（通信与信息系统专业论文）基于网络环境的分户热计量系统的研究与应用.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 由于历史原因，我国北方地区冬季采暖的热能收费基本上是根据用户 的住宅面积平均收取而不是按实际消耗热能量来收取。这种现状直接导致 了供暖效率低，能源浪费严重，环境恶化等问题。随着能源供应紧缺的现 状及国家对供暖体制改革的不断推进，供暖、采暖商品化及热能的分户计 量成为亟待解决的问题。分户热量计量有两个明确的目的：一是为采暖商 ， 、 品化的收费提供计量依据；二是为推进节能、环保创造条件。对于前者来 说，计量的要求在于尽可能准确；对于后者来说，必须向用户提供一种易 操作、可自主实现节能的手段，来实现居室及局部环境温度的可调性。 本文通过我国目前供热现状的分析，指出实行分户热计量的优越性以 及研制分户热计量系统要解决的问题。即通过分户热计量系统的热量表来 解决用户用热量的测量，由用户或远程控制电动调节三通阀阀门开度达到 室温的调节和节能的目的。文中介绍了基于网络环境的分户热计量系统的 研究，开发及应用。对系统中的电动调节三通阀、流量采集器和单元仪表 进行了详细介绍。重点介绍了本人参与系统研制过程中的一些工作如热能 计算和预付费射频i c 卡等。对所研制的分户热计量系统在北京试点的测试 数据进行了初步分析，结果表明该系统即使在阀门开度相差较小的条件下 也能达到一定的节能效果，最后进行了总结和展望。 关键词：分户热计量；网络环境；电动调节三通阀；节能；射频i c 卡； 兰州大学研究生学位论文 a b s t r a c t f o rh i s t o r i c a lr e a s o n ，t h ec h a r g ef o rh e a ti sn o td e p e n d e do nq u a n t i t yo f u s i n gh e a tb u to n r e s i d e n c ea r e aa v e r a g e l yi nn o r t ht o w ni no u rc o u n t r yi nw i n t e r ， w h i c hr e s u l t si nn o tm a k i n ge c o n o m i c a lu s eo fh e a t ，t h ew a s t i n go ft h ee n e r g y a n dt h ed e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n t w i t ht h es h o r t i n go ft h ee n e r g ya n dt h e i n n o v a t i o no fh e a t i n gs y s t e m ，t h ep r o b l e mo ft h es e p a r a t e t e n e m e n th e a t m e t e r i n ga n dt h ec o m m e r c i a lf o rh e a ti se m e r g e n c y ，t h e r ea r et w oo b j e c t st o s e p a r a t et e n e m e n tf o rh e a tm e t e r i n g ，o n e i sar e f e r e n c ef o rc h a r g e ；t h eo t h e ri s t om a k i n ge c o n o m i c a lu s eo fh e a ta n dp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t ，t ot h ef i r s t p o i n t ，w h i c hd e m a n d sn i c e t ym e t e r i n go fh e a t ，t ot h es e c o n d ，w h i c hd e m a n d s h e a tm e t e r i n gd e v i c eo p e r a t i n ge a s i l ya n di n d o o rt e m p e r a t u r er e g u l a b l e t h ea d v a n t a g e so fs e p a r a t et e n e m e n th e a tm e t e r i n ga n ds o m ep r o b l e m st o b er e s o l v e da r ei n d i c a