（计算机应用技术专业论文）脉冲输出智能型热量表及数据采集系统的设计.pdf

：! ，。- _ _ _ l _ _ | ，。蔓。垫l 主塞，；。；，一 摘要 热量表是指在个热流回路中流体吸收或释放热量多少的测量仪器，它是热 量计量的基础。热量表主要是用于集中供暖的居民住宅、商用办公室所耗热量的 计量。热量表在国外有近3 0 年的历史，而国内起步也就在最近5 年。建设部于 2 0 0 1 年6 月颁布了中国第一部关于“热量表”的技术标准：c j l 2 8 2 0 0 0 。热量 表的使用和推广对于节约能源，减轻大气污染，供热行业面向市场经济的发展将 起到巨大的促进作用。 热量表主要由流量计、温度传感器、热量积算仪三部分组成：流量传感器安 装在供热管路系统上，用于计量流过供热回路的水的体积并且发出流量信号。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 二支温度传感器，配对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。热量积算仪部分接收来自流量传感器和温度传感 器的信号，进行处理、计算并显示管路系统的累积热量、累积流量和进水温度、 回水温度等。 热量数据采集系统主要是通过应用计算机技术、通信技术、自控技术来实现 热量的集中计量、计费的管理系统。其具体工作是热量表发出脉冲信号，通过双 绞线传输到热量脉冲采集单元，热量脉冲采集单元收到这些脉冲信号后，将累计 脉冲计数值记录在本机的存储器内，热量脉冲采集单元通过通信线路与管理系统 的中心计算机相连；主管部门或物业管理中心在需要时，启动管理系统中心计算 机上的热量采集程序，向热量脉冲采集单元查询各个热量表的累计脉冲计数值， 再通过相应的计算，换算成热量数值，进行集中收费管理。 关键词热量表；配对温度传感器；焓值差；脉冲数据采集系统 焱b s t r a e t 辩e a tm e t e ri sa na p p a r a t u st h a tf f l e a s u r e st h eh e a ta b s o r b e do rf e l e a s e d b y li q u i di n s i d eah e a tc i r c u l a t i o n s y s t e m i t 8t h eb a s eo fh e a t m o a s u r e m e n t h e a tm e t e r sa r e m a i n l yu s e d f o rh e a tm e a s u r e m e n ti n i n h a b i t a n th o u s i n g sa n dc o 嚣l m e r e i a lo f f i e si nw h i e ht h eh e a te n e r g ya r e 8 u p p li e di n t e g r a ll y h e a tm e t 。r sh a v eb e e nd e v e l o p e da n du s e dn e a r l y3 0 y e a r sa b r o a d ， b h ta b o 娃t5 y e a r sa g od o 蕊e s t i e a ll y 。! n 了h 魏e2 0 0 0 ， t h e c o n s t r u c t i o nd e p a r t m e n to fp r ci s s u e dt h ef i r s tt e c h n i c a ls t a n d a r do fh e a t 辩e t e r so fo u rc o u n t r y 一一c j l 2 8 2 0 0 0 羊h ew d e l yu s eo fh e a tm e t e r sw i 】 b eag r e a tp r o m o ti o nt ot h es a v i n go fe n e r g y ，t h er e d u c ti o no fa t m o s p h e r e p o l l u t i o na n d t h ed e v e l o p m e n tt o w a r dm a r k o te c o n o m yo fh e a t s u p p l i e r e nt e r p r is e s h e a tm e t e ri sm a i n l y c o m p o s e d o ft h r e e p a r t s ： f l o 岬c o u n t e r t e n p e r 8 t u r es e n s o ra n dh e a tc a l e u l a t o r f l o wc o u n t e r sa r e n o u n 专e d0 nt h e h e a tc i r c u l a t i o nt u b e s t h e y c o u n tt h ef l o wa m o u n ta n d o u t p u t e o r e s p o n d i 珏g e l e e t r i e s i g 拜箍l 。 