（电气工程专业论文）智能热量积算仪的开发与研究.pdf

沈阳二i ：业大学硕士学位论文 摘要 智能热量积算仪韵淝现，使企监在能源管理的自动化和能源消耗的在线计量成为可 能。 本文酋先从硬件设计和软件设计两个方面，详细地讲述了智能热量积算仪的设计方 法和过程。 慰予浚量、热量诗箕的数学模型，已在备类罄流量、热量积算仪涎设诗中褥到了 应用。但作为流羹计算中的关键参数密度( p ) 和热量计算中的关键参数热焓值( h ) 的计算方法，却没有一个瞬确的数学模型。 理在慰予上述嚣令参数，逶零采怒查表豹方式求褥。焱表法霹快速、准确熬褥鬟瓣 标值，但其缺点是：必须事先得到所商测量点的所对应的数据。在国窳标准中，绘 出的密度值和热焓值所对应的温度分辨率，仅为p i 。c 、h 1 。 在本文中，提出了添张诗葵密度蘧羁熬络壤懿方法：麓“区麓平均德法”与查表法 相结合，来求密度值和热焓值，可将求的密度值和热焓值所对应的温度分辨率，提高到 0 1 ，即p o 1 、h 0 i 。 蠲“数学羧合法”求密度蓬器熬涤值，浓褥静寮度僮稻热渗篷静稿踺误差，j 、予万分 之一。 另外，本文在现场抗干扰方面，不仅在硬件设计上作出了明确的阐述，而且在软件 设计上，采焉了“软侮麓济法”释“标志位设置法”，使褥积算仪豹抗干抗往貔，得翔 大大的提赢。 关键词；流量积算；热量积算；水的密度( p ) ；水的热焓值( h ) 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c ho n i n t e l l i g e n t a c c u m u l a t i o nc a l o r i m e t e r a b s t r a c t t h ee m e r g e n c eo fi n t e l l i g e n tf l o wa c c u m u l a t o rm a k e si t p o s s i b l e t h a ts o u r c e m a n a g e m e n tc a nr e a l i z et h eg o a lo fa u t o m a t i z a t i o na n do n l i n e m e a s u r e m e n to fe n e r g y c o n s u m p t i o n t h i st h e s i si l l u s t r a t e st h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so f i n t e l l i g e n tf l o wa c c u m u l a t o ri n r e s p e c to f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e d e s i g n t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ss e tu pf o rf l o wa n dh e a tc a l c u l a t i o n sh a v eb e e na p p l i e di nt h e d e s i g nw o r ko fi n t e l l i g e n tf l o wo rh e a ta c c u m u l a t o r s a st h ek e yp a r a m e t e r si nf l o wa n dh e a t c a l c u l a t i o n s ，d e n s i t y ( p ) a n de n t h a l p y ，t h e r ei ss t i l ll a c ko f ad e f i n i t em a t h e m a t i c a lm o d e l f o rs u c h p a r a m e t e r s c o m p u t i n g m e t h o d b u th o wc a nw e g e tt h ea b o v ep a r a m e t e r s ，u s u a l l yw eg e tt h e mb yl o o k i n gu pr e l a t i v e t a b l e s t h o u g hl o o k i n gu pt a b l e sw i l lf a s ta n da c c u r a t e l yl o c a t et h er e q u i r e dv a l u e ，t h e r ei sa d i s a d v a n t a g e t h a tb e f o r e y o ug e t t h ev a l u e ，y o um u s tm e a s u r ea l lt e s t p o i n t s t oo b t a i n c o r r e s p o n d i n gd a t a i nt h e n a t i o n