（检测技术与自动化装置专业论文）超声波热量计量与控制网络化系统的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着我国热量计量事业的快速发展，供热采暖系统实行按热量收费已成为必然趋势。 为了实现按户计量、科学合理的计费，设计开发了一种基于超声波技术、无线通信技术、 计算机控制技术、虚拟仪器技术以及网络技术的热量计量与控制网络化系统。与传统热 量计量系统相比，该系统具有免布线、体积小、运行可靠、维护方便、远程实时监控等 特点，在热量计量行业的技术发展和应用前景方面具有前沿性和实用价值。 本系统中热量计量部分采用以超声波流量测量为原理的超声波热量测量技术，符合 供热系统未来的发展需求。在得到用户热量数据的基础上，利用z i g b e e 无线网络技术组 建热量计量网络，实时监控热量表的运行状态，上位机通过无线网络采集数据，并利用 虚拟仪器技术对数据进行显示、存储和管理。本文的主要研究内容如下： 第一，针对目前热量计量系统中存在的主要问题，阐述了本课题的主要研究内容， 并提出了需要解决的关键技术。 第二，在分析热量计量的原理以及计算方法的基础上，对k 系数热量计算方法进行 了修正，并分析了流量计量的误差原因。设计了超声波发射、接收及放大电路，针对需 要测量纳秒级时间差的现状，提出了增加时间数字转换模块的设计方案，提高了热量表 的计量精度。设计了热量表软件系统，实现对热量的计算、显示和存储以及数据传输， 编写了热量表的主程序及其各中断子程序。最后，设计了室内温度的模糊控制系统。 第三，设计了热量计量无线网络节点的硬件电路。在z i g b e e 协议栈程序实现的基础 上，编写了协调器和终端节点的应用程序。然后，分析了节点之间的数据通信过程以及 热量计量网络的实现过程。最后，提出了树形路由拓扑算法，拓展了无线网络的覆盖范 围，用于热量的远程计量。 第四，在l a b v i e w 的基础上，设计了热量计量系统的前面板，用于实时显示采集 的热量数据。通过l a b v i e w 数据库访问包调用子v i 的方式实现了l a b v i e w 与数据库 的连接，利用s q l 语言可以执行数据库的任何操作。 文章最后对全文进行了概括性的总结，提出了下一步的研究方向和研究内容。 关键词：超声波，热量表，无线传感器网络，热量计量 山东建筑大学硕士学位论文 u l t r a s o n i ca n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do n h e a tm e t e r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m l il i a n f a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yd u a np e i y o n g a b s t r a ct i nc o m p a n yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh e a tm e t r o l o g yp r o j e c to fo u rc o u n t r y , i ti sa n i n e v i t a b l et r e n dt h a th o u s e h o l dh e a t i n gi sp u ti n t op r a c t i c ei nt h eh e a t i n gs y s t e m i no r d e rt o r e a l i z et h et a s ko fm e a s u r i n ga n dc h a r g i n gt h eh e a t i n ga c c o r d i n gt ot h eh o u s e h o l d ，a n e t w o r k e ds y s t e mf o rh e a tm e t e r i n ga n dc o n t r o li sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do i lu l t r a s o n i c t e c h n i q u e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u e ，v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n i q u e c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ls y s t e m ，t h ef e a t u r e so fa v o i d i n g c a b l i n g ，s m a l ls i z e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，o p e r a t i n gr e l i a b i l i t ya n dr e m o t er e a l t i m em o n i t o r i n g