鹾a t e 魏e d t e 攘p e r a t 鞋r e s e n s o r sa r et w o s e n s o r sw i t ht h es a m ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e ya r ea t t a c h e dt oo n oh e a t m e t e r 赫a t c h e dt e m p e r a t u r es e n s o r sa r em o u n t e ds e p a r 8 t e l yo nt h ee n t r a n e e e n da n dr e t u r ne n do ft h eh e a tc i r c u l a t i o n t u b o s t h e ym e a s u r et h em e d i a s t e m p e r a t u r ei n s i d et h eh e a tc i r c u l a t i o ns y s t e ma n do u t p u tc o r r e s p o n d in g e l e c t r i cs i g n a l h e a tc a l c u l a t o rr e c e i v e sa n dp r o c e s s e se l e c t r i cs i g n a l s f r o mt h ef l o wc o u n t e ra n dt h et e m p e r a t u r es e n s o r ，c a l c u l a t e sa n dd i s p l a y s t h ea e e “m u l a t e db e a ta n df l o w ，e n t r a n e ea n dr e t u r n 乞e 孺p e r 8 t u r e s ， e t e h e a td a t ac 0 11 e c t i n gs y s t e misam a n a g e m e n ts y s t e mt h a td e a l 8w i t h h e a t拜 e a s u r e 氆e n ta n de h a r g ee a i e u l a t i o nb y 精e a n se f e o 瑗p 疆t e r ， c o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i ct e c h n o l o g i e s h e a tm e t e r s o u t p u tp u l s e i i 摘要 s i g n l l st op u l s ec 0 1 1 e c t i n gu n i t st h r 。u g ht w i s t e dp a i r s p u l s ec 0 1 l e c t i n g u n jt sr e c o r dt h er e c e i v e dp u l s e s a n dt h e ya r ec o n n e c t e dw i t ht h em a i n c o m p u t e ro ft h es y s t e mb y c o m m u n i c a t i o nli n e s w h e n n e c e s s a r y ， t h e r e s p ( ) n s i b l ed e p a r t m e n to rt h er e s i d e n tm a n a g e m e n tc e n t e re x e c u t e st h o d a t a c o ll e c t i n gp r o g r a mo nt h em a i nc o m p u t e r t h em a i nc o m p u t e ra c q u i r e s t h ea c c u m u l a t e dp u l s en u m b e r sf r o mp u l s ec o l l e c t i n gu n i t s t h e nt h em a i n c o m p u c e rc o n v e rc st h ea c c u m u l ac e dp u l s en u m b e r st oc o r r e s p o n d i n gh e a t v a l u e sa n dp e r f o r mt h ec h a r g em a n a g e m e n t k e y w o r d s ： h e a t m e t e r ： m a t c h e d t e m p e r a t u r e s e n s o r s ： e n t h a l p y d i f f e r e n c e ：p u l s ed a t ac 0 1 1 e c t i o ns y s t e m i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 人类社会已经进入了二十一世纪，人们赖以生存的整个社会正面临着新经济 时代所带来的种种变革。互联网络技术的发展和应用不仅改变着人们学习、工作、 商务的模式，而且开始全面地改变人们的生活观念和生活方式，在人们的身边已 经迅速形成一个信息化、虚拟化、数字化的社区。