a ls t a n d a r d ，t h et e m p e r a t u r er e s o l u t i o n f o rd e n s i t ya n d e n t h a l p y i s o n l y p 1 a n d h 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st w om e t h o d so f c o m p u t i n gd e n s i t ya n de n t h a l p y ：c o m b i n a t i o no f s e c t i o n a la v e r a g ev a l u e a n d “l o o k u pt a b l e s ”w i l li m p r o v et h et e m p e r a t u r er e s o l u t i o nt o o 1 ，t h a ti sp 0 1 a n dh 0 1 ；“m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n m e t h o dw i l lg e td e n s i t ya n d e n t h a l p yv a l u e w i t he r r o rl e s st h a n0 0 1 i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rn o to n l yn l a k e sd e t a i l e di l l u s t r a t i o no i lh a r d w a r eb u ta l s oo n s o f t w a r ed e s i g ni nr e s p e c to ff i e l da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yi ns o f t w a r ed e s i g n ，i t a d o p t sm e t h o d so f s o f t w a r et r a p a n d s i g np o s i t i o ns e t t i n g g r e a t l yi m p r o v i n gt h ea n t i - j a m m i n gc a p a c i t yo f a c c u m u l a t o r k e y w o r d s ：f l o wa c c u m u l a t i o n ，h e a ta c c u m u l a t i o n ，w a t e r d e n s i t y ( p ) ，w a t e r e n t h a l p y ( h ) - 2 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 项目研究的背景及意义 在过去，燃煤、燃油锅炉房是供暖的主要手段，城市中烟囱林立，其废气排放对空 气和环境造成了很大的污染。 随着城市建设步伐的加快，以及环保概念的深入普及，和人们对清新空气和怡人环 境的渴望，城市集中供暖正逐步取代各种规模的燃煤、燃油锅炉房，取而代之的是一个 个崭新的集中供暖换热站，空气污染也因此大大地降低。 热水是重要的二次能源，广泛应用于人民的日常生活，量大面广。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。因此，热 水的准确计量、科学合理收费，是关系到国计民生的大事。 在计划经济体制下，供暖不由住户交费，用户对于供暖缺乏节能意识，房间里暖气 太热了就开窗降温，既浪费了能源，也相应地增加了环境污染。俄罗斯过去采暖也是由 所在单位支付，由计划经济向市场经济转变之后，在用户家中安装了热量调节设备和计 量表，按热量表向用户收费，俄罗斯某些地区因此节省供热费用9 0 。可见供暖“大 锅饭”的浪费是非常严重的。 在我国，随着计划经济向社会主义市场经济的发展，供暖单位向居民供暖不再是一 种无偿的社会福利，而只是一种有偿服务性商品；供暖单位只是提供供暖服务的社会公 用事业型企业。它不但要求收回成本，而且还应当获得资本的社会平均利润。 实际上建设部早己下决心要彻底改革城市供暖问题，1 9 9 6 年9 月建设部已颁发了 建筑节能技术政策。目标是：新设计的采暖居住建筑从2 0 0 5 年起应再节能3 0 ： 集中供暖的民用建筑要安装热表及有关调节设备，并按表计量收费，1 9 9 8 年通过试点 取得成效，开始推广；2 0 0 0 年在重点城市新建小区中推行，2 0 1 0 年全面推广。建设部 建筑节能推进的总体设想是：在建筑类型上，首先从居住建筑开始，逐步推进到公共建 筑( 主要是旅馆) ，然后是工业建筑；在新旧建筑上，首先从新建筑开始，再推进到旧 建筑；在地域上，首先从北方采暖区开始，然后再发展到中部夏热冬冷过渡区，并扩展 到南方炎热区；从工作基础好的城市开始，再发展到一般城市和城镇，然后逐步扩展到 沈阳工业大学硕士学位论文 广大农村。 