t e dd u r i n gt h ea n a l y s i so fh e a t i n gs i t u a t i o na tp r e s e n t ，h e a t a r em e t e r e db yh e a tm e t e r i n g ，t h er e a l i z a t i o no fe n g e r ys a v i n ga n di n d o o r t e m p e r a t u r ei sr e g u l a t e db yt h ee l e c t r i cr e g u l a b l et h r e e w a yv a l v e i nt h i sp a p e r ， t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h es e p a r a t et e n e m e n th e a tm e t e r i n gb a s e do n n e t w o r ke n v i r o n m e n ta r ei n t r o d u c e d ，t h ee m p h a s i si so nm yw o r ks u c ha sh e a t a c c o u n t i n g ，i m p r e s tr f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) a n d ，n e x ta n a l y z e t h et e s td a t ao ft h es e p a r a t et e n e m e n th e a tm e t e r i n ga p p l i c a t i o ni ne x p e r i m e n t a l u n i ti np e k i n g ，g i v e nt h er e s u l tt h a ts o m ee f f e c to fs a v i n ge n e r g ya r ea c h i v e d e v e nt h et h r e e w a yv a l v e sr e g u l a t i o na r el o w 。a tl a s ts o m ec o n c l u s i o n sa n d p r o s p e c ta r eg i v e n k e yw o r d s ：s e p a r a t et e n e m e n th e a tm e t e r i n g ；n e t w o r k c o n d i t i o n ；e l e c t r i c m g u l a b l et h r e e w a yv a l v e ；e n e r g ys a v i n g ；r fi cc a r d i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，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。对本文的研究成果做 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：照逝 日期：y 。i 6 ，z 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：蛙曼生圣导师签名：鲰日期：压归f z j 兰州大学研究生学位论文 第一章引言 1 1 热计量现状 长期以来，我国北方地区城镇居民采暖用热一般按住宅面积而不是按实际用热量计 量收费，导致用户节能意识差，造成资源的浪费显然该计量方法缺乏科学性。而欧美 等发达国家在八十年代初，热量表的使用已相当普遍，热力公司以热量表作为计价收费 的依据和手段，节能2 0 3 0 ，作为建筑节能的一项基本措施，国家建设部已将热量 计量收费列入建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划。因此，研制开发用于采暖计 价的热量表势在必行。依据国家有关规定，今后城镇新建公共建筑和民用住宅，凡使用 集中供热设施的都必须设计、安装具有分户计量及室温调控功能的采暖系统，并执行按 用热量分户收费的新办法，计量及温控设施费用计入房屋建造成本。对现有公共建筑和 居民住宅也要求按照分户计量、室温可控的要求逐步进行改造，安装计量、温控装置。 北京、烟台、大连、长春等地过去试点工作实际运行的结果显示，新建住宅设计安 装具有温控计量功能的室内采暖系统，与传统的系统相比新增成本约2 0 元平方米；现 有住宅采暖系统改造，平均成本约2 0 至3 0 元平方米。