（工程热物理专业论文）单流束无磁式热量表的研制.pdf

单流束无磁式热量表的研制 摘要 本文针对目前国内热计量收费改革对热量表的迫切需求的现状，对国内 外各种热量表的发展及生产现状作了简单介绍。在分析热量表工作原理的基 础上，从流量检测、温度检测和低功耗设计三个方面进行研究改进，设计了 一种单流束无磁式热量表。 采用单流束旋翼式基表，对其结构在传统的单流束基础上进行了改进， 流道入口设分流片。通过分析叶轮室内流体的流动特性和进行实验研究，从 材料、几何尺寸和形状等多方面进行改进。经实验证明，该基表有效地降低 了始动流量，流动状况得以改善，提高了流量检测精度。 流量信号的采集采取无磁式不接触方案，通过t m s 3 7 2 3 b 流量芯片进行 控制检测，文中对其工作原理作了分析介绍。这种流量采集方式避免了有磁 式传感器受磁力影响等诸多缺点，测量精确简单。 温度检测采用高精度斜率a d 采样方式，使用控制芯片自带的比较器， 结合定时器a 实现这一功能。电路简单，测温准确可靠。 为达到热量表低功耗的要求，选择了t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 3 5 新型 1 6 位超低功耗单片机作为控制核心。通过合理编制程序，有效地减少了耗能 环节。 文中对基表设计、流量采集方式和实现方法、测温原理等都作了详细介 绍。 关键词：热量表、单流束、无磁式、低功耗 d e v e l o p m e n t o f n o n m a g n e t i c h e a tm e t e rw i t h as i n g l ec h a n n e l a b s t r ac t i nv i e wo fp r e s e n ts i t u a t i o no ft h eh i g hd e m a n df o rh e a tm e t e r sa f t e rt h e r e f o r m a t i o no ft h ec h a r g em e t h o df o rh e a tc o n s u m p t i o n ，t h i sp a p e rm a k e sas h o r t i n t r o d u c t i o no fa l lk i n d so fh e a tm e t e r s b a s e do nt h e a n a l y s i s o fi t sw o r k p r i n c i p l e ，s t u d i e s a n d i m p r o v e m e n t s a r em a d ef r o mt h r e e a s p e c t s ：l i q u i d m e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta n dl o w p o w e rd e s i g n a k i n d o f n o n m a g n e t i ch e a tm e t e r w i t has i n g l ec h a n n e li sd e s i g n e d s i n g l ec h a n n e la n dr o t a r yw i n g s a r ea d o p t e di nt h ed e s i g no ft h eb a s a lm e t e r ， t h es t r u c t u r eo fw h i c hi s i m p r o v e df r o mt h et r a d i t i o n a ls i n g l ec h a n n e lm e t e rb y a d d i n gaf l a k et ot h ee n t r a n c eo ft h ew i n gr o o m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e rf l o w i n gi nt h ew i n gr o o ma n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ， i m p r o v e m e n t sa r em a d ef r o mm a t e r i a l ，g e o m e t r yd i m e n s i o n ，s h a p ea n de t c i ti s p r o v e db ye x p e r i m e n t st h a tt h eb a s a lm e t e rr e d u c e st h ew a t e ra m o u n tf o rb e g i n t of l o w e f f e c t i v e l y a n dt h ef l o ws i t u a t i o na n dm e a s u r e m e n t p r e c i s i o n