城市供暖货币划，正在各个城市普及推广，因此适用于供热管网热水热量测量计算 的智能热量积算仪，也应运而生。 热量表是指在一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。在发达国家，特别是在欧洲，供热按计量的热量多少收费，热水热量表的使用 已极为成熟和普及。热量表作为热力公司向每一位住户收费的依据和手段，不仅已广泛 被用户所接受，而且由于用热量与费用直接相关，加强了住户的节能意识。 智能热量积算仪，可广泛应于汽暖、水暖、热风等供热系统及热交换系统对传热、 传质实现在线计量，从而为能源管理、能源消耗计量、技术经济指标核算提供依据。 为了节约能源，保护环境，提高广大人民的生活舒适度，保证供热企业的良性发展 我们希望供暖系统的改造能够像电力工业中的域网、农网改造一样，采取积极措施加速 进行，做到民用建筑一户一表( 热表) ，每间房子都有供暖调节设备，由供暖企业抄表 到户，收费到户。 国内外发展现状及方向 热量表标准【1 】( c j l 2 8 2 0 0 0 ) 在我国首次制定，标准制定过程结合了我国热量 表研制、生产、使用情况，参照了欧洲热量表标准e n l 4 3 4 1 9 9 7 ( h e a t m e t e r s ) 和国际 法制计量组织的r 7 5 号国际建议( o i m l r 7 5 ) 。标准的制定同时还考虑了我国热量计 量环境和特点以及我国供热系统实际情况，可操作性强。标准达到了国际先进水平。 建设部要求2 0 0 0 年以后新建住宅和公建工程的供热室内采暖系统必须设计为一户 一表系统，其系统应具有分户控制，分户计量按户收费的功能。凡原有住宅建筑的室内 采暖补建工程，也必须按供热计量系统设计。由此开始了我国的热量计量收费改革。 北京、天津、沈阳、长春、哈尔滨、济南等城市已着手开展这项工作。这就意味着 在今后几年内，在未来几年内全国将需要5 0 0 0 万台热水热量表投入使用。随着该项工 作的不断发展，对热量表的需求将有一个巨大的市场。 由于热量表在民用住宅中被广泛使用，国家质量技术监督局将其列为重点管理的计 量器具进行管理，在安装使用前必须进行首次强制检定。为了适应热量表使用的需要， 2 沈阳工业大学硕士学位论文 国家及省市级法定计量检定机构将大量使用热量表标准装置，主要用于热量表安装前首 次强制检定、产品定型鉴定试验、产品质量监督抽查、产品质量仲裁等工作。热量表生 产厂家在产品设计、定型、出厂检验时也需要这些装置。由于热量表的需求较大，热量 表标准装置的应用量也会有较大规模。 目前已有几个国外厂家的热量表进入国内市场，国内也已有十几个热量表生产厂家 进行热量表的生产，几套热量表检测装置正在建设中。预计在今后几年里热量表的生产 使用、检测将有较好的市场。 在我国市场上销售的智能热量积算仪主要以“香港上润仪器有限公司” 1 3 1 、“福 州福光百特自动化设备有限公司”1 1 4 1 等几家规模较大公司的产品为主。 这样，智能热量积算仪就有着广阔的市场前景，其经济效益也是非常乐观的。由于 各个公司的智能热量积算仪的开发都是刚刚起步，因此谁先拿出产品，谁就会抢先占领 市场，也就会获得更大的收益! 只有开发出具有自主知识产权的智能热量积算仪，才能根据不同的市场需求，为用 户灵活地更改积算仪的功能【4 】。因此开发智能热量积算仪，对丰富市场品种、促进市场 竞争力并获得经济效益都是有利的。 智能热量积算仪主要技术指标 温度测量范围：0 9 9 9 9 。c ； 温度显示分辨率：0 i 。c 测量精度：0 3 f s ； 瞬时流量测量范围：0 9 0 0 0 0p 4 , i , 时； 当瞬时流量 1 0 0 0 吨小时时，显示分辨率= 0 0 1 吨小时 当瞬时流量1 0 0 0 吨小时时，显示分辨率= o 。1 吨小时； 测量精度：0 3 f s ； 瞬时热量测量范围：0 9 9 9 9 0m i 4 , 时； 一3 沈阳工业大学硕士学位论文 当瞬时热量 1 0 0 0m j 小时时， 当瞬时热量1 0 0 0m j 小时时， 测量精度：0 3 f s ； 显示分辨率= 0 0 1m j 小时 显示分辨率= o 1m j 小时； 依据测量精度，可将其分解为：系统误差 o 2 ；计算误差 a i n i + 模拟输入，为片内第一个可编程增益放大器羞动模拟竣入的 7 、8 a i n i 正、负端； r e f i n ( + )参考输入，参考差渤输入的正、负端。r e fi n ( + ) 可连接在 9 、1 0 r e fn ( 一)“叻与a g n d 之阀，r e f i n ( 一) 必须小于f i n ( + ) 逻辑输出。低电平表明来1 a i ) 7 7 1 5 数据寄存器新的输出字是 1 2d r d ￥ 有效的 1 3d o u t 歇片凌输出移位毒孬器中读逛串霉亍数据 1 4d i n 写到片内输入移位海存器串行数据的串行输入端 1 5d v d d 数字电源。