因此，推行用热分户计量将增 加一定的住宅建造成本或改造投入。在这种情况下为什么还要推行用热分户计量? 业内 有关专家介绍，投资后的节能效益不仅可以弥补上述投入，还可以减少总的采暖费用。 1 2 分户热计量优越性及发展前景 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 方面优点明显。但是，长期以来，中国的集中供热都是采用计划体制下的包费制，整个 供热行业的供热设计规范、热网结构形式、供热行业的管理方式以及用户的消费心态都 深深地受到这种福利供热机制的影响。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机制越来越不相适应，采暖收费难已经成为社会的焦点问题。 有些地区供暖单位收费率最低时仅达到2 0 。沈阳市1 9 9 9 年以前采暖费的拖欠率为 7 0 ，到2 0 0 0 年底沈阳地区已经欠下采暖费2 6 亿元，取暖季节政府接到的投诉之5 0 与供暖有关。然而，单纯实施集中采暖分户控制也不能解决旧体制下的一系列问题，而 且与国家要求的供热商品化以及节约能源、保护环境的目标还有相当大的距离。正是这 种背景下，中国国家建设部明确规定了实施供热完全商品化和按热计量收费的推广同 兰州大学研究生学位论文 程，亦即供热分户计量和收费的制度脱颖而出。分户计量和收费的制度一经推出提供了 诸多益处，表现在： ( 1 ) 节约能源。 按户计量后，用户的节能意识明显增强，实现了自觉节能；有效控制了用户盗用热 水以及恶意排放热水现象。中国最近几年进行的计量收费实验研究表明，双管试验系统 的节能率最高可达到2 5 以上，单管试验系统的节能率达到1 5 以上。据报道，东欧国 家已经在实践中证明采用热计量收费可节约能源2 0 3 0 。 ( 2 ) 减轻大气污染。 建筑采暖用能是大气污染的一个重要因素。特别是中国的能源结构是以煤炭为主， 大气污染问题因而更加突出。而实施分户计量、按热收费之后，在节约能源的同时减轻 了大气污染。 ( 3 ) 提高居住热环境舒适度。 随着现代化建设的发展和人民生活水平的日益提高，舒适的热环境已经成为人们的 现实需要。按热计费，供暖单位将会自觉地为用户提供质量更高的热源，以求得到更大 的生产效益，而终端用户则能够根据天气温度的变化调节和控制室温，因此用户的冬季 生活将会更加舒适。 ( 4 ) 满足了供暖体制改革的需要。 供热商品化的前提是必须对作为商品的热能进行计量。因此，采用分户计量收费作 为贸易结算办法则满足了这一需要，并且从根本上解决了供暖收费难等一系列问题。 ( 5 ) 完善供暖管理。 采用分户计量收费，使得供暖公司的效益直接与供暖质量挂钩，迫使供暖公司自觉 而积极地改进管理，堵塞进料等方面产生的漏洞，为用户提供更好的服务。 ( 6 ) 促成和拉动新兴产业。 城市供暖按计量收费已经成为必然趋势，因而热计量表的开发和应用孕育着一个极 具潜力的市场。实行供热分户计量，不只需要计量器具，还需配备相关器件，这就意味 着将促成和拉动一个具有相当规模的新兴产业。 1 3 分户热计量系统研制开发的难点及需解决的问题 热量表是一种适用于测量在热交换环路中，载热液体所吸收或转换热能的仪器，热 量表用法定的计量单位显示热量n 热计量表俗称暖气表，主要用途是对供暖进行热量 2 兰州大学研究生学位论文 计量。它是适应城市供暖体制由以往按面积收取采暖费向按用户所消耗的热量收费转变 和供热机制由计划经济向市场经济转变的需要而推出的计量器具。作为机电一体化产 品，热计量表主要由流量系统、计算系统、显示系统、传感系统4 大部分组成，另外还 带有远传通讯接口。应当说，热计量表的技术含量是较高的。热计量表的研制和设计的 难点表现在以下6 方面： ( 1 ) 经验和技术尚不成熟。由于起步较晚，中国热计量表的研制无论在技术上，还 是在经验上，都与外国有较大差距。 ( 供热系统是一个动态的闭环回路，在工作过程中，系统介质的物性参数随着压 力和温度的变化而不断变化，要使热量计量准确，必须进行全过程的压力和温度补偿。 ( 3 ) 供热系统介质温度变化范围大，要准确测量不同温度下的介质流量。 ( 4 ) 采暖用水杂质含量较高，对计量精度和流量计最小启动流量有不良影响。 ( 5 ) 采暖用水腐蚀性较强，影响热计量表的使用寿命和计量精度。 ( 6 ) 流量信号采集系统应当适应不同使用条件( 如恶质水质) 。 从大的方面说，需要解决的问题 ( 1 ) 能准确计量热量，灵活调节室温。热既然作为商品出售，用户就有权按照自己 的需要调节室温，外出时还可以暂时关闭室内系统。国外的热计量经验表明，按照热量 收费的制度是促使用户自觉节能的最有效手段，据统计，把“大锅饭”式的采暖包费制， 改为按实际使用热量向用户收费，可节能2 0 一3 0 。