i s i m p r o v e d f l o ws i g n a l sa r ec o l l e c t e di nn o n m a g n e t i ca n du n t o u c h e dm o d eu n d e rt h e c o n t r o lo ft h et m s 3 7 2 3 bc h i p ，t h ew o r kp r i n c i p l eo fw h i c hi s a n a l y z e da n d i n t r o d u c e di nt h e p a p e r t h i s c o l l e c t i o nm o d ea v o i d s m a n y d e f e c t so ft h e m a g n e t i c s e n s o rs u c ha st h ei n f l u e n c ec a u s e d b y t h e m a g n e t i c f o r c e t h e m e a s u r e m e n ti sp r e c i s i o na n ds i m p l e t h es l o p ea ds a m p l i n gm o d ei nh i g hp r e c i s i o ni sa p p l i e dt om e a s u r et h e t e m p e r a t u r e t h ec o m p a r a t o r a n dt i m e rao ft h ec o n t r o l c h i p a r eu s e dt o a c c o m p l i s ht h i sp u r p o s e t h ec i r c u i ti ss i m p l ea n dt h em e a s u r e m e n t i sa c c u r a t e a n dc e r t a i n t om e e tt h ed e m a n do fl o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，an e wt y p eo f 16 - b i t ss i n g l e c h i pu n d e ru l t r a l o wp o w e rc o n s u m p t i o nm a d ei n t ii ss e l e c t e dt oc o n t r o lt h e w h o l es y s t e m p o w e rc o n s u m p t i o ni sr e d u c e de f f e c t i v e l yb yl o g i c a lp r o g r a m i nt h e p a p e r ，t h ed e s i g n f o rt h eb a s a lm e t e r ，t h ec o l l e c t i o nm o d ea n d r e a l i z a t i o nm e t h o dt ot h ef l o wr a t e ，t h et h e o r yo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d e t ca r ei n t r o d u c e di nd e t a i l k e y w o r d s ：h e a tm e t e r s i n g l ec h a n n e l ，n o n m a g n e t i c ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：妻21 兰 日期： 口牟4f 譬 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：! 兰兰导师签名： 1 1 选题背景 1 绪论 供暖系统是人们冬天正常生活的必要设施。目前，我国“三北”地区城 市供热面积已达8 6 亿m 2 ，遍布15 个省、自治区、直辖市，形成一定规模。 随着人民生活水平和建筑物业及管理水平的提高，中部地区的冬季供暖、夏 季供冷以及南方地区的集中供冷也都已开始发展。但是，长期以来我国的集 中供热都是采用计划经济体制下的包费制 1 2 j ，供热企业与热用户没有计量仪 表，仍按传统落后的建筑面积结算收费。一方面热的生产、输送、管理、应 用部门节能意识淡薄，造成资源的浪费和对环境的极大破坏：另一方面供热 企业技术与管理水平低，供热效果不好，直至造成热用户拖欠热费，供热企 业运行困难等严重问题，产、供、需三方的矛盾日益激化引起越来越多的贸 易纠纷，从而影响到企业的经营及人们的日常生活。要改变这一现状必须进 行结算方式的改革，1 9 9 7 年颁布的中华人民共和国节约能源法明确规定， 耗能需要计量，不允许无偿使用或实行“包费制”。 在西方国家，热量是以商品进入市场的。