正常情况是+ 3 v 或+ 5 v ； 1 6d g 瓣d数字蟪 1 2 ，2a d 7 7 0 5 的特点 a d 7 7 0 5 具有两个全差分输入通道，其特点如下： $ a d 7 7 0 5 怒以一为藤理工 笮的1 6 位无丢失代码的模数转换器； $ 它聂有0 0 0 3 的j # 线性； 片内带有可编程增益放大器，其可调照范围为i - 1 2 8 倍； $ 输出更新速度可编程； $ 三线串嚣接蜀：s p i 、舔p i 和d s p 蒹褰； 女有对模拟输入缓冲的能力。 由于a d 7 7 0 5 是a 模数转换器，因此不太适用多路信号频繁切换的场合，只有 在一路售号每璃期都袋鼹，覆莛它爨信号不霈震静壤况下霹淤侵瘸。奁低速采样盛蠲中 a d 7 7 0 5 的性能最佳。当采用6 0 h z 或6 0 h z 以下的更新速度进行采样时，a d 7 7 0 5 对5 0 h z 的工频有乎印制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于6 0 h z 时，采出码将出现波动 效祭交差，这爵霹鞋奁读数撂辩采嗣潜魂平均篷数字滤波，镬效聚褥泼菠善，邸魏入| | 孬 谓的后置滤波器。 a d 7 7 0 5 以熬优良的性价比和较高的分辨率，在小信号的采样中得到很好的应用。 1 0 沈刚工业大学硕士学位论文 1 。2 3 毒存器及采撵格式 a d 7 7 0 5 片内有四个寄存器：通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器和数据寄存器 这嫂寄存器都是通过器件的串行口迸行访问的。 逶添褥存嚣：是一个8 霞毒存器，它管蘧通道选择，决定下一个搡份是读操 乍还是 写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开 始。 【。，。，j。，。1。【。，。1，+。l，。j，一，l。，一 设置鸯存器：是一个8 位鬈存暴，决定校准模式、增效设置、荤双摄牲输入以及缓 冲模式。 时镩寄存器：是一个8 位胬存器，包括滤波选择位和时钟控制位。 数握寄存器：是一个1 6 位寄存嚣，它链禽了来爨a d 7 7 0 5 最灏匏转羧缝鬃，罄a d 转化数据都是这个寄存器读出。 测试寄存器：测试器件时筏用，建议用户不要使用。 采样续暴格式：a d 7 7 0 5 弱予单蠛果撵黪熬采出玛为0 0 0 0 h - f f f f h 之阙黪六遴裁 数。采用双端采样时，采出的码是偏移的十六进制码，即输入信号为负时，采出的码在 0 0 0 0 h f f f f h 之间，且0 0 0 0 h 为负的激大码；输入信号为正时，采出码在8 0 0 0 h f f f f h 之瓣，也虢是说双漠罴撵采出褥戆歪受分雾线是8 0 0 0 h 。 1 2 4a d 7 7 0 5 在本设计中的皮爆 a d 7 7 0 5 可以方便地同具有s p i ( 串行外围接口) 接口的单片机和微处理器配合使用， 也可以方便逾与m c s 5 1 系掰单片祝相连。 在我图使用最普遍的是m c s 5 1 系歹4 单片枧。m c s - 5 1 系歹极缀然有垮牙口，但使惩 起来仍不如具有s p i 接口的单片机方便，s p i 接口有较强的位处理功能，可以用口线模 仿时锌和时序信号，因此使用a d 7 7 0 5 可方便的与单片祝避行数据传送。 在隧蒙b 中毒a d 7 7 0 5 在本设计中与m c s 一5 1 单片援数接线銎。图中p o 。0 梵s c 繁 号输出，p 0 3 与d i n 引脚相连，p o 2 与d o u t 引脚相连，p 3 2 ( i n t o ) 与d r d y 相连， 沈阳工业大学硕士学位论文 片选信号与p 2 5 相接，复位信号与p 2 0 相连，这便于对a d 7 7 0 5 控制。当然这两个信 号也可分别与地和电源相连。硬件连接见附录b 。 1 3 输出部分的设计 在本设计中，输出内容包括以下四部分：d a 输出、串行通讯输出、串行打印接口 输出和瞬时热量或瞬时流量的上、下限继电器报警输出。 1 3 1d a 输出 在仪表设计中，往往需要带有标准模拟信号( 卜5 v 或4 - 2 0 m a ) 输出，此信号可传 送到上位p c 机的数据采集板，由上位p c 机进行统一的数据监测与管理。这就需要增加 d a 变换。 在本设计中，可将瞬时热量值和瞬时流量值，分别转换成标准模拟信号输出，这就 需要两路0 a 转换器。 t l c 5 6 1 7 引脚介绍【1 2 】 d i n s c l k c s 0 u t v d d 叭丌b r e f g n d 0 t r r 图1 4t l c 5 6 1 7 引脚图图1 5t l c 5 6 1 7 典型应用电路 表1 3t l c 5 6 1 7 引脚说明 引脚名称说明 1d i n 串行数据输入 2s c u (串行时钟输入 3 c s芯片选择，低有效 40 u t bd a c b 模拟电压输出( 第二路输出) 5g n d地 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 t l c 5 6 1 7 的特点 t l c 5 6 1 7 是美国t i 公司生产的，带有缓冲基准输入( 高阻抗) 的双路l o 位电压输 出d a 转换器。