实现供暖系统按热量收费的最终 目的是建筑节能，要作到这一点，除了加强建筑保温、降低设计能耗外，室内供暖系统 必须有温控装置，温控是实现热计量的前提条件之一，只有计量收费装置而没有室内系 统的温控手段，实际上达不到节能的目的，而仅仅是为了收费，这实际上偏离了建筑节 能的根本目的，因此热计量和温控往往是密不可分的。虽然热计量的大面积推广一定要 在有温控的前提下进行，但是温控除了节能、节资外，它的另一个作用是提高了室内舒 适度，提高热网供热质量。 ( 2 ) 无论是管理部门，还是热用户，热计量系统应便于维护管理。 ( 3 1 有良好的节能效果。 我国北方地区建筑内的采暖系统以单管顺流式为主。单管顺流式系统的用户，一户 内有若干个散热器，每根立管中的热水自上而下流过每一层的散热器后进入回水管，即 每户有多个给水入口和多个回水出口，本文主要介绍单管顺流式系统的开发与应用，对 兰州大学研究生学位论文 于双管系统，仅需要在单管的基础上稍加改造即行。 第二章分户热计量及监控系统方案介绍 2 1 系统总体方案 i 电动调节三通阀l f 流量采集器l i ji _ j 图2 1 基于网络环境的分户热计量系统三层结构 对于旧的单管顺流式系统，采用如图2 1 所示的三层结构进行改造，图中的双向箭 头表示数据传输是双向的。虽底层是电动调节三通阀和流量采集器，三通阀每个散热器 安装一个，流量采集器每个立管安装一个；中间层为单元仪表，每个单元安装一个；最 上层为监控计算机，安装在供热站。电动调节三通阀实现用户每个散热器的入水温度、 出水温度的测量，并通过阀门开度对流入散热器的水量进行控制。流量采集器对立管的 水量和温度进行测量。入水温度、出水温度和流量是热能计算的三个参数。电动调节三 通阀和流量采集器采集的数据如温度、流量、阀门开度及阀门地址等信息都送到单元仪 表，由单元仪表进行热能计算并传到监控计算机进行监测；电动调节三通阀也接收由监 控计算机发来的经由单元仪表的控制信息，通过对阀门开度的调节实现对用户室温的调 节，当然，用户也可通过对电动调节三通阀上的开度旋扭的调节同样达到对室温调节的 目的。这些调节动作都能反映在监控计算机上。单元仪表除了完成上与监控计算机、下 与电动调节三通阀和流量采集器的通讯任务外，还实现用户采暖的预付费和户累计使用 热能查询、所剩金额查询及显示。另外，单元仪表还将总热量送往热量总表以供显示和 查询，监控计算机主要功能除了监测采集传输的所有数据外，还可远程控制对阀门的操 作，给管理员提供远程监测的用户界面并能发出控制指令。 4 兰州大学研究生学位论文 2 2 电动调节三通阀 第三层 第二层 第一层 图2 2 旧单管顺流系统图 旧的单管顺流式采暖系统如图2 2 所示，安装分户热计量系统必须对旧系统进行改 造，加装电动调节三通阀、旁路管和流量采集器后称为改进的单管跨越系统。 电动调节三通阀由机械和电路两部分组成，机械部分主要是三通阀和旁路管，如图 2 3 所示，以电动调节三通阀代替检修阀，并在散热器的入水管与出水间管加装旁路管。 电路部分由电机( 控制三通阀门的开度) 、温度传感器( 装在三通阀内，直接测量散热 器内的水温) 、温度采集模块( 温度传感器采用p t l 0 0 0 ) 、供电模块、地址编号模块 ( 表明此阀的地址) 及与单元仪表间数据传送的通信模块组成。一个单元内的每个三通 阀都有唯一的地址编号，电机对阀开关度的传动通过齿轮来完成。电动调节三通阀面板 上装有用户可调节的旋钮，用户可以通过旋钮来调节阀门的开度，进而调整流入散热器 的水量与流入旁路管路的水量比例，达到调整散热器温度，从而实现室内温度调节的目 的。对单管顺流式采暖系统，在同一立管下，知道了电动调节三通阀1 ( 地址为1 的电动 调节三通阀) 的入水温度，电动调节三通阀1 的出水温度( 即电动调节三通阀2 的入水 温度) ，及本立管的水流量，就可以计算出此散热器所消耗的热能。 5 兰州大学研究生学位论文 图2 - 3 改造后的单管顺流系统组成图 2 2 1电动调节三通阀节能及温控原理 a 图2 4 节能原理图 分户热计量系统要做到节能和温度的控制，关键在于电动调节三通阀，下面以图2 4 为例进行分析，为了分析方便，做几点假设： a 把整个散热器看做一点，如图的d 点 兰州大学研究生学位论文 b a b 立管的散热效果看作相当于整个散热器的1 n ，b e 旁路管的散热效果相当于 整个散热器的l m ，分析以下几种情况： ( 1 )阀门全关 这种情况下，水的流向如图由a _ _ + b e ，这是最节能的情况，阀门全部关闭后，用 户耗能仅仅是立管所散发的热量。