a r es h a r e di nt h i ss y s t e mw h i c hi sv e r yi n n o v a t i v ea n dp r a c t i c a lf o rt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o ni nt h eh e a tm e t r o l o g yp r o je c t t h eu l t r a s o n i ch e a tm e t e r i n gt e c h n i q u eb a s e do nu l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n ti sa d o p t e d i nt h i ss y s t e m ，w h i c hi st h ed e m a n df o rh e a t i n gs y s t e m a f t e ro b t a i n i n gt h ed a t ao fh o u s e h o l d h e a t ，an e t w o r k e ds y s t e mf o rh e a tm e t e r i n gi se s t a b l i s h e db a s e do nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k t e c h n o l o g y , w h i c hi sm o n i t o r i n gt h er e a l t i m er u n n i n gs t a t u so fh e a tm e t e nt h u s ，t h eh e a td a t a i sc o l l e c t e db yt h ep cb a s e do nw i r e l e s sn e t w o r k ，a n di sd i s p l a y e d ，s t o r e d ，m a n a g e db ym e a n s o ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h em a i nc o n t e n ts t u d i e da n dt h ek e yt e c h n o l o g ys o l v e di sd e s c r i b e db a s e do n t h e m a i np r o b l e m se x i s t i n gi nt h i sh e a tm e t e r i n gs y s t e m s e c o n d l y , t h eh e a tc o e f f i c i e n tk i sa m e n d e db a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o n m e t h o do fh e a tm e t e r i n g ，a n dt h e nt h er e a s o no ff l o wm e a s u r e m e n ti sa n a l y z e di nt h i sp a p e r i n t h es y s t e mh a r d w a r ep a r t ，t h eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n da m p l i f y i n gc i r c u i ta r e d e s i g n e d ，a n dt h ed e s i g ns c h e m eo fa d d i n gt h et i m e t o d i g i t a lc o n v e r t e ri sp u tf o r w a r di no r d e r t oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fh e a tm e t e r i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h em a i nf u n c t i o no fh e a tm e t e r a n ds o m ei n t e r r u p tf u n c t i o n sf o rh e a tc a l c u l a t i o n ，d i s p l a y i n g ，s t o r i n ga n dt r a n s m i t t i n ga r e i i 山东建筑大学硕士学位论文 a c c o m p l i s h e di n t h i sp a p e r a tl a s t ，at h e o r yo ff u z z y c o n t r o li sa p p l i e di nt h ec o n t r o ls t r a t e g y o fr o o mt e m p e r a t u r e t