特别是七十年代术出现的能源 危机及能源消耗加大环境污染，使得节约能源和保护环境成了举世瞩目的大 事，并促进了发达国家供热计量技术的长足发展p , j i 。在欧洲，尤其是北欧和 部分东、西欧等位于传统供暖地区国家，能源危机爆发前，这些地区的国家 冬季供暖是种社会福利，或不收取任何个人费用，即使收取费用，占人均 收入的比例也很低。能源危机爆发后，石油等燃料价格迅速上涨，导致供暖 成本迅速上升，国家已负担不起福利供暖，供暖的市场化、商品化应运而生。 目前欧洲的热计量法规虽各有差异，但基本上每个热用户都安装热计量仪表， 并按用热多少收费，每一个热用户都可以根据自身需求单独计量，每个热 用户都有可以单独控制和计量的供热系统，就是现在提倡的“分户控制、分 户计量”】。欧洲及其他一些国家和地区采用热量表进行分户计量的经验表 明：热量表作为热力公司向用户计价收费的依据，不仅广泛被用户所接受， 而且节能达到2 0 3 0 j 。 供热分户计量使热用户有了自主性。用不用热，用多少热的选择权交给 了消费者，由消费者按供暖的好坏和用热的多少交费，把热作为商品，供暖 收费也完全商品化，体现了市场消费的合理性。供热分户计量节约大量的能 源，减少环境污染，将产生良好的社会效益和经济效益。 据不完全统计，我国用于房屋供暖的小型锅炉几百万台，每年供暖方面 的收费高达几千亿元1 2j 。因此，热水的准确计量、科学合理收费和节省能源， 是关系到千家力- 户和国计民生的大事。在水、电、煤计费表普及的今天，热 量计费势在必行。随着市场经济的发展，供热部门将按照谁受益谁付费的原 则，在供热系统中推行热计量收费改革。建设部令第7 6 号民用建筑节能管 理规定1 2 1 ，凡是2 0 0 0 年1 0 月1 同丌始新建的建筑必须设计、安装使用热计 量设旋。建设部建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划的发展目标中明确 指出：“对集中供暖的民用建筑安设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 年基本完成。”热量表是实施城市供热体制改革，推行按热量计量收费的关 键设备，到2 0 1 0 年，要对全部供暖系统进行热计量，大批热量表将投入实际 使用。作为与老百姓生活密切相关的计量器具，热量表已经被国家质量监督 检验检疫总局纳入首次强制检定范围。 研制工作可靠、计量准确、适合我国国情的热量表是推行按热量计费的 关键之一，市场前景广阔，也是本课题研究的目的所在。 1 2 热量表国内外发展概况h 。1 们 热量表是测量一个热流回路中流体吸收或释放热量多少的仪器，是热量 计量的基础。这项技术起源于欧洲，早在2 0 世纪2 0 年代欧洲就开始进行按 户计量采暖费用，尤其是经历了7 0 年代的能源危机后，如何在保持经济发展 的同时节省有限的能源成了各国的研究课题，相应的“热表”经历了从机械 式、电子模拟积分式、电子数字积分式，直到微处理器为基础的智能式的发 展过程。在8 0 年代初期，采暖计费制度已经在欧美国家普及了，计费方法也 逐步得到完善，热量计量技术也己基本成熟。德国的热计量法规规定每栋楼 必须安装热量表，每组换热器必须安装温控阀和热计量装霞。收费方法也作 了明确规定：生活热水按热水表计量收费，采暖热费则要分两部分收取，其 中3 0 4 0 为按建筑面积计算，6 0 7 0 按消耗的热量计算。在法国1 9 8 0 年公 布的热计量收费法规中，明确制定了每栋楼必须安装热计量表，不允许按面 积收费。而且在供热管网中热力站的一次网系统和用户的二次网系统中都分 别装有热量表。1 9 8 8 年，国际法制计量组织公布了世界上第一个国际性的标 准文件：“o i n l r 7 5 号国际建议( i n t e r n a t i o n a lr e c o m m e n d a t i o n ) 热量表( h e a t m e t e r s ) ”。直到9 0 年代，户用热量表基本定型，设计趋于一致。1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正式通过的统一热量表标准，代号e n l 4 3 4 。 欧洲一些发达国家及相关专业公司，为中国的供热计量事业作出了历 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，是他们在中国引进了热量计收费的概念， 传授了欧洲的经验，提供了热量表、温控阀及配套系统，在中国进行了计 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。 我国热量表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代，当时欧洲已有热表样表 进入中国，1 9 9 0 年有关单位作为国家“七五”科技攻关课题，研究仿制。1 9 9 2 年国家技术监督局和国际法制计量组织中国秘书处翻译出版了o i m l r 7 5 国 际建议( 热能表) 。