设散热器的散热量为1 ，则节能比例r 计算得： 节能比例= 1 一( 旁路管散热量+ 立管散热量) 总散热量 11 _ - 、 肛卜* l - i - 一十一 聆m 如果a b 段立管的散热是整个散热器的3 1 4 ，b e 段旁路管的散热是整个散热器的 1 1 4 ，代入上式得r 为8 8 9 ，这就是说在立管散热与散热器散热相比为3 ：1 4 时，最大 节能为8 8 9 。实际情况中，用户家中a b 立管长度相对固定，只是根据房间面积不同， 散热器大小不同，如厨房或卫生间散热器小，1 n 和1 m 的值则大一些，例如此时a b 段立管的散热是整个散热器的3 5 ，b e 段旁路管的散热是整个散热器的1 5 ，代入上式得 r 为5 5 5 ，如果对较大的散热器，则r 值更大一些，这就是说，散热器越大，其相对 节能效果越好。 ( 2 ) 阀门全开 这种情况下，水的流向如图由a b d e ，这是不节能的情况。 ( 3 ) 阀门按比例开 这种情况下，部分水的流向如图由a b d e ，一部分水的流向由a b e ， 这是部分节能的情况，节能效果介于阀门全开和阀门全关这两种情况。 2 3 单元仪表 单元仪表功能图如图2 5 ，组成结构如图2 6 ，主要完成以下功能： ( 1 ) 数据通讯，包括单元仪表与电动调节三通阀的通讯和与远端监控计算机的通 讯。一方面，电动调节三通阀采集的温度、阀门开度、阀门地址信息及流量计的流量、 温度信息通过4 8 5 总线由电动三通阀传给单元仪表，再加上单元仪表中的用户射频卡卡 号、用户所消耗的热量、所剩余额、掉电状态等数据一并传给监控计算机。另一方面， 监控计算机对阀门的控制开度数据由单元仪表传给电动调节三通阀，实现对阀的控制。 兰州大学研究生学位论文 ( 2 ) 热能计算，单元仪表接收电动调节三通阀传来温度、流量、阀门地址、时间等 数据，根据相应温度的焓值，计算每个散热器消耗的热能，再根据每个散热器的热能和 阀门地址，计算出每户所消耗的热能； ( 3 ) 用户界面，用户采暖缴费采用射频卡预付费方式，当用户向热力公司缴纳一定 数目的采暖费时，热力公司的射频卡读写器向用户的射频卡中写入相应数目的金额。单 元仪表上装有读写头，持卡用户通过在单元仪表上刷卡，用户卡上的金额转储在单元仪 表中，程序判断用户金额不为零，开启与此卡对应的用户家的阀门，用户此时便可正常 用热。用热过程中，用户可凭本卡在单元仪表上进行本用户累计使用热能查询，缴费余 额查询，查询过程中，l e d 显示相应的数字，并伴有语音播报。 陌翮 望垂l 回 2 5 单元仪表功能图 圜圉冒 兰州大学研究生学位论文 i射频卡 i l r i 无线射频读头 图2 6 单元仪表组成结构 2 , 4 监控计算机 监控计算机主要有3 个功能， i 总表数据传输接口 ( 1 ) 通讯功能，接收单元仪表的数据和发送数据给单元仪表，进而实现对电动调节 三通阀的控制； ( 2 ) 监测功能，可实时监测现场设备的工作状态，包括散热器进水阀门最大开启量 9 兰卅i 大学研究生学位论文 、当前开启量，散热器进水温度、出水温度，流量计的流量，单元仪表掉电状态，资费 将尽提示、资费己尽提示，户消耗热能累计、单元消耗热能累计、户所剩余额、户射频 卡卡号等： ( 3 ) 控制功能，对现场设备的运行状态进行控制，如：散热器进水阀门当前开启量， 可分为现场手动调节或通过通信方式的远传控制两种方式，阀门可分为全开、全关、按 比例开启、保持不动等。 ( 4 ) 数据存储功能，监控计算机可将一个采暖期某个时间段或整个采暖期的监控数 据进行保存整理，以备以后分析之用 第三章技术要点 3 1 热能计算 3 1 1 计算方法 根据工程热力学中的分析方法，对于一开1 2 系统，流经此系统的流体通过系统时的 能量平衡方程可用下式表示： d e c ，。= q + ，竹( 矗) + m g a z + 1 2 ( m h c 2 ) + 形j 其中：d e c ，一系统内部总储存能随时间的变化；q 系统与外界的热交换量； m 流经系统的工质流量；z 一系统进、出1 ：3 处的位置差；c 2 一工质在系统进、 出口处速度的平方差；彬系统与外界交换的轴功；幽一工质在系统进、出口处的 比焓差。 当系统为一换热器时，可以对以上方程进行简化。当工质流速较低时，通常不计其 流经换热器进、出口的动能和位能差。换热器与周围环境也没有功的交换，彬：0 。因 此，当换热器处于稳定工作状态时，峨。= 0 。流经换热器的流体与周围环境的换热量 可表示为： o = 一( 幽) = m 魄一h ：) 其中： 流体在换热器进口处对应温度下的比焓； 1 0 兰州大学研究生学位论文 ，流体在换热器出口处对应温度下的比焓。 也即流体通过换热器与周围环境的换热量等于流经换热器流体的质量流量与流体 在换热器进、出口的焓差之乘积。 