h i r d l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ew i r e l e s sn e t w o r ko fh e a tm e t e r i n gi sd e s i g n e d t h e n t h ea p p l i c a t i o no fc o o r d i n a t o ra n dn o d e sb a s e do nz i g b e ep r o t o c o ls t a c ka r ed e s i g n e d ，a n d t h e nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o c e s s e sa m o n gn o d e sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so f t h ew i r e l e s sn e t w o r ko fh e a tm e t e r i n ga r ea n a l y z e d a tl a s tt h ea l g o r i t h mf o rt o p o l o g yo ft r e e r o u t i n gi sa d v i s e da n dt h ec o v e r a g eo fw i r e l e s sn e t w o r k si se x p a n d e df o rt h ep u r p o s eo ft h e i m p l e m e n t a t i o no ft h er e m o t em e a s u r e m e n to fh e a t f o u r t h l y , t h ef r o n tp a n e lo ft h eh e a tm e t e r i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wi sd e s i g n e d ， w h i c hi sa p p l i e di nt h ed i s p l a yo fr e a l t i m eh e a td a t a t h e n ，t h ec o n n e c t i o no ft h ed a t a b a s ea n d l a b v i e wi si m p l e m e n t e di nt h ew a yo fc a l l i n gt h es u b v ib yl a b v l e wd a t a b a s ea c c e s s p a c k a g e t h u s ，a n yo p e r a t i o no fd a t a b a s ei sp e r f o r m e db yt h ew a y o fu s i n gt h es q l l a n g u a g e f i n a l l y , t h ef u l lt e x ti ss u m m a r i z e da n dt h ed i r e c t i o n sa n dc o n t e n t so f t h ef u t u r er e s e a r c h a r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，h e a tm e t e r , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，h e a tm e t e r i n g i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过 的材料。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。 本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将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、缩印或其它手段保存、汇编学位论 文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 蘑嘲眨翻 山东建筑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 我国人口众多，房屋建筑规模大，尤其是近几年随着房地产业的兴起，人均居住面 积大大增加。如此庞大的房屋建筑及住宅建设是以资源和能源的高消费为代价换取的， 由于当前我国建筑物的保温隔热和气密性能差，供暖系统热效率低，单位建筑面积采暖 能耗为相同气候条件下发达国家的三倍【l 】，因此建筑节能迫在眉睫。 建筑节能包括建筑围护结构的节能和系统节能。近几年，国内加大力量进行建筑节 能研究，在墙体保温上做出了努力，但是节能效果并不理想，其原因是：通过改善墙体 结构使室温有所提高，甚至出现了过热现象，但是因为没有房间温控与计量手段，用户 在感觉到温度过高时通常会开窗降温，使得通过改善墙体结构降低室内热负荷所做的工 作没有体现出来，没有达到节能的目的。