在这个数字化的社区中，老百 姓可以通过网络进行在线购物、远程医疗；学生可以坐在电脑前轻松地学习他所 喜欢的教师讲授的课程；人们将生活在“数字家庭”、“数字社区”、“数字城 市”之中。 1 1 数字化社区与智能抄表系统 数字社区主要由四大部分组成：数字社区管理信息系统、安防系统、家庭智 能管理系统和信息通信网络。 数字化社区，就是通过数字技术、网络技术将管理、服务的提供者与每个住 户相联结的社区。这种数字化的网络系统，使社区的管理者与住户之间可以实时 地进行各种形式的信息交互，由于现代网络浏览器的先进性以及多态的表现性， 加上各种网络多媒体技术的应用，营造出了一个丰富多彩的虚拟社区。数字化社 区概念的实现，将使人们生活、居住的社区变得智能化，变得更充实、更丰富多 彩。 在数字化社区的建设中，有一个必不可少的环节，就是实现家庭智能化，即 在先进的计算机技术、通信技术、控制技术及i c 卡技术基础上，采用系统集成 方法，逐步建立一个沟通小区内部住户与住户，住户与小区综合服务中心。住户 与外部社会的多媒体综合信息交互系统，为住户提供一个安全、舒适、便捷、节 能、高效的生活环境，实现以家庭智能化为主的、可持续发展的、具有二十一世 纪风范的智能化住宅小区。 智能化住宅小区，是指通过综合配置住宅小区内的各功能子系统，以综合布 一 北壅工业大学工学硕士学位论文 线为基础，以计算机网络为核心对区内各种设备进行自动化管理的新型住宅小 区。通常智能化大厦是“三a ”系统，普遍认为智能化住宅小区也是“三a ”系 统，它们分别是： 第一，安全自动化( s a s s a f ea u t o m a t i o ns y s t e m ) ，包括室内防盗报警 系统、消防报警系统、紧急求助系统、出入口控制系统、防盗对讲系统、煤气泄 漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系统、室外的巡更签到系统。住宅智能的安 全防范系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火( 火灾报警) 系统和防煤气 泄漏系统等组成，该安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵害和自然灾害的 一种最重要的、最有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，业已成为社会 治安的一个重要组成部分。 第二，通信自动化( c a s c o 啪u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) ，包括数字 信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统。通信自动化系统可利用 电讯网络作为传输网络，这有赖于外部网络的建设，如城市宽带网络，有线电视 网络，邮电局的商业i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 网等等。 第三，管理自动化( m a s m a n a g e m e n ta u t o m a t i o ns y s t e m ) ，包括水、电、 煤气以及热量的远程抄表系统、停车场管理系统、供水、供电、供暖设备的管理 系统、公共信息显示系统。物业管理的很大一部分是物业收费。在物业管理计算 机化的基础上，应该是物业收费的规范化。业主可以通过i c 卡交纳各种物业费 用，包括租金、月收费、年收费、合同收费、四表收费等，此外还包括日常各种 服务收费，如有线电视、v o d 、i n t e r n e t 网络服务、停车、洗衣、清洁服务等。 随着科技的发展，智能住宅小区除了满足人们最基本的居住要求，还要将方 便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的四表( 水、电、煤气、热量) 出户自动 抄表、自动计费，已成为新型智能小区的必备条件。小区智能抄表系统节省时间、 人力、物力，提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的四表数 据显示出来，为实现小区科学、系统的物业管理提供了有效的解决方法。随着城 市生活节奏的加快，人们需要越来越多的方便设施来满足生活的需要，住宅小区 智能化是今后的发展趋势。智能抄表系统是智能住宅小区应具有的最基本的系 统，它的发展必将影响到小区智能的发展。 2 第l 章绪论 1 2 热量表的应用 在过去相当长的一段时期内，中国城市的集中供热一直遵循着计划经济的理 念，为企业事业单位和居民住户提供着福利式的服务，实行的是大锅饭式的供热 包费制。与此相适应，整个供热行业的技术水平，管理方式和用户的消费态度也 深深地打上了这种体制的烙印。在这种体制下，“热”一直无法成为真正的商品。 这种情形导致的直接后果是，无论政府，供热企业，还是用户，都有不同程度的 不满，用户抱怨的是供热服务的质量和费用支付的公平性，供热企业对目前收费 难的问题深感头痛，而政府对能源浪费和环境污染问题则深感担忧。计量供热的 实行，能够提高用户的节能意识，调动用户主观节能的自觉性，使用户作为一个 消费者既享受到明明白白消费的权利，也理解并履行及时按规定交费的义务，从 而保证城镇供热事业的健康发展：热量表的推广使用和计量管理配套设施的建 立，是实行计量供热的前提。 