将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的入水管和出水管上，流量采集器安装 在流体入口或回流管上( 流量计安装的位置不同，最终的测量结果也不同) ，流量采集器 发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温差的模拟信号，热量表采集 来自三路传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。热量表系统原理图 如图3 1 所示。 下面以热量表热计量原理为基础，介绍了几种常用的热量计量方法，采用单管顺流 式系统的建筑物，在每一户内，是以相互独立的每一组散热器来进行供热的。户内各房间 的散热器的相互独立，可分别计算出每个散热器消耗的热量，再根据每个散热器安装的 电控三通阀的地址，从而算出用户整个所消耗的热能。 图3 1 热量表热计量系统原理 热量表的计量原理主要有两种友法，一是采用焓差法，二是k 系数法，前者是计算 时间的积分，后者是计算流量的积分。这些公式的推导都是基于下面这样一个简单的热 力学基本原理，即：1 升纯净的水( 比热为1 ) 温度每变化1 ，所吸收或放出的热量是 1 0 0 0 卡( 也就是1 大卡) 。在热量表的实际应用中，考虑到导热介质水是流动的，并且 在不同压力和温度下水的比热也是变化的，传热量一般由载热流体的质量、比热容和温 度变化等因素决定。国内热量表一般采用焓差法计算热量。焓差法的传热公式为 q 2 f h h d t ( 1 ) 兰州大学研究生学位论文 式中：q 为释放热量，单位k j 或k w h ，q 。为瞬时流量，单位蝇s ， h 为进出 口焓差，单位k j k g ，k 为热交换系数，单位k w h m 3 ：t 为时间，单位为秒，对 于热量的计算，目前一般采用以下三种方法。 ( 1 ) 直接焓差法 q = q 。( h ，一h r ) = q v ( c p ，p ，口，一c p ，p ，0 ，)( 2 ) 式中：。，c p r 为入口与出口的定压比热容( 单位j k g ) ；吼，q m 为瞬时体积流 量、瞬时质量流量，n ，n 为入口与出口温度下的载热流体密度：唾，啡为入口与出 口的温度a 该公式计算简单，只要根据实测温度g - t 5 0 查表得。，c ，p ，和p r 等 4 个常数，代入式( 3 ) 即可【2 】。显然，温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大， 并且，对于实测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其距离最近的点 计算相应的焓值，从而得出瞬时热量，但这一方法会带来人为误差。 ( 2 ) 常系数焓差法 q = c p q 。( 0 ，一0 ，) = c p p q ，( 口，一目，) ( 3 ) 式中：c 。为定压比热容，为常数，使得程序的计算量减少，计算速度大大加快但 是由于流体的密度p 需要进行温度修正，同时由于不能对c 。进行在线温度补偿，该方法 的温度适应性较差，不适宜于作为户用型热表的热量计算方法 ( 3 ) k 系数法【1 】 q = k a o d v 式中：q 换热器与周围环境的换热量【好】； v 流经换热器流体的体积流量【m 3 】； 口流体在换热器进、出口处的温度差【】； k 一热系数，是流体在相应温度、温差和压力下的函数 j ，m 。 或 k w h m 3 】。 由于热交换系数k 当压力一定时，它随温度而变化，所以k 系数法又可分为分段 式k 系数法和k 系数补偿法。 兰，i , i 大学研究生学位论文 分段式k 系数法是将热交换系数按回水温度进行分类p l ： o r q ，k = k l ；0 1 岛，k 墨k 3 该方法将热交换系数量化为三个分段常数，在一定程度上对其进行了温度修正，式 中三个关键常数凭经验来确定，如果温度区间划分较粗，温度适应性依然较差。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。o l m l r 7 5 国际规程和e n l 4 3 4 欧洲标准都对热系数k 如何计算有明确的说明【4 1 。下面简要说 明其思想。 热量是依据热载体的质量和进回水热焓的差来计算的。现在所有的流量计测得的只 是体积流量，必须根据温度和压力修正才能得到载体质量。在载热介质一定的热交换回 路中，热系数是压力、温度的函数，可以按下式计算： k ( p ，0 z ，口，) = 1 l q ( e r ) ( p ，一8 ，) 垢7c p ( 臼矽口足( p ，9 ，p ，) ( 4 ) 式中：g ) 为入口温度或出口温度下载热流体的流量：口，q 为入口温度，出口 温度；c 。