行震荡，检测在t p 时间里对震动圈中导入能量。加大震动然后开始判定每时段的逐渐消失的震荡。厂。1札一宁c 一，一 嘣卜曲一f 卜l 一1 - 7 v_ l 一卜t “1 6鞠缈缈r n p u t 罗o f ：, , m 。l ：- 一o u t p u to c o m p a a t o r”1 f 口口口口口口口口口口口口口口vv1 7图( 3 5 )在电路中按如图( 3 6 ) 所示的时序分别导入电阻，：级管，i 极管。 ，在比较器输入端口将产生如图( 3 7 b ) 所4 i 的波形，这是在无金属膜片靠近电感s e n s o r 时的波形，在有金褐膜片靠近电感时，此波形将产生如阁( 3 7 a ) 所示的变化，此时在比较器中触发内置的c o v 置位，由t i m e a中的比较捕获器l 将此变化捕获，软件j ：将此变化视为一个脉冲信号发牛。，通过顺序捕获三个电感的信号发生过程，将金属膜片随叶轮旋转的转数记录下来，叶轮的旋转状态即通过无接触的电感送入软件中，经过处理，显示到l c d ，通过实验脉冲数和体积流量的关系，得出流量计的脉冲当量系数。口口f 。3 4电感作用距离实验与分析流量信号采集中需要对电感的有效作用距离进行系统实验和分析，现选j 9出乐厶鲎鲤上望位论盅一一一取几种1 i 同的金属( 镀铜、镀金、不锈钢) 进行实验比较，采州种r 。型：式电感磁芯通过缠绕不同线侉，1 i 同匝数的铜丝，得出的实验数挤：如p 所小：太( 32 )蒈摩l2345距八( r a m )( m m )( m m )( m m )( r a m )备注镀铜60585958602 5 0 匝，线镀金8 079787879径00 5 r a m不锈钢7274727474电感量l6 m h1 6 m hl6 m h16 m hl6 m h直流电阻2 22 q2 19 q2 2lq2 20 q2 13 q袭( 33 )辔蘑l2345距莳( m m )( m m )( r a m )( m m )( m m )备注镀铜545o5 2535 32 4 0 匝，线镀金1 0 0l o 91 04l o21 06径00 5 r a m不锈钢1 7l1 641 701 691 7l电感量j 5 m h1 5 m hl5 m hl5 m hl5 m h直流电阻2 09 n2 04 q2 0lq2 04 q2 05 q袭( 34 )詹露j2345距宁f r a m )( r a m )( r a m )( r a m )( r a m )备注镀铜353 2343 23 32 3 0 匝，线镀金42404l404 2径00 5 r a m不锈钢5 15 15o5350电感量l4 m hl4 m hl4 m hl4 m hl4 m h直流电阻1 9 6 q1 95 q1 9 4 q1 97 q1 95 n出塞太堂亟土主盈论毫丧( 35 )辔蘑l234s距八( m m )( m m )( m m )( m m )( r a m )备注镀铜33343o3l342 2 0 匝线镀金4039394l39径00 5 m m小锈钢434 4444344电感量l3 m hl3 m hl3 m hl3 m hl3 m h直流屯阻j 80 q1 82 nl78 qi 80 qj 8jq表36 )电感l2345距( r a m )( m m )( m m )( m m )f m m )备注镀铜24262 526242 1 0 匝，线镀金32313 0323o径00 5 m m不锈钢4l434o4243电感量1 2 m hl2 m hl2 m hl2 m hl2 m h直流电阻1 7 9 q1 77 q1 76 1 21 78 q1 75 q表( 37 )鬯詹l2345距未( r a m )( m 埘j( r a m )( r a m )( r a m )备注镀铜25262524262 0 0 匝，线镀金3032303 230径0 0 5 m m不锈钢40424i4343电感量ll m hll m hll m hll m hl1 m h直流电阻1 6 7 q1 6 2 q1 6 6 q1 6 4 q1 68 q2 l表( 38 1泌l2j4s( m m )( m m )( r a m )f m m )l m m )备注镀铜222l2223201 9 0 匝线镀金2923272930径00 5 m m4 i 锈钢36343 53433电感量lo v a h1o m hl0 m hl0 r a h1 0 m h自流电阻1 6 4 q1 62 q1 62 q1 60 q1 63 q由 ：述表格可以得出如下图( 3 8 ) 所示曲线：1 0蝴1 t j l t i6 8l。