d a 输出电压范围为基准电压的两倍，且其输出是单调变化的。器件使 用简单，用单5 v 电源工作，且具有上电复位的功能，确保可重复启动。 通过c m o s 兼容的3 线串行总线，可对t l c 5 6 1 7 实现数字控制。数字输入端的特点 是带有斯密特触发器，它具有高噪声抑制能力，数字通信协议包括：s p i 、m i c r o w i r 和 q s p i 标准，可方便地与单片机通信。 用t l c 5 6 1 7 做成的4 - 2 0 m a 电流输出电路口4 】 在r i = r 2 、r 3 = r f + r s 的 条件下，i o 满足下列关系： i o = 垦兰：! ! r 1 - r s 图1 6用t l c 5 6 1 7 做成的4 - 2 0 m h 电路 此电路电流输出的精度可达2 0 ，带载8 0 0q 。 1 3 2 带有串行通讯输出 可完成r s 一4 8 5 ( 或r s 一2 3 2 ) 通讯。通过此接口，可将积算仪采集到的瞬时热量值 瞬时流量值、累积热量值、累积流量值和进出口温度值传送到上位计算机，用于数据管 理【3 8 l 。 1 3 - 3 带有t l s 2 3 2 串行打印接口 可配接串口微型打印机，随时打印积算仪获取的上述各项数据指标。打印的数据格 式，以用数据表的形式，存放在程序区中。 注：串行通讯输出和串行打印接口为同一接口。 1 3 沈阳_ _ l = 业大学硕士学位论文 1 3 4 稀l 孪热量裁瓣冀孪流量静上、下陵继毫器糇警簸毒 当测摄的瞬时热量傻大于戏低于设定值时，积箕仪控制内部的上限或下限继电器吸 合，给外接设备提供报警输出，从而给操纵者以提示提示。 对继遗器懿控割，一般采臻一个i 内蜀藩应一个继鬯器匏点对点静控翻方法。单片 机接收到复位信号后，i o 口也被复位。其输出状态羞发生变化，势必该变继电器的避 断，这就会造成外接设备的误动做，这在控制中是不允许的。 在本设诗中，充分考虑了这种情况，在继电器的控翻上增热保障措施阁： 用两个i o 口，外力两个与非门( c 0 4 0 1 1 ) ，构成r s 触发器，通过i o 霹不周熬 电平组合，来控制继电器的动作。 + s v 图1 7由卜s 构成的继电器控制电路 表1 。4曩r 书魅发器构成靛继懿嚣控京毒燕麓 r ( p 1 o )s ( p 1 1 )q ( 继电器)q ( 指示灯)说明 11q 逸保持原状态 0llo继电器吸合 l0o l继电器叛开 状态不定， o o不定不定 此狡态应避免 壹上表可以看出，在r 、s 蠛霹为毫电乎薅，继惫器保持薅i 状态。嚣孬萃片梳的l 内 口，在初始状态和复位状态下，都为高电平，因此，单片机即使受到干扰而复位，i o 1 4 沈融工业大学硕士学位论文 罄将变为麓电早，继邀器遵缣待滠状态，& i 于撬不能改变继亳器的原状态，这虢使继电 器得到了很好的控制。 1 4 时钟电路的设计 在热艇和流量积算时，需要有标准的时钟源，作为时间计量；另外对累积的热量和 流餐篷，需要有专门熬r a m 进行存储。虽然在本设计中有“看门狗”及e 2 p r o m 专用芯 片x 2 5 0 4 5 ，但其e 2 p r o m 的擦写次数只有1 0 万次。以一分中存储一次数擐计算，其寿愈 为7 0 天。这种指标远邋不能满足设计的要求【3 7 】。 疑辩钟源和r a m 秀方面考虑，“时钟+ 3 i 字节”芯片d s l 3 0 2 ，非常适合本设计的 要求嘲。 i 4 、ld s l 3 0 2 的特点 d s l 3 0 2 是d a l l a s 公司推 皓的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和3 l 位黪态r a m 。透过楚擎静事行接强与零片橇避l 行逯信。时辨嚣搿电路怒供2 1 0 0 年之蓊 的秒、分、时、曰、星期、月、年的信息，每月的天数和阔年的天数可自动调整。时钟 操作可通过删p m 指示决定，采用2 4 或1 2 小时格式。 d s l 3 0 2 与蕈嚣瓿之阕能篙举逮采溺同步审彳亍静方式进行逶镥1 7 1 ，仅需蘑饕三个目线 r e s 复位、i o 数据线和s c l k 串行时钟。时钟r a m 的读写数据以一个字节或多达3 1 个字节的字符组方式通信；d s l 3 0 2 = e 作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 i m w ：d s l 3 0 2 具有双宅源管辩，矮子主电源v c c 2 和备份鬯源供应v c c l 为可编程滑流充 电电源。它广泛威用于魄话传寞、便携式仪器以及魄池供电的仪袭等产黯领域。 1 4 2d s l 3 0 2 引脚介绍 v c c 2 x x 2 g n d v e c l s c l i ，o 百嚣 图1 8d s l 3 0 2 引脚图 。