( 口) 为比热容，求出k 系数在不同压力下随进、出口温度变化值及不同温度下 随压力的变化值，由这些不同的k 值根据公式计算出换热器与周围环境的换热量。定压 时，k 值随温度的不同变化较大，恒温时，热系数k 值随压力变化不大 5 1 ，这由图3 2 可以看出。 实际上由于k 系数与温度的关系相对比焓与温度的关系更为复杂，在使用数据进行 计算时，所包含的数据量也更大。因此，使用焓差法更为方便。本系统正是采用直接焓差 法( 只考虑定压情况) 进行计算的，采用直接焓差法计算热量时，先将各温度值对应的 焓差值做成表格，存在e e p r o m 中，热量计算中的积分值就是流过换热器的流体流量 与流体在换热器进、出口处的比焓差乘积的累加。在实际测量中，由于流量计测量的流 量都是体积流量，通过测得的温度换算出质量流量，并根据温度查出进水和出水温度下 的对应热焓值，由公式( 1 ) 对时间积分，便可计算出热量。 兰州大学研究生学位论文 图3 2 a ：压力为o 6 k p a 时，热系数k 随进、出口温度变化曲线 。裳芝 - 一。翟乞 ，。，il o 摹辫蓐 釜矗，# i 萨段 3 1 2 温度传感器 ；， 襄 妻 毒 羹l 嘶 鍪 娥 图3 2 b 热系数随压力的变化曲线 温度敏感元件采用铂电阻p t l 0 0 0 ，在0 6 3 0 7 5 。c 的温度范围内，铂电阻的阻值与 温度的关系式为 r = r ( 1 + a t + 6 f 2 ) 式中：a = 3 9 6 8 4 7 ) c 1 0 。c ；b = 一5 8 4 7 1 0 7 c 。显然，由铂电阻的阻值很难直接求解 出温度值，可以使用表格法线性插值法进行温度的标度变换。即将测得的电阻值与表格 内电阻值进行比较，直到r n r r n + i 时停止比较。 1 4 焉p护_哼扭1l。、q辩蛐蜒 黎秘量熬鼠豁。 兰州大学研究生学位论文 3 1 3 流量采集器 流量计按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理等。 流量计又可分为机械式、磁力式和超声波式等。机械式流量计耗电少、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。国外生产厂 商均未给出其使用寿命，但却承诺在水质符合要求的条件下可连续使用6 年，并保证设 计精度。在丹麦人们非常重视供热水质，政府设专业部门检查监督水质。但在这种情况 下，机械式流量计也只运行5 年左右就要更换新的流量计。超声波式流量计对水质要求 较低，不易损坏，使用寿命长，但价格较高，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 。鉴于我国供热系统水质普遍较差这一国情，我们选用涡轮流量 计，涡轮流量计精度高，一般可达到指示值的0 2 o 5 ，而且在线性流量范围内， 即使流量变化也不会降低累积精度。来自流量计的脉冲信号经脉冲整形电路后成为具有 一定幅度的矩形波信号，然后接入微控制器的i o 口，并进行计数，经过计算得到流量 值，这就是流量采集器。流量采集器有单双之分，单温度流量采集器用于单管顺流系统， 安装在立管上，用于采集立管的水的流量及温度，并将流量和温度数据通过r s 4 8 5 总线 送往单元仪表进行热量计算；双温度流量采集器用于双管系统，安装在用户采暖入水、 出水管道上，用于采集流量及入水、出水的温度，并将流量和温度数据通过r s 4 8 5 总线 送往单元仪表进行热量计算：单管和双管流量采集器组成如图3 3 和3 4 。 温度采集电路il 电源模块 流量采集电路lil c 。显示 r s 4 8 5 通讯端1 7 1 图3 3 单管流量采集器组成图图3 4 双管流量采集器组成图 本系统中流量采集器中的流量计使用涡轮式，它有以下特点： ( 1 ) 高精度，在所有流量计中，属于成本较低但较精确的流量计； ( 2 ) 无零点漂移，抗干扰能力好； ( 3 ) 结构紧凑，可直接和单片机计数器口相连接。 兰州大学研究生学位论文 缺点： ( 1 ) 不能长期保持校准特性； ( 2 ) 流体中杂质对流量特性有较大影响。 3 1 4 误差分析 在实际测量中，由于流体的焓、密度等参数是温度的函数。因此在热量仪表中，只测 量流体在换热器进、出口处的温度和体积流量，根据流体比焓和密度与温度的关系，最终 确定流体的密度和比焓差，进而计算流经换热器的流体通过换热器与周围环境的换热 量。这样，热量计算的误差是来自流量测量的误差和温度测量的误差，但热计量仪表的误 差绝不是两个测量误差之和。如果进口处温度测量的绝对误差是6 n ，由此计算的进口 处比焓值的绝对误差是瓯，出口处温度测量的绝对误差是4 z ，由此计算的出口处比焓值 的绝对误差是屯z ，如果“x t z ，0 ，表明两只温度传感器的误差都为正差或都为负差， 在此情况下，比焓值的绝对误差为屯2 屯，一以：，如果氏。