1 9 9 7 2 0 0 0 年，欧洲( 热量表) 标准( e n 一1 4 3 4 ) 逐渐 被一些企业单位所了解和重视，包括中国科学院、清华大学、航天部、兵器 部等直属的科研院所、高等学校，先后都以多种形式，积极参与到热计量仪 表装置的研制开发工作中来；或者在深入研究的基础上与企业合作，或者自 己投资开发。一些军工企业也将“热量表”作为“军转民”的重点项目。2 0 0 0 年2 月1 8 日，建设部发布了”7 6 号令”一( 民用建筑节能管理规定) ，明确了“鼓 励发展分户热量计量技术与装置”和“推行温度调节和户用热量计量装置， 也进一步激励了中国热计量仪器仪表产业的热情。继建设部2 0 0 1 年2 月5 只发布的规定于6 月1 日起实施的 标准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 之后；2 0 0 1 年1 2 月4 日，国家质量监督检验检疫总局发布了“中华人民共和国国家计量 检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 一热能表”，并规定2 0 0 2 年3 月1 同起实旄。中 国的热量表从法制概念上建立了关于生产标准和技术检定的完善的质量保证 和监督的体系。 中国现在生产、经营热量表的企业已超过了6 3 家( 2 0 0 2 年6 月不完全 统计) 。地区分布包括：北京、上海、天津、山东、辽宁、河北、江苏、浙江、 广东、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、宁夏、内蒙、深圳等1 6 个省、市、自治 区。分布比较集中的北京，天津、山东三地超过了3 2 家，约占总数的5 0 。 这些企业中与国外的热量表专业公司合资、合作或作为经营代理的大约有1 5 家，大约占总数的2 4 ，中国的热表生产企业大部分是民办中小企业，大约 占7 0 。在热量表的开发上投资已达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 年丌始了热量表的研制开发工作，并且很快丌发出了“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，并已 进行小批量生产。已经有国内外产品投入到了工程实践。 我国的热量表行业与国外相比还仅仅处于起步阶段，产品技术水平还相 当低，测试精度和可靠性与国外产品还有相当大的差距，再者，国产热量表 其流量测量用基表多采用原有热水表，其精度难以满足热量表在流量测量精 度上的要求，因此目前国产热量表在测量精度上还少有2 级表，一般为3 级 测量精度。 4 2 热量表原理分析及本研究的主要内容 2 1热量表原理分析 2 1 1 热量表的定义 在国际法制计量组织o i m l r 7 5 规程中，对热量表的定义为：适用于测 量在热交换环路中，被称作载热液体的液体所吸收或转换热能的仪器。 热量表( 热表) 又称热能表、热能积算仪，它用法定的计量单位显示热 量，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的吸热量。目前所使用的 热量表绝大多数只能测量供热量，通过测量热水的流量及供回水温差，计算 两者乘积并进行热量累计。主要由流量传感器、配对温度传感器和积算仪三 部分组成。 流量传感器 流量传感器安装在管路系统上，用于计量流过供热回路的水的体积并发 出流量信号，该信号是载热液体体积或质量的函数，也可是体积流量或质量 流量的函数。主要分为叶轮式，超声波式和电磁式三种形式。 配对温度传感器 配对温度传感器是指对同一个热量表，分别用来测量管路系统的入口和 出口温度的两支温度传感器，分别安装在管路系统的入口和出口，采集系统 内介质的温度并发出温度信号。 积算仪 积算仪是整个热量表的核心。积算仪根据流量计与配对温度传感器提供 的流量和温度信号计算温度与流量，并且计算供暖系统消耗的热量和其他统 计参数，显示记录输出。 2 1 2 热量表的工作原理1 1 0 , 1 1 , 1 2 1 在热交换系统中安装热量表：配对温度传感器分别安装在热交换回路的 入口和出口的管道上，流量传感器安装在入口或出口管上。当水流经系统时， 流量传感器发出流量信号，配对温度传感器给出入口和出口的温度信号，积 算仪采集流量信号和温度信号，按与温度相关的热量系数和体积、温差一起 计算出采暖系统所消耗的热能值，显示出载热液体从入口至出口所释放的热 量值。 图2 1 热量表工作原理图 热量的计算公式有下面两种形式： 1 焓差法 在热量表的热量计算中，流体流经换热器后的焓值变化率与时间有关。 其公式为： q - f 2 q a h d t ( 2 1 ) ，) 1 、 式中：9 一一释放的热量( k j 】 g 。一一流经热量表中载热液体的质量流量 k g s 】 幽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 k g 】 t 时间【s 】 因为q 。