因此改善围护结构节能只能为建筑节能创造条 件，而温控计量才是落实节能的关键。如果没有温控计量，则不能将能耗与用户的经济 利益联系起来，不能从主观上促进用户节能，因此系统节能成为建筑节能的一种趋势。 为了达到系统节能的目的，我国即将实行的城镇供热体制改革的一项重要内容就是 逐步取消按建筑物面积收费，推行按用热量分户计量收费的办法【2 】。为了推行这一新的 收费办法，建设部要求从2 0 0 3 年8 月以后凡使用集中供热设施的城镇新建公共建筑和民 用住宅，必须设计、安装具有分户计量及室温调控功能的采暖系统，并执行按照用热量 分户收费的新办法，计量及温控的设施费用计入房屋建造的成本【3 j 。但传统的计量技术 和计量方式所使用的热量表多为旧式仪器仪表，这些热量表已经无法满足社会的需要， 它们存在着精度低、体积大、可靠性差等缺陷。随着微电子技术、计算机技术、软件技 术的高速发展，智能化热量表朝着微型化、数字化和网络化方向发展，并逐步取代旧式 的计量仪表，因此新的计量技术和计量方式成为研发的热点。随着通信技术和网络技术 的发展，智能网络计量方式也将逐步替代传统的计量方式，这样可以将智能网络热量表 的管理统一到物业中心，大大节省人力、物力和财力，而且可以实时监控智能网络热量 表的使用情况，有利于管理部门的管理。 - 一 根据发达国家经验，采取分户计量收费措施可节能2 0 3 0 0 】。但是，目前国内供 热单位没有对各个用户使用的热量进行有效和精确的测量和计费，这在一定程度上造成 资源的极大浪费。在水、电、煤气计费系统日益普及的今天，按户对热量消耗计量收费 可使热量费的收取更趋合理，但必须要使用专门的热量表对热量进行准确的计量。我国 山东建筑大学硕士学位论文 的供热计量改革是建筑节能的重要一环，关系到我国的能源战略，关系到和谐发展和国 际合作与竞争，大势所趋，不可逆转。 1 2 国内外热量计量技术现状、水平与发展趋势 集中供热发达的西欧和北欧国家，对热用户的节能措施十分重视，主要体现在用户 的室温控制、保证水力分配平衡和建立热能消耗计量等几个方面。早在4 0 年代，一些国 家就开始实施室温控制，主要是要达到舒适的目的。2 0 世纪7 0 年代石油危机的出现， 使人们认识到节约能源的重要性，节能技术和设备随之得到迅猛发展。室温控制和按实 际耗热量计费成为实际需求和节约能源必不可少的重要组成部分。北欧国家普遍采用热 量计量收费制度，并且制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施，尤其是在采暖系 统中安设自动控制装置，以使用户能够充分利用自由热，提高舒适度【4 j 。 我国在按户计量与温度控制方面的研究处于起步阶段，当前的任务是深化理论计算 研究，完善适合中国国情的系统方案，进行深入、全面的试点试验，制定相应的测试方 法。我国到2 0 1 0 年在新建住宅和现有住宅中将全面推广分户热计量供暖形式，实行按照 用热量收费制度。热量收费系统又包括完成热量计算的热量表和热量数据抄表系统。 1 。2 1 热量表的国内外发展现状 热量表最早起源于欧洲，德国从1 9 6 4 年开始热量表的研制工作。最初的热量表为机 械式，流量测量采用孔板、文丘里管等，7 0 年代后才出现了电子热量表，而电子式热量 表也经历了从模拟积分式、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。 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 m 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 ) 。直到九十年代，户用热量表基本 定型，设计趋于一致。1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正式统一热量表标准的代号为e n l 4 3 4 5 】【6 】。 过去若干年里，中国热量表的研发、生产过程中，一方面学习借鉴了国外成熟的先 进技术，另一方面也针对中国国情做了大量自主开发的工作。但中国的热量表产业与国 外相比还仅仅处于起步阶段，市场尚未形成规模，品牌形象也未树立，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。户用热量表在试用过程中发 现的问题包括：精度太低、寿命太短、停止工作、甚至阻塞供热管道影响居民生活等。 不仅给热量表用户或热力站、建筑物业管理公司造成投资浪费，人力物力损失；也同时 影响到热量表生产企业，过高的维修、赔付费用，使得入不敷出，损失惨重。虽然很多 企业已针对热计量对流量计的特殊要求，在材质和结构方面进行了专门的设计，但大多 山东建筑大学硕士学位论文 数国产热量表在测量精度上还是难以满足2 级表的要求，一般为3 级测量精度。 另外，由于我国供水水质普遍较差，机械表易堵塞，使用寿命短，所以基本没有推 广价值。而超声波热量表由于利用超声测量原理可制成非接触式仪表，测量不受压力、 密度、粘度等影响，无可动部件，使用安装方便，非常适合作为户用热量计量仪表。早 先，超声波流量计主要是用来进行大口径测量，但随着当今电子技术和超声波技术的发 展，超声波流量计也可适合小口径测量。 