1 5 ， 讳 口 一 一，2 3 4 一 下叫瞪串 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 7d s l 3 0 2 引脚说明 引脚名称说明 1v c c 2电源供电管脚 2 、3x l 、x 23 2 7 6 8 k h z 晶振管脚 46 n d地 5r e s t复位脚 6i o数据输入输出引脚 7c l k串行时钟 8v c c l 涓流充电输入端，可接锂电池( 或大电容) 1 4 3 涓流充电方式 b r rr日t 6目t 5b n 4日t3b r r2日i t lb l t 0 图1 9d s l 3 0 2 可编程慢速充电图 二极管和电阻的选择由用户根据电池充电所需的最大电流决定计算公式如下：设 5 v 系统电源加到v c c 2 ，而电池接至v c c l ；再设d s = 0 1 ，r s = 0 1 ，即选择v c c 2 与v c c l 之 间接有一个二极管和电阻r 1 ，这样最大电流可计算如下： i m a x = ( 5 v 一二极管压降) r 1 = ( 5 v 一0 7 v ) 2k = 2 2 m a 1 4 4d s l 3 0 2 的命令字节 lb i t765 4321b i t0 l tr a m c ka 4a 3a 2a 1a 0r w 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 位7 ( m s b ) ：最高有效位，其必须位1 ，如果为0 ，则禁止写d s l 3 0 2 位6r a m c k ：为0 ，指定时钟日历数据；为1 ，指定r a m 数据； 位5 - 1 ( a 4a o ) ：指定进行输入或输出的特定寄存器； 位0 ( r ，w ) ：为1 进行读操作，为0 进行写操作。 1 4 5 数据的输入和输出 跟随在输入写命令字节的8 个s c l k 周期之后 字节。 跟随在输入读命令字节的8 个s c l k 周期之后 字节。 在8 个s c l k 周期的上升沿输入数据 在8 个s c l k 周期的下降沿输入数据 小结：由于该产品选用了内嵌微处理器的专用超大规模集成电路为核心设计制造 各项性能指标已非传统的热量积算仪可比，这使得它集先进性、稳定性、可靠性于一 体。它可以广泛适用于冶金、电力、化工、矿山、石油、建材、供水等行业，是旧型仪 表更新改造和新项目设计选型的首选产品。 1 7 沈豳l ：业大学硕士学位论文 2 热量积算仪的数学模型的建立 热量值，是根据流缀值和由供水温度值、回水温度值提供的热焓值，按一定的数学 搂囊诗算驭褥；嚣流量傻，鼷楚棂器涟匿篷黎供承滠度毽、霾承漫度蕊摄镤款密度整， 按一定的数学模毅计算取得。 水的密度值和热焓值，只有国家标准 i 】给出的数据表，而没有一定的数学模型。这 些数据豹获取，楚在定滏、定嚣条 孛下逐点测算密来靛，这就需要我翻摄据冀溪律，建 立一个数学模型，用此模型计算出的密度值和热焓值，尽可能地贴近其真实值。 2 1 “热羹积算”数学模型的建立 首先测量流嚣值，供水温度值，回水温度值；然后根据特定算法，求出供水的热焓 毽帮霞承瓣热烩篷；霉求出供承毒羹鏊承的烩毽差，弱蘧差爨以浚握篷瑟为疆野热量蕊。 对瞬时热燎值进行累加积算，即得到累积热摄值。其计算公式摘自文献 1 。 q = i q m 十( 2 一h 1 ) + d t 2 - 1 e q ：热燮( k j )q m ：质量流量( k g h ) d t ：薅漓增量强)：供密熬熬承鲶值( k j k g ) h ，：回水的热焓俊( k j k g ) 热量可以显示和换算为多种能源计量单位供用户选择，如：k j 、m j 、6 j 、k w h 千瓦靖) 等法定计量单位。 累积热量值的准确性，一米取决于对流摄值、供水瀣度值和熙求瀣度值测量的准确 性及精确度；二来取决于t = t ，一t 。的分辨率。 为保证涣8 量的准确住及精度，a d 转换器逸鞠了高精瘦1 6 位无漏码、线性度裔达 0 + 0 0 1 5 的a d 7 7 1 5 。 对于t ，其值越小，累加的次数也就越多，累积的热量值也就越精确。在实际的 运行环境中，供、西水的流量变仡率是很小的( 特殊情况除外) 。而且各类流藿计本身 具有可调蹩麴阻尼系数，通过调整此系数，瞧8 锼流量竣爨售号变化乎稳。因此，扶综 合情况考虑，热艇( 流爨) 累积时间可选择2 秒次或1 秒次，最后可根据积算仪的程 1 8 沈嘲工业大学硕士学位论文 序大小和运行遥液雨定。 2 2 “流羹测量”数学模型毫建立 流量的测量主要是通过滤最计缮到。现在市场一e 所销售的滤爨计主要有以下几张： 孔板式差压流量计、弯管式差压流量计、涡街式脉冲流量计等等。 对于不丽静流量计，荚流露诗算公式也各不褶浏，下面给出几种常稻静流溪计的计 算公式。 2 2 1 子l 板测量、差j 置输入的流量测缀数学模型的建立 q m = d 十s a d * 应- p * a p 。 2 - 2 1 3 l q m ：质量流量( k g h ) ；d ：节流件开孔直径； e ：膨胀系数；艏：节流件开孑l 厦积； p ：节流件上游侧取压处的流体密度；p ：差压输入信号； 公式2 可转换成： q m = k * 点p * a p l 2 - 3 t 3 1 其中：k = 1 4 1 4 + d + 占# a d 测量系数k 根据孔板或一次流量计的铭牌数据计算确定。 