= p q ，则q = f 1 用，a h d t = r p a h d v( 2 2 ) 其中，p 为水的密度，k g m 3 ，q ，是体积流量，1 3 1 3 s p 和 是热水温度的函数，因为热量表实际工作时大部分处在稳定状 态，进、回水的温度变化很小，可近似认为测量时进回水温度保持不变，因 此积分计算可由累加和求得。 幺= q i + p 。a h 不同温度下水的密度、焓值可以通过查标准表，再用线性差分计算获得， 其中密度取回水温度的函数。因此只要测量出一定时间内水的体积流量和相 应的进水和回水温度，就能计算出对应的耗用热量以及累积耗用热量。 2k 系数法 如果设备与体积有关而不是质量，则公式为： q ：f - k a 0 d y 矿“ f 2 3 1 式中：q 一一释放的热量【j 】或【k w h 卜一载热液体流过的体积【m 3 】，肛v 1 一v 2 口热交换回路中载热液体入口处和出口处的温差【 k 一一热系数，它是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数 【j m 3 。c 】或【k w h m 3 。c 】 公式( 2 3 ) 由公式( 2 1 ) 转化而来。因为热焓差不是直接测量的量，实际上 热焓值主要与介质的成份温度有关，因为液体的不可压缩性，所以压力影响 可忽略不计。 由g 。= p ( o ) q ，a h = c p a o ，可以得出 q = i 。g 。p ( o ) c p a o d t ( 2 4 ) 将p ( o ) 和c 。组合为新值，称为热量系数k ，那么就可得到实际应用的热 量公式( 2 5 ) 。 q = i ，k a o d 矿( 2 5 ) o 0 进一步可写成如下形式： q = k 矿a o f 2 6 1 式中：k 为热量系数，热介质( 水) 成分的参数，是热介质在实际温度的函 数，可由温度查表得到。a v 为一定时间内流量传感器测量热介质流过热循环 系统体积值，p 为热电阻对测量热循环系统进、出口温差值。 2 1 3 热量表的分类 热量表主要有以下三种分类方式m l ： 1 按结构形式分 ，整体式热量表：温度传感器、流量传感器和积算仪不可分开 。组合式热量表：三个部分可以分丌 2 按热量表功率分 厂户用热量表：q p 2 5 m 3 h ，或功率2 9 0 k w ，t 1 0 0 k l i 业热量表：q 。5 0 0 m 3 h ，或功率1 15 m w ，t 2 0 0 k ( 当功率1 0 m w 时，不属强检范围) 3 按流量传感器测量原理分 广叶轮式【机械式) 热量表 1 0 u s c m ，较洁净的水可达到要求) 。因其结构原理复杂、价格较高，所 以通常不适于用户计量，而广泛应用于大口径的楼宇或工业计量上。 目前，机械式和超声波式两种流量计在国外使用最多。这两种流量计相 比较主要有如下优缺点i 2 ，1 3 1 ： 机械式流量计量程宽，耗电少，不需外部电源，避免了用户断电作弊的 可能；安装时对直管段要求较低，并且可选择在水平或垂直位置安装，若发 8 生故障，只需将机芯拆下清洗而无需拆下整个仪表，维修方便，价格较便宜： 但对水质要求高，微量的铁屑或细砂都会急剧降低测量精度直至短期内损坏。 超声波式流量计功耗较大，必须借助外部电源供电；发生故障通常需要专门 的电子工程师进行维修：价格较高，带超声波流量计的热量表比带机械式流 量计的热量表贵大约1 3 ；但对水质要求较低，不易损坏，使用寿命长。 目前，机械式流量计在热水网的热量计量中占掘主导地位。在最近1 0 年内，有大约1 2 0 0 力_ 只以机械式流量计为基础的热量表在全世界得到安装使 用。在同一时间内，全世界只生产了大约1 0 力1 只非机械式的热量表用流量计 【”】。但从欧洲热量表市场来看，由于机械式流量计对水质要求较高，极易损 坏，其所占分额呈下降趋势，超声波流量计在逐年上升。 2 1 4 热量表的要求1 8 , 9 , 1 2 1 1 通用要求 热量表的材料，特别是转动部件，应有足够的机械强度及耐蚀性，并且 在国家标准的水温条件下能正常工作。外壳应涂层均匀，无裂纹、毛刺等表 面缺陷，壳体应能防水、尘侵入，并用箭头标出载热液体流动的方向。热量 表入口宜配置过滤网并加排污装置。热量表应有检测接口或数据通讯接口， 但所有接口均不得改变热量表计量特性。 2 显示要求 热量表至少应能显示热量，累积流量，载热液体入口温度和出口温度。 热量的显示单位用j 或w h 或其十进制倍数。累积流量的显示单位用m 3 。温 度的显示单位用。显示单位应标在不宜混淆的地方。 显示分辨率要求： 使用时显示分辨率 热量：l k w h 或l m j ；累积流量：0 0 1 m 3 ；温度：0 1 。 检定时显示分辨率 对于d n l5 和d n 2 0 的热量表，热量：一般为o 0 0 l k w h 或o 0 0 1 m j ；累 积流量：一般为0 0 0 0 0 l m 3 ；温度：0 1 。 4 开发所要达到的技术要求1 6 1 1 ) 总体精度达到国家或国际精度标准： 2 1 流量计部分的精度：误差 3 ； 3 ) 温度传感器精确配对。当供回水温差为6 时，测量误差 o 1 ； 9 4 ) 积分计算仪具备热焓和质量密度修萨的功能或程序，误差 o ，5 ： 5 ) 微功耗设计：内减电池可以连续工作5 年： 6 ) 设计结构紧凑，外观精美，配套系列完整。 