1 2 1 建筑采暖收费是节能的有效措施 集中供热作为城市的基础设施，在节约能源、减少环境污染、改善人民生活 质量等方面的优点早己成为社会共识。但是，国家现行的供热价格是按照供热面 积和供热系统经营总成本加上微利计算出来的，这种计算方法不能精确地计算出 实际用热的数量，更不能测算出供热的质量，是一种粗放型的计算方法。这种供 热价格所以能被用户认可，是由于现行的取暖费用大部分由职工单位交纳，而与 个人切身经济利益挂钩的程度不大。但是当交纳取暖费用由包费制变为“谁用 热，谁交费”时，热的“数量”、“质量”和“价格”等问题就十分突出了。近 几年来，随着供热面积的不断扩大，这种供热收费管理体制与市场经济经营机制 越来越不相适应。与此形成对比的是目前国内城镇住宅的用水、电、燃气已基本 做到按户计量收费，并且取得了极好的节能效果。因此改革供暖收费制度、改变 供暖收费难这一被动局面，实现供热“按户计量、分户控制”势在必行，而户用 3 北室工业大学工学硕士学位论文 热量表的开发给供热商品化提供了必不可少的工具，也是建筑节能的一项重要措 施。它的普遍应用必将促进供热事业的发展。 实施建筑采暖计量收费是由过去按面积收取供热费用，转向按实际消耗的热 量收费制度的改革，是节约能源、提高住户供暖舒适度、改善大气质量和生态环 境的重要途径。在西方国家，热量是以商品的形式进入市场的。特别是七十年代 末出现的能源危机以及能源消耗的加大对环境污染的日益严重，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。据 了解，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， 并按照用热计量的多少收费。七十年代，西北欧国家为了应付能源危机，在建筑 采暖的能源利用方面采取了提高建筑保温性能，推行按热计量收费的制度以节约 能源的措施。九十年代，东欧国家随着政治经济体制的变化，在引进西北欧先进 供热技术的同时，也开始进行供热收费制度的改革，由原来的包费制度改为按热 计量收费。这些国家的经验说明，采用按热计量收费以后，可节约能源2 0 3 0 。 图卜1 热量表在采暖致冷系统中的应用 f i g u r e 1 1 a p p l i c a t i o no fh e a tm e t e r si nc e n t r a lh e a t i n g c o o l i n gs y s t e m 1 2 2 热量表的研制和生产现状 目前，国内外均有厂商开发和制造热量表，从搜集到的资料看，西门子公司、 4 第l 章绪论 霍尼韦尔公司、荷德鲁美特公司、卡姆鲁普等公司有成品的热量表，由于热量表 的制造和使用在国外已经有将近3 0 年的历史，其制造工艺和产品质量水平相对 比较高，但同时价格也高；国内热量表的研制和生产起步较晚，清华同方、天津 市赛恩电子技术有限公司、延吉锦湖仪表制造有限公司、甘肃工业大学和敬东机 器厂、天津隆庆集团内天津市衡器公司与天津大学等公司也已经着手开发或生产 热量表。在热量表的研制中，主要需解决下列问题：流量计量、温度计量、热量 计算、数据显示和保存、数据通信、预付费控制装置和电磁兼容性等。 1 2 3 热量表的应用前景 热量表主要是用于集中供暖的居民住宅，商用办公室所耗热量的计量。户用 热量表的使用市场主要有两个方向：一个是采暖地区新建的居民住宅；另一个是 现有的尚未实行供热按计量收费的居民住宅。目前国家每年新建采暖居住建筑为 1 亿平方米左右，按平均每户8 0 平方米计，为1 2 5 万户，按建设部的要求从2 0 0 0 年开始新建住宅都应安装热量计量设施，但由于各地情况不同、经济发展不均衡， 地方政策的差异等因素，不可能同时全部安装。尽管如此，东北、西北和华北地 区的大中城市从1 9 9 9 2 0 0 0 采暖期也开始安装，并有很多大中城市已明令从2 0 0 0 年起必须在商品住宅上安装热量计。目前各省正在积极制定有有关政策使供热商 品化，同时建设部节能规划中也要求在2 0 0 3 年开始将“热”过渡为商品，热量 表产品正处在市场需要的上升期，未来市场是巨大的。 1 2 4 热量表的类型 热量表是由流量传感器、配对温度传感器、计算显示器三部分组成。如果这 三部分组成一个不可分的整体，就称为一体式热量表；否则就称为组合式热量表。 据德国联邦政府经济部统计：蒸发式、电子式、机械式三种热量表目前占德 国市场份额的比例分别接近于三分之一，其中公寓楼多数采用热分配表，这包括 蒸发式及电子式两种，而且电子式热分配表的用量有明显增长趋势。而在丹麦则 更多采用的是机械表，目前超声波表由于价格的原因，使用的数量并不多。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 流量传感器 流量传感器安装在供热管路系统上，用于测量流过供热回路的水的体积并且 发出流量信号。主要分为叶轮式，超声波式和电磁式三种形式。 电磁式流量传感器是按法拉第定律测量热水的流量，其测量腔体内部没有任 何可动部件，但对供热介质的电导率有要求( 1 0 u s c m ) ，同时由于其结构复杂， 成本较高，功耗较大，在户用热量表中用量较少。 超声波式流量传感器是通过超声波射线直射或反射的方法测量热水的流量， 其测量腔体内部没有任何可动部件，对介质的成分没有要求。