2 , 2 2 孔板测量、差匿信号并方后输入的流薰测量数学模诞韵建斑 q m = k $ 拓 醋 2 其中：k = 1 ，4 1 4 d + $ a d 测量系数k 根据孔板或次流量计的铭牌数据计算确定。 2 2 _ 3 线性流量计测量、线性信号输入自流量测量数学模涎静建立 疗掰：i n 2 - 5 1 3 1 i n ：线性流量输入信号 2 2 4 频率信号输入的流量测曩数学模型的建立 q m = 3 6 4 p f x 2 - 6 1 3 l p ：为被测介质密度；f ：频率输入信号： ，1 9 - 沈阳工业大学硕士学位论文 k ：流量系数( 脉冲当量) 。 流量系数( 脉冲当量) k 根据流量计的铭牌数据计算确定。 2 3 “流体密度p ”和“热焓值h ”的计算 从以上公式中可以看出：流量值是通过主要参数“流体密度p ”和“差压值p ” ( 线性流量除外) 的求得；而热量值又是依据流量值q m 和热焓值h 计算得来的。 差压值ap ，可以从输入端接收差压输入信号，再经a d 转换器转换成数字量，最 后由单片机按照“线性标度”计算程序求得。对于流体密度值p 和热焓值h ，它们的 求得需要两个步骤：先是从输入端接收温度信号，再经a d 转换器转换成数字量，由单 片机按照“线性标度”计算程序，求得温度值；再通过求得的温度值，用特定的计算方 法，求得密度值和热焓值。 差压值ap 和温度值，是经过高精度( 1 6 位) a d 转换器得到的： 差压值测量范围：o - l o o k p a ，分辨率0 1 k p a ，其精度为1 0 f s ； $ 温度值测量范围：o - 1 5 0 。c ，分辨率0 1 ，其精度为o 6 7 f s 。 这样，问题的关键是如何通过温度值，得到精确的密度值p 和热焓值h 。 2 4 用“区间平均值法”求密度值p 和热焓值h ( 方法一) “区间平均值计算法”的主要设计思路是【2 1 】：例如求7 8 6 的密度值，先用查表 法求出此温度点的整数部分( 7 8 ) 的密度值，再查表求出上一点( 7 9 。c ) 的密度值， 再用平均值法求得小数部分( o 6 ) 的密度值，然后两部分进行加减运算，得到实际 的密度值。同理：可以求得热焓值h 。 在国家标准( 文献1 ) 中给出的温度值的分辨率为1 ，这样，通过查表法求 得密度值和热焓值的分辨率为p 1 和h 1 。 而本设计要求温度值的分辨率为0 i 。c ，对应的密度值和热焓值的分辨率为p o 1 和h o 1 ，因此，要想用单一的查表法求密度值，势必要将i 。c 下的密度值和热焓 值进行细分，以得到0 1 对应的密度值和热焓值。 下面，用一事例来说明“区间平均值计算法”的用法： 设：管路中补偿压力大于1m p a ，热水温度值为7 8 6 。c ，求此温度点的密度值和热 2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 焓值。 解：此温度值介于7 8 和7 9o c 之间，先用查表法求得： 7 8 时热水的密度值为：9 7 3 7 0k g m a 、热焓值为：3 2 7 8 6k j k g ； 7 9 。c 时热水的密度值为：9 7 3 0 8k g m 3 、热焓值为：3 3 2 0 6k j k g ； 再求0 6 的密度值：( 9 7 3 7 0 9 7 3 0 8 ) x0 6 = 0 3 7 2k g m 3 ， 再求0 6 的热焓值：( 3 3 2 0 63 2 7 8 6 ) x0 ，6 = 2 5 2 0k j k g ， 这样，7 8 6 。c 热水的密度值= 9 7 3 7 0 0 3 7 2 = 9 7 3 3 3k g m 3 7 8 6 。c 热水的热焓值= 3 2 7 8 6 + 2 5 2 0 = 3 3 0 3 8k j k g 小结：7 8 6 。c 的热水的密度值为9 7 3 3 3k g m 3 ；热焓值为3 3 0 3 8k j k g 。 在上述的计算方法中，查表法求得的7 8 。c 和7 9 。c 时热水的密度值和热焓值，是完 全准确的：0 6 。c 的密度值和热焓值的计算则存在一定的误差，这是因为热水的密度值 和热焓值存在着非线性。但是，上述的平均值算法，已使密度值和热焓值分辨率达到 p 0 1 和h o 1 ，所以计算的精度要小于0 1 。 应该说查表法是一种简单、快捷、准确的方法，在以平均值计算法相配合，足以保 证计算的分辨率小于0 1 。 2 5 用“数学拟合法”求密度值p 和热焓值h ( 方法二) 由于热水的密度值和热焓值存在着非线性，而且没有一个数学模型能够反映出其真 实值，因此用简单的一次方程是得不到精确的密度值和热焓值的。为满足精确，就需要 用“数学拟合”的方法，对测量得到的数据进行修正：先用二次方程( p - a t 2 + b t + c ，t 为测量得到的温度值) 进行修正，所得的数据，如能满足精度要求，则完成修正，否则 要增加运算的幂次( 三次幂，甚至更高幂次) 。这样做，会带来两个问题，一是即使幂 次很高，计算结果也达不到精度要求；二是高幂次运算，会使程序编制量大大增加，而 程序运行速度则大大降低。这是我们设计中不愿看到的。 