2 0 0 0 年之后，超声波热量表在国外快速发展，这种热量表不仅测量精确而且体积小、 安装方便，智能化程度很高，显示功能强大，一节电池可以较长时间供电。目前，国内 有不少仪表公司开始出售超声热量表，但他们绝大多数是为国外如丹佛斯、西门、真兰、 斯伦贝谢、荷德鲁美特等著名热量表企业做代理。这些国外知名品牌热量表虽然技术已 比较成熟，但其市售价格很高，且技术对国内企业封锁，因此国产化的关键不仅是技术 上要达到国际标准，而且成本上要降低，使之适应广大国内老百姓的消费水平。 最近，国内的唐山汇中仪表公司指出其自行研制了户用超声热量表，正处于市场推 广阶段，技术上基本实现目标，但仍需要完善，而且售价较高与国外产品相比未显示出 优势。该课题正是针对这些实际问题，对超声热量表进行研究，使超声热量表技术更趋 于成熟，完全实现国产化，可想而知，中国的热计量仪表产业，将是全世界最大，最有 潜力的产业，但目前还在起步阶段。 1 2 2 热量计量方式国内外发展现状 热量计量管理中心需要抄读户用热量表的数据，然后完成热量收费。最早采用人工 抄表的方式，随着通信技术和网络技术的发展，目前国内外普遍采用三种户外热量计量 的方式：i c 卡预付费系统、电力线载波和总线制集中抄读系统。 ( 1 ) i c 卡预付费系统。需要使用i c 卡表，虽然解决了入户抄表难和催费收费难的 问题，但是这一系统存在一些问题：技术不成熟，经常出现误报警；i c 卡表抗干扰能力 弱，特别是开放的读写窗口，易受外界攻击，伪造智能卡的出现，极易发生用热纠纷； 难以上网抄读热量表数据，更不能实现整个小区及城市水、气、电网的自动抄收、银行 收款。 ( 2 ) 电力载波自动抄表系统。电力载波是利用电力线进行测量数据传输，电力载波 主要优点是利用已有电力线，安装简单，节省资源。但我国的电网不纯净，在传输数据 过程中，经常会受可变的强电磁干扰，导致传输数据出错。要想解决我国电力载波抄表 3 山东建筑大学硕士学位论文 系统的关键技术，就必须进行电网改造，工程很大，因此利用电力载波系统的热量表不 适合我国国情【7 j 。 ( 3 ) 总线制集抄系统。总线制抄表系统兼顾i c 卡系统的优点，又能实现可靠性强、 线路简单的特点。总线制抄表系统的抄表方式在国内普遍使用r s 。4 8 5 接口或m b u s 仪 表总线，r s 4 8 5 接口为工业仪表总线，对安装要求较高，拓扑结构要求为总线结构，电 源分正负极；m b u s 仪表总线为消费类仪表国际通行标准，其拓扑结构为总线结构，同 时完成提供表计电源和数据通信的功能，不用区分极性，具有良好的开放性。 在上述三种户外计量方式中，电力线载波和总线制集抄系统为有线热量计量控制系 统，它们能充分利用电话网络，电力线网络、闭路电视网、r s - - 4 8 5 总线网。其主要有下 列优点：可实现实时抄表、实时监测、实时控制，可检测出设备破坏、非法使用等情况， 抄表速度快、人员少，抄表率、准确性也大大提高。可实现预付费功能，用户充值后， 数据通过网络远程下载，可避免用户直接触表具，提高设备使用寿命。 但是，有线系统也存在很多自身无法解决的问题，涉及布管问题、穿线问题，需要 预先设计；施工周期长、工程安装成本及维护成本高；系统的扩展升级和与其他网络的 兼容等问题。各类有线远程热量计量系统由于长距离室内外的布线，存在着短路、断线 隐患，错综复杂的线路使系统调试维护困难重重，而且停电时间超过备用电池负担时间 情况下，系统计数不可避免地与机械表头读数出现误差。 近些年来，无线网络抄表技术也在快速发展，采用近距离无线通信技术和计算机网 络等技术自动读取和处理表计数据。这样，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄 表的准确性、实时性，使管理部门能及时准确地获得数据信息；无需架设电缆，节省了 人力物力，节约了投资；无线的方式可迅速建立起通信链路，工程周期大大缩短。另外， 相比有线系统有更好的扩展性，出现故障时只需维护无线数据模块，能快速找出原因， 恢复系统正常运行。 目前已有许多开发成功的无线抄表系统，掌上抄表器以及抄表车。随着无线通信技 术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，如z i g b e e 协议网络 技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。主 要用于近距离无线连接，应用领域主要包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、 农业自动化和医用设备控制等。这项技术的核心是由i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定，而高层 应用、互联互通测试和市场推广则由2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责。到目前为止，z i g b e e 联盟的成员已经达到了1 5 0 多家，成员包括了像i b m 、e m b e r 、日本三菱、摩托罗拉公 4 山东建筑大学硕士学位论文 司以及荷兰飞利浦半导体公司等世界上著名的公司，新增加中国华为技术有限公司 8 1 。 