但当测量区域腔体 内存在结垢问题时将极大地降低测量精度，同时由于其成本较高，功耗较大，在 户用热量表中用量较少。 叶轮式流量传感器是通过叶轮的转动测量水的流量，按流束的形式可划分为 单流束式流量传感器和多流束式流量传感器两种。单流束式流量传感器主要优点 是体积小，质量轻，外形美观，但由于流量仅从一个方向冲击叶轮，对叶轮和轴 的材质要求较高，同时由于其腔体较小，对热水的水质要求较高。多流束式传感 器主要优点是，由于流量从多个方向冲击叶轮，对叶轮和轴的材质要求相对较低， 其腔体较大，内置过滤网，极大提高了抗污水的能力，其缺点是体积较大，质量 重，外观笨拙。叶轮式流量传感器因其测量原理和结构相对简单，价格较低，在 户用表中被普遍采用。 配对温度传感器 配对温度传感器是指对同一个热量表，分别用来测量供热管路系统的入口和 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 质的温度并且发出温度信号，两支温度传感器在出厂前要经过测试筛选，要求具 有致的特性，并配有标记。在一体式热量表中配对温度传感器使用种类较多， 有p t 铂电阻，热敏电阻和新型半导体测温元件，但在组合式热量表中，由于生 产供应的原因普遍采用p t 铂电阻，国内普遍采用p t l o o o 铂电阻，而国外普遍采 用p t l o o 和p t 5 0 0 铂电阻。无论采用何种形式的配对温度传感器，都需要根据最 小测量温差的要求，满足相应的标准。 计算显示器 6 第1 章绪论 计算显示器接收来自流量传感器和温度传感器的信号，进行处理、计算并显 示系统的累积热量、累积流量和进水温度，回水温度等。目前热量表的热量计算 方法分为两种：焓值法和k 系数法；焓值法的优点是：占用数据存贮空间少、计 算精确度高，缺点是热量计算过程较为复杂；k 系数法的优点是：热量计算简单， 缺点是占用数据存贮空间大，两种计算方法并无本质区别，k 系数法的来源仍然 是焓值法，国外热量表起步时由于单片机技术处于较低水平，热量计算大多采用 k 系数法，并沿用至今。按照热量表标准c j l 2 8 2 0 0 0 规定，热量表设计方 案中在热量计算时采用焓值法。 1 2 5 热量表的功能 根据热量表标准c j l 2 8 2 0 0 0 ，热量表应当具备以下功能： ( 1 ) 温差的测量，该功能由测温电桥、放大电路、a d 转换电路以及有关 的采集软件完成。 ( 2 ) 流量的测量，主要靠流量感应元件将流量信号转化为开关信号或标准 频率信号，由微控制器及有关流量采集软件，实现对流量信号的累计计量。 ( 3 ) 热量的累计计算以及数据的存储功能，主要由微控制器软件和相应的 存储器来完成。 ( 4 ) 断电保护功能，系统由于外部断电，重要数据将被写入有关存储器并 保存，系统自备电源将开始工作，并开始记录断电开始时间以及来电时间，来电 后自动将断电时间累加后存入外置r a m 内存储。 ( 5 ) 显示功能，无论用户还是供暖公司均可通过仪表的显示功能了解有关 数据信息，为实现低功耗和电池供电，显示器多采用字段式液晶屏，除数字以外， 还应配有表示热量、流量、温度、时间、故障报警等用途的特殊符号，显示器由 微控制器或相关电路驱动。 根据用户的需求，并且为了便于热量表的生产和维护，本次设计的脉冲输出 智能型热量表增加了以下两项功能： ( 6 ) 测试校准功能，便于生产者对热量表进行调试，或者由供暖管理者对 仪表进行测试和校准。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 7 ) 数据脉冲输出功能，使热量表可以加入远程抄表系统。 1 3 热量计算模型 在热交换系统中安装整体式或组合式热量表，当水流经系统时，根据流量传 感器给出的流量和配对温度传感器给出的供水温度和回水温度，以及水流经的时 间，通过计算器计算出该系统所释放或吸收的热量。 根据热力学第一定律，其基本公式为： 式中 f ln q = p 。蒯r = f 用，榭f ( 卜1 ) r or 0 q 释放或吸收的热量( j 或k w h ) g 。流经热量表的水的质量流量( k g h ) q 。流经热量表的水的体积流量( m 3 h ) p 流经热量表的水的密度( k g 一) 在热交换系统的入口和出口温度下，水的焓值差( j k g ) f 时问( s ) 设供热系统的供水温度为，1 ，回水温度为，2 ，温度差为，则 q = p n g ，( n 一 ，2 ) f f ( 1 2 ) 其中： n 。供水口水的密度 。供水口水的焓值 ，：回水口水的焓值 根据热量表标准c j l 2 8 2 0 0 0 附录a 提供的水的密度和焓值表，采用 最小二乘法原理，拟合出密度曲线和焓值曲线的公式如下： 在工作压力1 o m p a 时，在温度l 。c 1 5 0 。