4l0 一-】9 02 j o2 3 02 5 0 阿数酬( 38 )由曲线可知，不同金属在电感线路中产生的涡流强度不同，从丽表现为电感不同的作用距离。且电感的作用距离与电感的匝数有直接的关系，即随着电感量的增加，电感的作用距离会逐渐增高，通过系统分析电路的作用原理可知，电感量增加，l c 振荡的幅频增加，其作用距离加大。但随着电感量的持续增加，c p u q h 比较器的比较电压不变，电路在某特定电感量时会超出比较器的比较电压，无法产生比较信号，所以不能无限制的增加电感的匝数。其具体数值要由实验严格确定。3 6 流量脉冲信号分析流量信号采集后，要标定出流量计的脉冲当量系数n ( l 脉冲) 。如在段时间内，c p u 检测到m 个流量信号，则在此段时间内累计流过的流量为2 2山盘厶= j 兰熊土堂位i 金墓q = m * n ( i ) ( 3 1 1 )舀：此基础 ：经过实验确定热最表流最采集部分的始动流量，分界流量最小流量，最大流量等踣奉参数。3 6流量信号采样实验与分析在脉冲信号采集运行正常的情况f ，叶轮每旋转周，将产生i 个脉冲信号，其实验结果如表( 39 ) 所订：表( 39 ) 序号起始脉终止脉：脉冲记录时流量计流量汁流脉冲，冲数冲数。个数间( 分)读数量( 升)升i、；16 89 3 i 8 6 358 3 98 3 91 0 2 821 1 3 32 0 7 7：9 4 459 0 09 0 01 0 3 4132 3 9 52 8 9 04 9 534 8 04 8 01 0 3o44 15 95 5 3 5t 】3 7 681 3 0 3】3 31 0 2 557 1 4 07 9 5 0，8 1 057 9 27 9 2i 0 2 ，4实验表明，馒正常一 作条竹卜，脉冲“壤系数大约是1 0 3 yj 。通过在1 i 同流量f 实验可以得出图( 31 ) 所示的k p v 关系。4 热量的计算4 i热最计算数学模型流体传输的热量可由其质量、比热容、和温差确定。在热量表的热最计算中，流体流经换热器后的焓值变化率与时间有关。其公式为：q = i 1 办d t ( 41 )式中：q 一释放的热量【k j q 。流经热量表中载热液体的质量流量 k g s 1h 热交换回路中出口处温度与入口处温度下的载热液体的比焓值差 k j & g 】t 一时哑s 】如果设备与体积有关而不是质量，则公式为：o = l “k 口饥7 ( 42 )一o 。一弋一hq 一一释放的热量 j 1 或 k w h 】v 一一载热液体流过的体积 m3 】，v = v i - - v 20 热交换回路中载热液体入r i 处和出口处的温差【】k 一一热系数，它是载热液体在相应温度、温差和脏力下的函数【 m 3 0 c 1 或【k w h ，m 3 。c l4 2k 系数的确定为计算管流中载热流体的传热量，需要进行热系数k ( p ，0 ，0 。)的汁算，热系数为一可测量，它是压力p ，进水管温度0 ，回水管温度0 ，的函数。其公式为：k ( p 、0 0 ) = f i v ( e x e i 一0 r 蠓c 。下( 圳)式中( ，= ，o r ，)g 为定压比热容v ( 0r ) ，v ( 0 。) 为相应温度下的体积热系数的值依赖于热量表的体积测定装置是否分别安装在进水管和川水管中。注：c ，与压力p ，0 ，0 。的关系来自i f c 一1 9 6 7 ，工业用公式；国际公式委员会蒸气性质分会，纽约，a s m e1 9 6 7为简化公式并避免错误，引入以下无量纲数：( c p + 0 。，) ( p o ，+ v c ，) = m ( 6 2 ) ( 6 肚2 ) 】b ( 4 4 )对于水，公式中的常数为( 引自i f c1 9 6 7 ) ：0 。l = 6 4 7 3 1 p o l = 2 21 2 00 0 0j m 3v 。