2 1 5 特点和应用难点 热量表技术特点和难点是：价格较贵，安装复杂应用中要求的量程范 围较大，低流速下的准确度要求高，长期应用和水质恶劣等因素要求仪表的 可靠性与适应性要高，电器元件低功耗以延长电池寿命等。无磁传感器及非 接触式流量检测( 含超声波) 是热量表传感器发展的趋势。 2 。2 本研究的主要内容 热量表通过两种传感器测得的物理量一一热载体的流量和进回水的温 度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算来得到热量值。它是一种以微 处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品，其研究领域涉及到机械、 电子、工程热物理、材料和控制学科。本研究中主要解决以下几个方面的 问题： 2 2 1 旋翼式基表的设计及流量信号采集 流量检测精度直接影响热量表的整体精度，而影响流量检测的两个重要 因素分别是流量检测基表和流量信号的采集处理。 由前所述，流量传感器有机械式、电磁式和超声波式三种形式。综合考 虑其经济性、可维修性及对工作条件的要求程度，我们选择机械式流量传感 器，即设计一种旋翼式基表。根据水流形式的不同，基表可分成单流束和多 流束两种【1 2 , 1 4 1 。单流束基表结构简单，内部空间大，不易被水中的杂质堵塞， 但流量检测精度低。多流束基表通过导流叶片形成多通道，提高了检测精度 但容易造成堵塞。 国产热量表目前多采用原有热水表作为流量检测的基表，水流形式多为 单流束。这种旋翼式基表本身的测量精度为5 ，难以达到热量表流量检测 的要求1 1 4 1 。在本研究中拟采用种新的基表结构形式，在单流束基表的基础 上在流道入口加一分流片，引导水流进入叶轮室后逆时针旋转，提高检测精 度的同时又可保证流道不致过于狭小造成堵塞。分流片的形状和位置角度将 通过理论分析和实验来确定。 1 0 一般情况下，用于热量表的旋翼式流量检测基表的信号采集方式根据检 测原理的不同可分为磁铁耦合式和无磁式两种【1 2 】。 磁铁耦合式主要有三种结构形式：叶轮磁铁+ 测量腔内或腔外磁铁，叶 轮磁铁+ 感应线圈指针磁铁+ 感应干簧管。磁铁耦合式简单易行，但因为磁 力的存在容易吸附水中的金属及细小颗粒堵塞流道，并且磁铁可能失效。干 簧管稳定性不足，长期运行破损率较高，对于热量表五年以上的使用周期， 此种采集方式缺陷较多。 无磁式信号采集方式的电路由电感和电容组成，电感下方为旋转的叶轮， 其上镶有半圆形金属膜片，当叶轮旋转时，每个电感交替产生有阻尼和无阻 尼振荡，借以产生计数信号，以实现流量的测量。这种方式的传感器激励电 流小，叶轮可实现高频计数，功率消耗低，可以使热量表容易实现微功耗设 计，叶轮无磁铁，使基表的始动流量减小，且不受介质水锈影响，但是这种 流量传感方式需用的电子元器件性能要求比较高，常规电子元器件很难满足 温度变化的要求。美国德州仪器公司以此原理专门研制了t m s 3 7 2 3 b 流量芯 片，该芯片可在一1 0 8 0 范围内正常工作。 鉴于无磁式信号采集方式的诸多优点，本研究中流量信号的采集将采用 无磁式，通过t m s 3 7 2 3 b 流量芯片来加以控制。 2 2 2 温度的可靠测量 由热量表的计算公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知，温度的准确测量是影响热量表精 度的另一个重要因素。 目前的测温方式主要有桥式电路和斜率a d 两种方案【”】。桥式电路是一 种比较传统的温度采集方案，稳定性好。但它的电路器件较多，对电阻精 度要求较高，匹配较为复杂，实际制造工艺很难保证两块电路板的一致性。 而且此电路所测量的电阻值与电源电压有关，若电池经长期使用后电压下降， 则所测量的温度值的准确性也越来越差。本研究中将采用斜率a d 测温方案， 用m s p 4 3 0 内部比较器通过一定的电路配合实现电阻的精密测量。 2 2 3 低功耗设计 热量表的技术要求中明确规定，一节3 v 3 6 v 锂电池必须能持续运行 5 年以上，这就要求热量表必须保证低功耗，以延长电池的使用寿命。因为 即使是高性能的锂电池其能量也是有限的，频繁更换电浊会给用户造成很 大不便。硬件方面，我们拟采用m s p 4 3 0 系列专门为低功耗设计的1 6 位单 片机，合理设计电路；软件方面，通过程序控制，使系统尽可能工作在最 低耗能状态。 3 旋翼式基表设计及流量检测 3 1 流量信号采集的理论基础和流量方程 3 1 1 管内流动简述 管内流体流动时存在两种状态，一为层流状态，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，流量与压力降 成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比。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。 