c 范围内 密度公式： 8 第l 章绪论 p ，= p 4 f 4 + p 3 3 + p 2 f 2 + p 】f + p o ( 1 3 ) 焓值公式： 厅，= 4 f 4 + 而3 f3 + 2 f2 + l f + o ( 14 ) 公式( 卜3 ) 和( 1 4 ) 中相应的系数列入表1 一l 中： 表卜l 公式( 1 3 ) 和公式( 卜4 ) 中的系数 t a b l e1 1c o e f f i c i e n t si nf o r m u l a s ( 1 3 )a n d( 1 4 ) 系数四项式五项式 6 8 6 0 5 4 e 一16 3 0 1 0 8 6 e 一1 焓 4 1 9 5 7 8 64 2 0 3 7 4 7 啊 吃 一4 2 2 5 2 4 e 一47 3 4 6 e 一4 值 3 3 5 1 4 2 4 2 e 一68 0 1 4 2 3 7 e 一6 4 21 4 2 8 5 4 e 一8 ，o 1 0 0 0 4 9 7 6 7 41 0 0 0 2 0 3 4 2 8 密 一1 1 3 8 8 4 5 7 e 一34 0 7 3 6 3 2 e 一2 p 1 p 2 5 5 4 0 9 5 7 e 一37 1 8 2 3 2 9 9 e 一3 度 p 3 3 7 1 0 4 6 e 一53 7 3 7 8 3 e 一5 p 4 一1 1 2 7 0 3 9 9 e 一7 1 4 热量表数据远传系统 随着电子技术、传感技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术的发展， 智能户外抄表系统已经开发出不少产品。主要分为三大类：i c 卡表、电力载波、 远传抄表三种户外计量方式。建设部2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程城 市示范小区规划设计导则( 修改稿) 中已经明确提出：“推广应用户外计量( 含 水、电、暖、燃气表) 技术”。在中国住宅户年品发展纲要中也明确提出： 实现方便查表，不干扰住户，使大量人工查表工作逐步过渡到数字化传送，开发 智能化的水、电、气、热计量装置及接口箱柜。智能化计量装置的开发要达到准 9 一一一一一 北京工业大堂工学硕士学位论文 确计量、抗干扰能力强，稳定性和耐久性好，使用安全，防盗等基本技术性能要 求。目前，智能户外抄表系统已经达到可实际应用的地步。 热量表数据远传系统由管理中心计算机及管理软件、数据采集器组成，是一 种智能化多用户远程集中抄表装置。其原理是由热量表将计算出的热量转换为脉 冲信号，该信号经传输线传送至数据采集器，由数据采集器进行累计和记录，然 后通过线缆传输到管理中心计算机，进行机热量表数据的自动处理。该系统的应 用可将大量的住宅热能消耗信息集中统一管理，而管理机构只需投入少量人员即 可实现远程集中抄表，并完成数据的采集、累计、费用计算、费用收取，实现住 宅耗能计量的高质量管理。 1 4 1 数据采集器 为了实现热能数据的集中抄收，除了将每一个远传热量表的脉冲信号准确采 集及累计外，还需要可靠地长时间储存并且在需要时将其传输给管理中心计算 机。远程自动抄表系统中的数据采集器便能实现这个功能。它用于接受远传热量 表的脉冲信号，同时，该数据能被管理中心的计算机或者便携式的抄表设备所读 写。一个数据采集器对应多台远传热量表，可同时记录多个热量表的耗能数据。 数据采集器的另一项功能是，当热量表出现故障或脉冲传输线断线时，向管 理中心计算机发出报警信号。 数据采集器有可充电电池作为后备电源( 可选) 。在外部电源停电的情况下， 如系统供电出现问题时，则由每个数据采集器的电池单独向数据采集器和远传热 量表供电，可保证数据采集器对脉冲数据的正常抄收。 1 4 2 数据管理中心 所有用户的热量数据最终将在管理中心计算机保存、累计并进行费用计算。 管理中心计算机除了对用户的热量数据进行全面的抄收、管理之外，还可以方便 地对每个数据采集器的运行状态进行监控，以保证系统的正常运行。在接到报警 信号时，提示工作人员，并且指示出报警仪表所在的位置。 1 0 第l 章绪论 由于抄表获得的数据量很大，因此要求中心工作站的硬件必须有一定的运算 和存储能力；抄表系统软件是数据储存、处理、分析的应用软件，在软件上首先 要求操作系统应稳定可靠；其次，抄表软件必须具有数据自动采集、数据查询、 数据修改、数据通信、数据打印、系统维护、收费管理等功能。 1 4 3 通信系统 按照线路连接结构的不同，通信系统可分为星型和总线型两种类型。星型通 信系统是以中心处理工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与集中器 连接，形成一对多的连接构架。信道通信数据量较大，要求有一定的传输速率和 带宽。一般光纤、无线和电话线通信都采用该连接方式。总线型通信系统是为克 服星型连接的不足而采用的。它以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表， 实现各节点的互连；特点是信道上节点较多，传输速率不高，传输距离短，不超 过2 0 0 0 米，因此一般用于底层( 采集器、集中器层) 数据的采集。低压电力线 载波以及r s 4 8 5 总线网是常见的总线型结构。 e i ar s 一4 8 5 是c c i t t 标准化v x 2 7 兼容的平衡式电气特性的通信接口 标准。该标准采用集成电路，在对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端 用差分接收器进行信号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性 能很好，信号发送频率最高可达1 0 m h z 。