为克服这两种情况，可将整个测量区间分成几个小区间，对每个区间的数据，再用 “数学拟合”的方法进行二次幂、三次幂修正。如果还达不到精度要求，则再将区间缩 小，直到满足精度要求为止。 2 1 沈阳工业大学硕士学位论文 2 5 1 用全区间、高幂次的“数学拟合法”求密度值p 下面以管路中补偿压力大于1 m p a 的热水为例，用“数学拟合”的方法求o - 1 5 0 。c ( 全区间) 水的密度值：分别用二次方程p = a t 2 + b t + c 和三次方程p - a t 3 + b t 2 + c t + d 行 数学拟合，其拟合曲线如下： l o l o 9 9 0 9 7 0 9 5 0 9 3 0 9 1 0 图2 1用二次方程拟合的o 1 5 0 水的密度曲线图 1 0 1 0 9 9 0 9 7 0 9 5 0 9 3 0 9 1 0 图2 2用三次方程拟合的0 - 1 5 0 ( 2 水的密度曲线图 拟合后的密度值及其误差如下表： 表2 1用二次、三次方程拟合的0 1 5 0 水的密度值及误差值 二次方程拟合三次方程拟合 温度值 理论密拟合后 测量 理论密拟合后 度值密度值度值密度值 测量 误差误差 k g m 3k g m 3k g m 3k g m 3 1 01 0 0 0 41 0 0 1 3 80 9 8 1 0 0 0 41 0 0 0 5 8 o 1 7 2 09 9 8 8 99 9 8 9 10 0 2 9 9 8 8 99 9 8 7 3一o 1 6 3 09 9 6 3 29 9 5 9 10 4 l 9 9 6 3 29 9 6 1 l 一0 2 l |4 09 9 2 8 79 9 2 3 60 5 1 9 9 2 8 79 9 2 7 6一o 1 l 一2 2 。 沈阳工业大学硕士学位论文 表2 1 ( 续) 5 09 8 8 6 99 8 8 2 80 4 1 9 8 8 6 99 8 8 7 20 0 3 6 09 8 3 8 79 8 3 6 6一o 2 0 9 8 3 8 59 8 4 0 20 1 7 7 09 7 8 4 39 7 8 4 9o 0 6 9 7 8 4 39 7 8 7 20 2 9 8 09 7 2 4 09 7 2 7 90 4 0 9 7 2 4 09 7 2 8 50 4 6 9 09 6 5 9 99 6 6 5 40 5 7 9 6 5 9 99 6 6 4 60 4 8 1 0 09 5 9 0 59 5 9 7 60 7 4 9 5 9 0 59 5 9 5 80 5 5 1 1 09 5 1 6 59 5 2 4 4o 8 3 9 5 1 6 59 5 2 2 7o 6 5 1 2 09 4 3 8 19 4 4 5 70 8 1 9 4 3 8 19 4 4 5 50 7 9 1 3 09 3 5 5 29 3 6 1 70 6 9 9 3 5 5 29 3 6 4 81 0 3 1 4 09 2 6 8 19 2 7 2 20 4 5 9 2 6 8 19 2 8 1 01 3 9 1 5 09 1 7 6 59 1 7 7 4o 1 0 9 1 7 6 59 1 9 4 51 9 6 由表2 1 可以看出，用二次方程拟合后的密度的值，其误差最大值达到0 9 8 o ， 常用的温度区间( 6 0 1 4 0 ) 的误差值，也在0 4 0 一0 8 3 ，接近1 o ；用三次方 程拟合的密度的值，其误差最大值达到1 9 6 o ，常用的温度区间( 7 0 1 4 0 。c ) 的误差 值，也在0 4 6 o 一1 3 9 ，超过1 o 。而积算仪的整体误差要求为3 0 0 0 ( 其中系统误差 要小于2 5 0 ，计算误差要小于0 5 0 o o ) ，这样，上述两种方法均达不到设计要求。 可见，即使增加拟合幂次，计算结果也不一定达到精度要求。因此，需采取以下的 拟合方案，再做一次尝试。 2 5 2 用分区间、高幂次的“数学拟合法”求密度值p 用全区间、高幂次的“数学拟合法”所求的密度值，其精度达不到计算要求，因此 改用分区间、高幂次的“数学拟合法”求密度值。 将o - 1 5 0 分成三个小区间( o 一5 0 。c 、5 0 一1 0 0 。c 、1 0 0 1 5 0 。c ) ，对每个区间的数 据，先用p = a t 2 + b t + c “数学拟合”的方法进行二次幂修正。 下面是用二次方程进行数学拟合的1 0 5 0 。c 水的密度值拟合曲线 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 。1 。 三h 0 密度p = 0 0 0 4 4 x y 20 0 3 0 1 x t + 1 0 0 12 1 02 03 04 05 0 温度 6 0 图2 3用二次方程拟合的1 0 5 0 c 水的密度曲线图 由图2 3 得数学模型：p = 一0 0 0 4 4xr 一0 0 3 0 1xt + 1 0 0 1 2 ，拟合后的密度 值及其误差如下表： 表2 2用二次方程拟合的o - 5 0 。c 水的密度值及误差值 温度值 理论密拟合后 测量温度值 理论密拟合后 测量 度值密