众多的半导体商瞄准了z i g b e e 的市场，刚推出标准不久，符合协议标准的芯片就己经面 市，有多芯片解决方案，也有单芯片解决方案。z i g b e e 技术作为无线抄表的技术载体， 其主要优点【9 1 为： 。 ( 1 ) z i g b e e 技术能够很好地支持网络的自组织功能。无需人工干预，网络节点能够 感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，抄表网络具有自组织功能。 ( 2 ) z i g b e e 技术能够很好地支持网络的自愈功能。增加或者删除一个节点，节点位 置发生变动，节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调 整，无需人工干预，保证整个抄表系统仍然能正常工作。 ( 3 ) z i g b e e 技术最显著的技术特性是低功耗和低成本。能够使整个抄表网络在相对 长的时间内保持稳定。 z i g b e e 技术还在不断的发展和完善，从硬件和协议上能保证节点间通讯的高可靠 性。可以预测，凭借其可靠性高、成本造价低、易于普及等优点，将成为未来发展的必 然趋势。 1 3 需要解决的问题及技术路线 。 1 3 1 需要解决的问题 热量计量与控制网络化集成系统涉及电工学、流体力学、测量控制和网络集成等多 学科门类，结构复杂，技术要求高。针对热量计量方面的要求，国内还没有制定出自己 的标准。目前需要解决以下技术问题： ( 1 ) 热量表的精度与寿命。热量表中流量计的研制和开发难度较大，问题也较多。 国际法制计量组织( ( r 7 5 号国际建议要求热量表的所有组合部件必须用好的材料牢固 的制造，能够抗各种腐蚀和正常使用时产生的磨损。国外生产厂商一般承诺在水质符合 要求的前提下热量表可连续使用6 年，并保证设计精度。对于国内使用情况来看，关键 的问题是水质，尤其是国内大部分热量表的流量测量采用机械式方法，这就存在磁铁的 锈蚀和磁铁吸附小铁屑的问题，对流量的测量造成误差。 ( 2 ) 联网功能差。目前开发的热量表，其数据通讯一般只是简单的进行热量数据的 单向传输。从使用功能来看，热量表的数据通讯应该不仅能传输热量、流量等数据，还 要对这些数据进行管理与存储，分析各用户的用热量趋势，并具有远程控制功能，这就 需要热量表有良好的联网功能。 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 2 采用的技术路线 ( 1 ) 采用微功耗的超声传感技术，提高分户热量表流量计量性能 热量表中流量计是主要的部件，目前我国供热系统对热量表选用的流量计提出了苛 刻的要求，超声波流量计作为发展潜力巨大的产品，多是应用于大流量的测量，具有精 度不够高、耗能大等缺点。本设计将微功耗的超声传感热量测量技术和时间数字专用集 成电路t d c g p 2 应用于热量表中，能够大大提高系统的测量精度、降低系统功耗和故 障率、延长使用寿命。 ( 2 ) 采用无线传感器网络技术，实现热量自动抄录和室内温度的远程控制 借鉴水、电、气的三表集中抄表的经验和教训，直接采用z i g b e e 无线传感器网络技 术，将热量数据通过无线网络传到热量计量集中器上，并利用虚拟仪器技术将热量数据 进行显示、存储和管理用户数据。同时，用户也可通过无线网络和室内温度控制器，实 现对室内温度的远程控制，进一步节约能源。 1 4 课题研究的主要内容 本论文主要完成了超声波热量表的软硬件开发，并在此基础上构建基于z i g b e e 无线 网络技术的热量计量网络化管理系统。其主要工作有以下几个方面： 第一章主要介绍了课题研究的背景及意义，以及热量表和热量计量方式的国内外研 究现状，提出了需要解决的问题和采用的关键技术。 第二章详细设计了超声波热量表的硬件电路，编写了软件程序，分析了热量计算的 误差修正方法，以及针对室内温度控制提出了控制策略。 第三章在超声波热量表的基础上完成无线网络计量系统的构建，设计了无线网络节 点的硬件电路，编写了软件程序，分析了节点之| 日j 的通信过程，并采用一定的路由算法 完成网络的拓扑。 第四章阐述了虚拟仪器技术的概念，并利用虚拟仪器技术将热量数据进行显示、存 储和管理用户数据。 第五章对本论文工作做了总结，指出了不足和将来的工作方向。 1 5 小结 本章主要是在介绍了课题研究的背景及意义后，分析了热量表和热量计量方式的国 内外发展现状，提出了课题需要解决的问题、采用的关键技术、研究的主要内容。 6 山东建筑大学硕士学位论文 第二章超声波热量表的设计与实现 在热量计量与控制网络化系统中，超声波热量表作为热量的计量仪表，其准确性和 可靠性直接关系到热量管理部门能否按用户用热量进行科学合理的收费。由于我国在热 计量方面还是处于起步阶段，存在一定的盲目性与试探性，研究中出现了一些问题和争 议，因此，有必要进行更深入的研究和开发适合国内需要的先进的热量表。 2 1 热量计量原理及误差修正 2 1 1 热量计量原理 热量计量的原理是：当热水以一定的温度从进水管流入一个热交换系统( 暖气片、 管道等) 后，热水通过热交换系统散失热量，用户通过热交换系统获取热量，最后热水 以较低的温度从回水管流出。