在使用双绞线，信号速率小于1 0 0 k b p s 时，传输距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只 需两根线便可双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网 络，一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯 片而异，最多可接1 2 8 个节点。 1 5 热量表标准 集中供热计量收费是2 0 世纪7 0 年代从欧洲开始的，当时是由于欧洲出现了 能源危机。到今天欧洲已经有非常成熟的热计量技术和较为完善的供热计量收费 体系1 9 9 7 年4 月，欧洲共同体正式通过了统一的热量表标准，代号为e n l 4 3 4 。 1 1 一三量室工业盔堂工学硕士学位论文 热量表标准在中国是首次制定，热量表标准结合了国内热量表研制、生产、 使用的实际情况，参照了欧洲热量表标准e n l 4 3 4 ( h e a tm e t e r s ) 和国际法制计 量组织的r 7 5 号国际建议( 0 i m l r 7 5 ) 。热量表行业标准c j l 2 8 2 0 0 0 规定了 热量表的术语、技术特性、技术要求、实验方法、检验规则、标志、包装和贮存 条件。等同采用了欧洲标准e n l 4 3 4 1 9 9 7 的主要内容，对热量表的主要性能指标 的规定，完全与欧洲标准相同，重要技术要求符合国家相关标准的规定，在水的 密度和焓值以及流量传感器、温度传感器、计算器和热量表的准确度测量和计算 方面，规定得比欧洲标准更加详细，便于使用。标准的制定同时还考虑了国内热 量计量的环境和特点以及国内供热系统的实际情况，可操作性强。这一标准达到 了国际先进水平。 1 6 课题来源及研究内容 2 0 0 1 年初秦皇岛海湾安全技术有限公司委托北京工业大学微型计算机应用 研究所研制集中供暖用智能型热量表，用于冬季集中供暖住房( 包括新建住房和 需经改造的现有住房) 和集中空调制冷用户的热量分户计量和收费。 海湾安全技术有限公司创办于1 9 9 3 年，是经河北省人民政府批准设立的股 份有限公司，国家科技部火炬高技术产业开发中心认定的“国家火炬计划重点高 新技术企业”，主要从事消防电子、楼宇自控、小区智能化及楼宇可视对讲产品 的开发、生产、销售及技术服务。该公司多次荣获“国家级新产品”和“国家火炬 计划项目”奖，多年被河北省政府授予“河北省民营科技十强”荣誉称号；技术中 心被省政府认定为“省级企业技术中心”，位居河北省大中型工业企业科技进步百 强前列；连续荣获全国工商联授予的“中国优秀民营科技企业奖”。 这家公司承接过的典型工程有宁波市中央花园、北京市朝阳区柳芳北街芳馨 园、北京市北河沿大街御京花园、石家庄市石纺路银都花园等现代化的智能住宅 小区。 本课题所设计的脉冲输出智能型热量表及数据采集系统就是为了充实、完善 该公司现有的智能住宅小区产品中的三表远传系统，形成四表远传系统。 本项目研究的主要内容包括： 】2 第l 章绪论 一组合式热量表的整体设计方案 热量表是一种复合式测量仪表，国家标准对于热量表提出了很高的要求，流 量传感器、配对温度传感器、计算器和脉冲输出电路是热量表的组成部分，其中 温度测量方案的设计和实现是主要的任务。 - 脉冲数据采集单元的设计方案 主要解决长距离脉冲传输线路中，有效信号和干扰信号的识别问题和与管理 中心计算机的通信问题。 _ 管理中心计算机的远程热量抄表程序 负责查询各脉冲数据采集单元所累积的热量表脉冲数和报警状态，将热量脉 冲数换算成热量值。 - 通信接口的设计 设计广泛通用性的数据通信接口，使得热量表能够适应多种远程抄表系统的 要求，实现由管理中心对热量表测量的精度进行检验和校正，使产品的调试工作 自动化。 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章温度测量方案及其实现 2 1 热量表对温度测量的要求 在热量表的设计中，主要考虑两方面的成本，一方面是元器件的成本，另一 方面是生产调试的成本。由于热量表标准c j l 2 8 2 0 0 0 对温度测量的精度要 求很高，规定使用铂电阻作为测温元件，而高精度的温度测量对a d 转换器件、 参考电压源以及其他测温电路的元器件的精度要求也很高，所以在热量表中，除 微控制器以外的器件成本，主要集中在温度测量部分。因此选择一个适当的温度 测量方案尤为重要。同时，热量表的设计方案的最终目标是可以进行批量生产， 因此在确保测量精度的前提下，在温度测量方案中，尽量减少、甚至完全取消需 要人1 ：调整的元器件，使电路的调试工作尽量简化，最大限度地实现自动化调试， 是非常重要的。 对于供热系统来说，由于系统热惯性很大，供水口与回水口之间的温度差 般又很小，最小温差只有3 5 ，所以，温度的测量对速度的要求可以比较低， 每次测量的间隔也可以取得比较大，但测量的精度要求比较高，尤其是对供水口 与回水口之间的温差的测量精度要求高，而且要求供水测温电路与回水测温电路 保持良好的一致性，铂电阻必须配对使用，即在一个热量表中使用两只特性尽可 能一致的铂电阻作为温度传感器。 基于以上原因，要实现对热量的精确计量，只有充分发挥微型计算机的软、 硬件结合优势，以实现对小流量、小温差的测量以及数据的存储、计算、显示等 一系列功能。 