由上可知，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。用雷诺数r e 作为它的判据。当流体在圆形管路流 动时，其雷诺数r e 可写成： r e 。：丝( 3 1 ) ” v 式中”一一管内流体平均流速 d - - 一管道内径 v 一一管内流体的运动粘度 若写成与流量q ，的关系式，即为： r e d ：萼 ( 3 2 ) 刀柳 通常可以认为，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 界判据。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 c 。大于 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用 下式表示： 虬= “一【1 一( 冬) 2 】 1 ( ( 3 3 ) 式中，“一距管中心距离处的流速 “一一一管中心处的最大流速 7 ；一一距管中心线的径向距离 r 一一管内半径 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“。 当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： i ， 一 “，= “。( 1 一 ) “ ( 3 4 ) 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一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。 通过测量流体速度求得流量的流量计，一般是检测平均流速，然后求得 流量。所谓平均流速，一般是指流过管路的体积流量除以管路截面积所得到 得数值。设管路截面积为4 ，体积流量为q 。，则平均流速”为： 1 4 石：盟：鲤 爿a ( 3 5 ) 对于圆管，在层流流动状态下，利用式( 3 5 ) 可得其平均流速为： 五：峰z r r ：掣 2 一 3 。、 2 艘2 ”一 fm 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： 五：学：掌i ：淼( 2 n 限， ，暖2艘2 + 1 ) ( 竹年1 ) ， 3 1 2 两个流动基本方程 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。 1 连续性方程 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。对管内定常流动的任意两个 截面，有如下的方程成立： p 1 雹4 = p 2 巩爿2 ( 3 8 ) 对于不可压缩流体，p 为常数，方程简化为 玩4 = _ 2 a 2 ( 3 9 ) 2 伯努利方程 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 结论： 对于流管中的任意两个截面1 1 和2 2 ，有如下关系成立： 引号+ 等喝+ 告+ 等 b 式中，g 一一重力加速度 毛，2 2 一一截面1 1 和截面2 2 相对某一基准线的高度 a ，p 2 一一两截面上个各自的流体静压力 “t ，“：一一两截面处流体的平均流速 式( 3 8 ) 中的每一项的量纲为【工2 ，2 ，实际它们的量纲是【i i v i l + l + 二】， 7 ”肘 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，伯努 利方程说明了流体运动时，不同性质的机械髓可以相互转换，且总的机械能 守恒。这就是伯努利方程的物理意义。在实际流动中，由于流体不是理想流 体，因此流体与管壁的摩擦、流体内部的相互摩擦等会使流体中的一部分机 械能转换成热能而耗散：在一些突然的弯头、阀门等处由于流体激烈的扰动 而使一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+ 告+ 等吃g + 告+ 等飞 b 式中，”w g 表示在截面1 1 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 叶轮式流量计的原理及公式n 7 1 叶轮式流量计是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量成正比。由此，流量可通过叶轮的旋转角速度得到， 而流体通过流量计的体积将从叶轮旋转次数求得。叶轮流量计的共同特点是： 1 6 结构较简单、重量轻、测量精度较高、用小型表可测大流量，很容易实现脉 冲信号远距离传送。 叶轮的转数与通过流量计的流量成比例，其比例系数k 为： 世：上 q 式中：_ 厂叶轮的转数 q v 通过流量计的流量 ( 3 1 2 ) 该比例系数也称为叶轮流量计的仪表系数。当厂是采集到的脉冲数时， 该比例系数也可称为当量脉冲数。 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 。之间的关系。 