将一对温度传感器分别安装在热交换回路的上行管和下行 管上，并将流量传感器安装在供热管网的入水口或出水口上，微处理器采集流量和温度 数据，按照一定的热量计算公式，得到用户在一定时间内所获得的热量。 目前，国产热量表的热量的计算公式主要有两种形式【l o 】：焓差法和k 系数法。焓差 法的计算公式如式( 2 1 ) 所示： q = 【l m ( h ，一绋) t i t ( 2 1 ) 式中q 为热量( k j ) ，l m 为质量流量( k g h ) ；h i 为热交换系统中入口温度对应水的比 焓值( k j 蚝) ；以为热交换系统中出口温度对应的水的比焓值( k j 蚝) ；t 为时间( s ) 。 焓差法公式计算简单，但热量计量精度的高低取决于出入口温度的测量精度，精度 越高，数据存储所需的空间就越大，对于实测温度，需要用到插值原理技术，这很容易 就会引入一些人为的误差。而常系数焓差法计算简单，使程序计算量减少，计算速度大 大加快，但没有考虑水的密度是温度的函数，没有对常系数进行在线的温度补偿，温度 适应性较差，不适合应用于户用热量表 1 1 】。 k 系数补偿法实现了热系数的在线温度和压力补偿，大幅度提高了热量计量的精度。 k 系数法的计算公式如式( 2 2 ) 所示： q 2 k ( 够一o r 沁l v ( 2 2 ) 式中v 为累积流量( m 3 ) ：k 为热系数，是载热液体在相应温度、温差和压力下的函数 ( j m 3 ) ；0 ，为入v i 温度( ) ；绋为出口温度( ) 。由于热量表行业的标准以及热 量表检定规程都是以欧洲标准e n l 4 3 4 “热能表”为范本，结合我国具体国情进行制定的。 7 山东建筑大学硕士学位论文 根据欧洲标准e n l 4 3 4 热能表可知，k 系数的计算公式 1 2 】为： k ：三竺鱼 v o s o r 式中v 为比容( m 3 k g ) ，乃和吃可按下式进行计算： h = r t + 以 式o e r = 4 6 1 5 2 6j ( 磁k ) ；t = 1 3 8 6 k ； ( 2 3 ) ( 2 3 1 ) 3 4 以= n i ( 7 1 一万) j i ( r - 1 2 2 2 ) 山一l ( 2 3 2 ) 其中n i 、以为常数，f = 。通过式( 2 3 ) 可以看出k 系数法也与焓差有着密切的关 系，由于热系数是压力和温度的函数，v 可按式( 2 3 3 ) 进行计算： l j ：盥( 2 3 3 ) = 二2 lz ，一，j p ? 式c r = 4 6 1 5 2 6j ( x g k ) ；0 = 臼，或p ( 取决于热量表的安装位置) ；p = 1 6 5 3m p a ； 以可按下式进行计算： 3 4 以= - n i ( 7 1 - - 万) 6 - 1 ( r - 1 2 2 2 ) ( 2 3 4 ) 1 其中n i 、i i 、以为常数，f = 舌； 2 1 2k 系数, t i # j 误差分析 通过上面两种热量计算方法的比较，可以看出k 系数法实现了温度和压力的补偿， 因而具有较高的精度。其中，k 值是用来对密度进行修正的，由于流量测量的是体积流 量，需要换算成适合热量计算的质量流量，而水的密度是随着温度的变化而变化的，所 以需要进行密度修正。通过k 值也可对比热进行修正，因为水的温度所对应的热值并非 绝对线性，因此即使供回水的温差相同，而供回水的温度不同，相应的热值也不一样。 所以k 值在热量计量中是一个很重要的参数，如果不引入该修正系数，由此而引起的计 算误差可达1 0 以上。 在户用热量表中，由于通过管路的介质为水，因此主要考虑温度、压力等对k 的影 响1 3 】。当进出口温差相同时，进口温度越高热系数越低，进口温度不变时温差越大热系 数越大。这主要是由于当入口和出口温差相同时，入口端温度越高，相应条件下能向外 ， r 山东建筑大学硕士学位论文 传递的热量就越低，换热量就越少，因而热系数值减小；而进出口温差越大，说明管路 中热交换越强，同样条件下入口温度越高，则对外放出的热量也就越多，热系数值增大。 由于热量表在用户使用的过程中，实际近似于定压状态，所以在压力允许的范围内，压 力的变化对于热交换系数的影响并不大。 在使用热系数算法进行热量的数字积分时，由于单片机的计算能力有限，根据欧洲 标准e n l 4 3 4 提前计算出k 的参数值，再根据调试结果进行误差修正，以表格的形式存 储在单片机中，便于在热量积分过程中查表使用k 系数的值。k 参数值如表2 1 所示： 表2 1k 参数值 供水温度回水温度( ) ( )1 02 03 04 0 5 0 6 07 08 09 0 2 01 1 7 2 3 01 1 7 01 。1 6 7 4 01 1 7 0 1 1 6 7 1 1 6 4 5 01 1 7 01 1 6 71 1 6 41 1 6 0 6 01 1 6 91 1 6 71 1 6 41 1 6 01 1 5 5 7 01 1 7 0 1 1 6 8 1 1 6 6 1 1 6 21 1 5 81 1 5 5 8 01 1 7 l1 1 6 91 1 6 61 1 6 31 1 5 91 1 5 51 1 4 9 9 01 1 7 11 1 7 01 1 6 71 1 6 31 1 5 91 1 5 51 1 4 91 1 4 2 1 0 0 1 1 7 2 1 1 7 1 1 1 6 8 1 1 6 51 1 6 11 1 5 61 1 5 01 1 4 41 1 3 9 表2 1 给出了入口温度高于出口温度并使用出口温度对应的密度进行计算获得的一 组k 系数，k 系数表一般采用二维表格形式给出，可以看作是一个下三角矩阵。