铂电阻的温度测量精度很高，测量的可重复性非常好，铂电阻的电阻值与温 度值的函数关系式( c a l e n d a r v a nd u s e n 公式) 为： 斤# 肋( 1 + 爿抖口2 )( 2 1 ) 公式( 2 一1 ) 的温度计算范围是0 8 5 9 厅f = 肋( 1 + 爿 + 口f 2 ) 一j p 口( 1 0 0 ( 、f f )( 2 2 ) 】4 第2 章温度测量方案及其实现 公式( 2 2 ) 的温度计算范围是一2 0 0 0 公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中a 、b 、c 为常数，由于热量表的温度测量范围2 0 1 0 0 的范围内，在热量表中使用公式( 2 一1 ) 进行温度计算。对于p t l o o o 型铂电阻，公式( 2 一1 ) 中的常数： 爿= 3 9 0 9 7 6 e 一3 庐一5 8 8 3 5 6 e 7 胎9 9 9 9 7 q ( p t l 0 0 0 型铂电阻在0 时的电阻值) t 为温度值( ) 1 萌赫j j 1 i f 、一 j ， ， ”响 图2 一lp t l o o o 铂电阻的温度一电阻曲线 f i g u r e2 1 r e s i s t a n c er e s p o n s ev e r s u st e m p e r a t u r eo ft h ep t l o o op 1 a t i n u mr t d ( r e s i s t a n c et e m p e r a t u r ed e t e c t o r ) 1 5 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 温度测量电路 温度测量电路的主要功能是将测温铂电阻上采样得到的电压信号放大以后 进行a d 转换，将a d 转换的数值送入微控制器中，进行相关的计算。温度测量 电路的精度直接影响系统的测温精度，是产生温度测量误差的主要来源，因此放 大器件的选择主要考虑其精密程度、抑制零点漂移能力、自校准能力等性能。图 2 2 是温度测量电路的示意图，在热量表中选用的a d 转换器是a n a l o gd e v i c e 公司的a d 7 7 0 5 芯片，该芯片与同类芯片相比价格比较低，具有2 个独立的差动 输入1 6 位a d 转换通道，片内有可编程增益放大器，s p i 串行接口，易于和微 处理器接口连接；这个测温电路由于a d 7 7 0 5 芯片上具有可编程增益放大器，所 以省去了一般放大电路中的增益调整器件。 参考电压 图2 2 温度测量电路示意圈 f i g u r e2 2 s c h e m a t i cd r a w i n go ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i t 2 3 提高温差测量精度的措施 要保证在测温范围为2 0 i o o ，使温度测量的精度达到o 1 ，a d 转换 器的精度不应小于1 2 位；而在供水口与回水口之间的最小温差只有3 5 的情 况下，不仅要求供水测温电路与回水测温电路本身具有很高的测量精度，而且两 1 6 第2 章温度测量方案及其实现 者之间要保持很高的一致性，即温差测量精度要高；同时为适应批量生产，测温 电路硬件上应尽量减少甚至不用可调元器件，简化调试的步骤和难度。采用硬件 与软件补偿算法结合的方法，以提高温度测量精度、特别是温差测量的精度。 图2 3 是以前为北京德宝泛华机电有限公司设计的低功耗热量表中的温度 测量电路。图中1 2 v 稳压器z l 、电阻r 1 、电解电容c 3 组成1 2 v 的精密参考电 压源；r 3 、r 4 、r 5 和r t l 组成供水测温电桥，接入a d 转换器a d 7 7 0 5 芯片的通 道1 ；r 7 、r 8 、r 9 和r t 2 组成供水测温电桥，接入a d 转换器a d 7 7 0 5 芯片的通 道2 ；u 7 a 和u 7 b 为电子开关，控制测温电桥、参考电压源和a d 7 7 0 5 芯片的电源 接通与关断，以降低功耗。 图2 3 供水与回水温度测量分别采用独立测温通道的电路 f i g u r e2 3t e m p e r a t u r et e s t i n gc i r c u i tt h a tt h es e n s o r sa ti n p u te n da n do u t p u te n d o fw a t e ra r es a m p l e db y i n d e p e n d e n ta d c h a n n e l sr e s p e c t i v e l y 在图2 3 所示的电路中，选用特性一致的铂电阻传感器r t l 和r t 2 ，但由于 两个测温电桥中各桥臂上电阻值的离散性，仍然会形成温差测量的误差。为减小 1 7 些京工业大学工学硕士学位论文 这种误差，对图2 3 的电路进行了改进，用m a x i m 公司的m a x 4 6 3 4 低导通电阻模 拟多路开关，对供水测温传感器和回水测温传感器进行切换，使得供水与回水温 度测量能够共用同一测温通道，如图2 4 所示。 盆 图2 4 供水与回水温度测量共用同一测温通道的电路 f i g u r e2 4t e m p e r a t u r et e s t i n gc i r c u i tt h a tt h es e n s o r sa ti n p u te n da n