= o 0 0 3 1 7 m 3i j = o 0 。为缩减湓度= p p 。，为缩减压力e ( 1 1 ，) 缩减自由焓( 吉布斯函数)：= = ：= = = = = = 些垒兰垒兰堡皇兰垒垫垒些= = = = = = = 一经过变量重组，缩减，热系数k ( p ，0 ，0 ，) 的汁算变为：h ( h 虬) ( p c ，+ v ) v ( o ，) + 1 ( o ，一0 。) 【“( 6 6 “) p 蝼( 1 j )或k ( t ，0 ，0 。) =( p c ，+ v 。) v ( o ) 1 ( 0r o ，) 【u ( 6 麟瑟。宅楚纛滤裘鬻羧，露谴糕颧绥琴銮荔逶逡熬後筏。 ，一r 圭妒 1 b二3 一r = 一= 3 t 一扣；v ；e 二 ：；辍； ：。 ：；8 4；”。 ：es e ；t 灏冬嚣燮曲蹩al 熬r e 低邋滤波器l 熬r c 鬣瀵滤滚溱麴灏( 6 。1 0 a ) 灏示。萁餐遽逶羧为；粥净惫2 志派幻蕊频蘩戆俊秀；( 歹掰) 2 i i 了1 磊菘；窟( 掰，。了震蚕雨i ( 6 t9 )令+ 氕。丽1 ，期肖弦净而责丽( 8 。 0 )辩数瞩频糁经瓤粼( 6 1 t ) 麟淤，o0 。lo o lolhl oi i 。n 一f 如f ，f h“d bd1：0l一3l o一2 0邪卜丽u o ( s ) 怒2 南( 6 1 1 )郴) ：螋：刍：婴：上l ：! ：蠹：l、。( s )( z 1 十z o i ( s )z 1 + z 3r ( s r c + 2 、+ 尺+ 2 s r c + 1【6 1 2 )由此可见，t 型滤波器与l 型滤波器有相同的滤波特性。实际上，往往将t 型滤波器用于负载阻抗小的情况。减轻了信号源的负担。上述三种形式的r c 滤波器制造简单，价格便宜，体积小，对外界的磁场变化敏感低，广泛用于信号传输线路中的噪声抑制。7 软件抗干扰技术原理与方法单片机系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对单片机运行的可靠性一：些篓兰釜垫堡皇兰圣堡垡兰垦= = = = = = 一_ - _ ，t 安全性有很高的要求。这些单片机除了要求硬件的高性能和高抗干扰能力外，还需要软件系统的密切配合。单片机系统中，软件的重要性与硬件设置同样重要。为了满足测控的要求，编制的软件必须符合以下基本要求：( 1 ) 易理解性、易维护性( 2 ) 实时性( 3 ) 可测试性( 4 ) 准确性( 5 ) 可靠性7 1软件抗干扰的一般方法窜入单片机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统。因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还要采用软件抗干扰措施。叠加在系统被测模拟输入信号上的噪声干扰，导致较大的测量误差。但由于这些噪声的随机性，可以通过软件滤波剔除虚假信号，求取真值。对于输入的数字信号，可以通过重复检测的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。当系统受到干扰后，往往使可编程的输出端口状态发生变化。因此可以通过反复向这些端口定期重写控制字、输出状态字，来维护既定的输出端口状态。软件抗干扰技术的主要内容，其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术：其二是由】r 扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施如软件冗余、软件陷阱、看门狗技术。这些方法可以用软件实现，也可以采用软件硬件结合的方法实现。常用的软件抗干扰措施有：( 1 ) 数字滤波方法；( 2 ) 输入口信号重复检测方法；( 3 ) 输出端口数据刷新方法；( 4 )软件拦截技术( 指令冗余、软件陷阱) ：( 5 ) 看门狗技术等。7 2 数字滤波使用的方法和比较分析随机误差是窜入仪表的随机干扰引起的，它是指在相同条件下测量同量时，其大小和符号做无规则变化而无法预测，但在多次测量中符合统计规律的误差。干扰来自工频串模、共模干扰，无线电波引