理想特性仅与仪表结构参数有关，与流量变化无关，仪表系数足为一常 数，在世一q 图上为一平行于横轴的直线。 3 2 2 始动流量值q v 。 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爿能转 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 。当通过流量计的流量小于始动流量值g 。时，叶轮不转，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，叶轮越轻，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，由轴承间摩擦产生的机械阻力矩相对就比较小了。因此，在以下的讨论 中。我们假定机械摩擦阻力忽略不计，由于在不周的流动状态下，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。 在层流流动状念时，流体流动阻力与流体粘度芦，叶轮旋转角速度甜成币 比，而叶轮角速度又与流体流量成j 下比。仪表系数x 将随流量9 。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k 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k 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k 才真j 下显示了常数的性质。仪表系数k 接近 为常数的这个区间，也就是该流量计的流量测量范围。 图3 1 一q 特性曲线 由于层流时流体阻力矩较紊流时要小一点，所以在层流与紊流的交界点 上，特性曲线上足有一个峰值。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，可作出矸轮流量计的k q 特性益线，如图3 i 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 流量信号采集方法 3 3 1 流量测量原理 由2 2 1 的分析可知，无磁式流量传感器较传统的磁铁耦合式有更多优 点，故采用无磁式传感器方案，具体电路方案为t m s 3 7 2 3 b 方案。 t i d s 3 7 2 3 b 是美国德州仪器公司生产的流量芯片 1 9 , 2 0 ，被广泛应用于欧洲 热量表产品。它的内部有1 2 个控制寄存器和13 个数据寄存器，通过向控制 寄存器中写入数据可以实现对采样频率、比较器比较电压、中断方式、时钟 信号源、电感的开启和关闭等项目的控制，读出数据寄存器中的内容可以知 道各个电感的状态、叶轮旋转圈数、叶轮旋转方向等信息。 实际在热量表中使用t m s 3 7 2 3 b 主要是读取1 4 旋转寄存器和电感状态 寄存器中的内容。当叶轮旋转一圈时1 4 旋转寄存器中的数据加4 ，当1 4 旋 转寄存器中的数据读出后可自动清0 。只要定期读取1 4 旋转寄存器中的内 容，就可以计算出在这一时间间隔内的叶轮转速。电感状态寄存器中保存当 前电感的状态等信息，通过读取电感状态寄存器中的数据可以判断电感是否 存在故障。下面简要说明一下t m s 3 7 2 3 b 是如何判断电感状态并计数的。 如图3 2 ，流量传感器由四个电感线圈构成，但最多作三个来判定探测， 另外一个是多余设置的。它们在旋转轨道上间隔9 0 度均匀分布，其工作时转 数和旋转方向都必须事先确定。旋转部件的半边涂抹了用蒸汽处理过的阻尼 材料，这样任何时刻4 个电感中都会有2 个处于阻尼材料处而另外两个相反。 s e n s o ra 图3 2 1 9 每个电感均和电容组成l c 振荡电路，由t m s 3 7 2 3 b 定期对l c 电路充放电 以使l c 电路产生逐渐衰减的正弦信号，比较器把衰减的正弦信号转换成数字 脉冲，只要输入电压高于设定的内部值。脉冲就将持续高值。如图3 3 所示。 卜诤一。k n几 l jk v c c 当电感位于阻尼材料处时，由于会在阻尼材料中感应出电流，正弦信号 的衰减速度会加快，电感处于有阻尼状态，相反当电感位于无阻尼材料处时， 正弦信号的衰减速度较慢，电感处于无阻尼状态。t m s 3 7 2 3 b 芯片通过内部的 比较器可判断出这两种状态。 无阻尼振蔼 阻尼振蒋 图3 4 当旋转部件旋转时，- - - - 4 电感依次在有阻尼状态和无阻尼状态之间切换， t m s 3 7 2 3 b 判断各个电感的状态，写入相应的状态寄存器中。每旋转一圈， t m s 3 7 2 3 b 内的l 4 旋转计数器加4 。 本设计中的旋转部件为叶轮，脉冲采集实现方式如下： 在叶轮上方安装一个圆形塑料膜片，塑料膜片上压有半圆形的阻尼材料 ( 铜片) 。在塑料膜片上方设置间隔9 0 。分布的三个电感l 1 、l 2 和l 3 ，每个 电感均和电容组成l c 振荡电路，如图3 5 所示。 图3 5 叶轮旋转时带动其上的半圆膜片一起转动，膜片上方的电感就会依次在 有阻尼和无阻尼两种状态下转换，t m s 3 7 2 3 b 判别