只要查 表即可获得某一入口温度和某一出口温度对应的k 值，然后代入式( 2 2 ) 即可完成热量 积分。正因为各标准给出的k 值是在入口温度高于出口温度的前提下并采用出口温度对 应的密度进行修正的，所以，热系数算法存在两个明显缺点：( 1 ) 不适合冷热两用热量 表；( 2 ) 只能安装在出口位置。 2 2 温度测量 目前很多高精度温度测量工作是用热电阻来完成的。在实验室中，铂热电阻在 2 0 2 0 0 。c 温区内被用作温度标准器和精密温度计。热电阻的广泛应用，主要是因为它具 有如下优点【1 4 】： ( 1 ) 测温准确度高。测温时，热电阻和被测对象之间有良好的热接触，能获得较高 的测温准确度，特别是铂热电阻，在测量过程中性能十分稳定。( 2 ) 结构简单，便于维 9 山东建筑大学硕士学位论文 护。在装配、安装及维护上都比较方便。( 3 ) 动态响应速度快。它的热容量小，所以动 态响应速度很快。 基于热电阻以上优点和本设计要求的测温范围为o 1 0 0 ，测量的精度为0 0 5 ， 综合价格以及后续的信号调理电路，我们采用p t l 0 0 0 铂电阻元件测量进出口水温度。 p t l 0 0 0 元件有测温精度高、可靠性好、体积小、长期稳定性好、在o 1 0 0 线性度较 好等优点，符合中华人民共和国城镇建设行业标准c j l 2 8 2 0 0 0 0 。 在温度值测量方面，并没有采用传统的a d 转换器把传感器的阻值转换成数字量， 进而求得进出口温度的值，而是采用德国a c a m 公司的时间数字转换芯片t d c g p 2 ， 具有高精度低功耗温度测量的功能。测温电路原理如图2 1 所示。 v c c 图2 1 测温电路原理图 此单元有四个寄存器测量端口，其功能如下：p t l 低温基准电阻器；p t 2 低温感 应电阻器；p t 3 高温感应电阻器；p t 4 高温基准电阻器。温度测量原理是电容分别对传 感器和参考电阻进行放电，由g p 2 测量出由每个电阻和电容组成的r c 网络的放电时间。 由于放电时间大概是1 5 0 “s ，因此电容应该选取下列值：c = 1 5 0 n f ，为了克服负载电容 器的机械影响，在r e g i s t e r0 的b i t 7 ( f a k e # ) 中设置温度测量丌始时虚拟测量的个数， 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 一般设置2 次虚拟测量。温度测量的有效分辨率可达1 6 位，精度为o 0 0 4 。并且温度 测量是全自动的，通过微控制器发送代码“s t a r tt e m p ”来启动温度测量，g p 2 自动控制 4 次测量，4 次测量完成之后中断标志置位，四次测量数据被存储在寄存器o 一3 中， 从r e s2 r e s1 和r e s3 r e s4 中微控制器可以计算出r t e m p r r e f 的比值，通过查表， 可以计算出进水管和出水管的温度。应该注意：用t d c - - g p 2 是不能采用4 线的温度 传感器的。 2 3 超声波流量测量 热量表中流量计是主要的部件，目前我国供热系统对热量表选用的流量计提出了苛 刻的要求，超声波流量计作为发展潜力巨大的产品，能够大大提高系统的测量精度、降 低故障率，提高使用寿命。 2 3 1 超声波流量测量原理 根据对信号检测的原理，超声波流量测量可分为传播速度差法、多普勒法、相关法、 波束偏移法及噪声法等【1 5 】。各种超声波流量测量方法的优缺点如表2 2 所示。 表2 2 超声波流量测量方法优缺点比较 超声波流量测 主要优缺点 量方法 利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，进而求得流量，其中时差法受 传播速度差法 温度影响较大，其发展方向是提高计时精度和设法降低温度对精度的影响，适应范 围广。 应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可测定流体 多普勒法 的流动速度，进而测出流量，因此只能用来测量含有固体颗粒的流体。 它的特点在于寻找两路信号的相似程度，因此这种方法的测量精度与所测管道的口 相关法 径、介质的种类及流速关系不大，但其需要两套收发装置，成本高。 利用液体在管内流动时产生的声波或超卢波的强度与流速存在一定关系的现象来测 噪声法 量流量的，这种测量方法线路简单，但测量准确度不高。 各种超声波测量方法都有不同的应用场合，针对不同的应用场合，合理的选择测量 方法能提高流量测量的精度。由于暖气管道中利用液体水作为导热液体，并且速度差法 的测量电路简单实用，其中频差法和时差法也克服了声速随流体温度变化带来的误差， 准确度较高，所以被广泛采用。由于时差法应用最为广泛，最易实现，本设计采用的是 山东建筑大学硕士学位论文 时差法来测量流速，进而求得流量。 传播速度差法( 时差法、相位差法、频差法) 的基本原理都是通过测量超声波脉冲 顺流和逆流传播时速度之差来反映