4 z 0 ，表明两只温度传感器 的误差为一正差或一负差，在此情况下，比焓值的绝对误差为瓯26 一t + 哦z 。在测量流量 时流量计体积流量的绝对误差为乱，由于温度测量误差而带来的密度计算的绝对误差 为扩，这样一来，流经换热器的流体通过换热器与周围环境的换热量计算的绝对误差可 表示为 1 l ： 6 q = 瓯( p v + v 6 p + p 6 ，) + 印( p 幽+ 幽d ，) + 6 v ( p 幽) + 6 p 6 ，屯 相对误差为：6 0 a ，此处q = p v a h ，其中： 口根据标准温度计算的换热器进口或出口处流体的密度： v 测量时间内流过流量计流体的标准体积流量： a h 为标准进、出口处温度下的比焓差。 由以上分析可以看出，无论是焓差法还是k 系数法计算换热量，其误差绝不是简单 的温度和流量误差之和。实际上误差的计算很复杂，与测量点的温度、流量、密度、焓 值有关。 另外，由于计算是在定压条件下进行的，管道中压力的变化也会给热量计算带来误 兰州大学研究生学位论文 差，由图3 2 可以看出，压力变化对热系数影响小，也就对计算带来的误差小，在使用 直接焓差法计算热量时，可以不考虑压力变化带来的影响。 3 2 射频卡技术 3 2 1 射频卡原理及在分户热计量系统中的应用 无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是自动识别技术的一种高 级形式，本系统利用射频识别技术实现了热分户计量系统的缴费、充值、余额计算等功 能。在无线射频识别技术中，射频卡也叫智能卡，射频卡用来实现先购热、后用热的预 付费要求。可杜绝因一人不交费，全楼无法供热的问题 当用户向供热公司缴费时，供热缴费机向用户卡上写上与用户缴费等量的钱数；当 用户在单元仪表上充值时，单元仪表中的读头将用户卡上的金额一次性写入其存储器， 根据用户使用热量的数值及单位热量的单价，计算出用户消费热量的金额，从充值的总 金额减去所消费热量的金额，得到用户余额，当余额减至零时，单元仪表控制用户的供 热阀门关闭。同时，射频卡也是用户在对自己用热和余额情况进行查询的凭证。其工作 原理如图3 3 所示。 匝匾幻 困 回 回 i 逻辑内l i 存映射l 设备配置命令甲f + 。上上 标签读 应用 应用命令 写命令 i 程序 命令7 响应单元i , - 与映射 接口 设备配置命令 t 规则r _ 一 应用命令 i 逻辑内存 图3 5 智能卡工作原理 兰州大学研究生学位论文 3 2 2 读头 本单元仪表中采用的读头模块为广州周立功单片机发展有限公司的z l g 5 0 0 a 读卡 模块，硬件上采用四层电路板设计双面表贴；读头上的读卡芯片采用p h i l i p s 公司最新 符合i s 0 1 4 4 4 3 a 标准的m fr c s 0 0 芯片；读头与外部m c u ( 微处理单片机) 采用三 线s p i 接口，能与任何类型m c u 接口；外部m c u 能对r c s 0 0 内e e p r o m 进行读写 操作。 z l g 5 0 0 a 读卡模块与c p u 通过模拟s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 总线相连。 实物图如下： p h i l i p s 公司的m c m ( m i f a r ec o r em o d u l e 是m c m 的全称，意为m i f a r e 核心模块) 主要有两种产品型号m c m 2 0 0 和m c m 5 0 0 。这两种模块均被用于读写m i f a r e1 非接触 式射频卡的读写器中，负责读写器中对非接触式射频卡片的读写等功能，一般在读写器 中还必须有m c u ( 微处理单片机) 来对m c m 进行控制、及对读写器的其他方面例如 对键盘，显示，通信等部分的控制等等。 m c m 2 0 0 模块主要应用于对卡片操作距离在2 5 r a m 的卡片读写器中；而m c m 5 0 0 模块主要应用于对卡片操作距离在1 0 0 r a m 的卡片读写器中。 m i f a r e 所具有的独特的m i f a r er f ( 射频) 非接触式接口标准已被制定为国际标 准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准。下面是m c m 5 0 0 模块特性说明 工作频率1 3 5 6 m h z ； 读写卡片距离可达1 0 0 r a m 以上； 与卡片的通信速率可达1 0 6 k b p s ； 模块与卡片通信时数据加密； 兰州大学研究生学位论文 每个扇区设有3 套密码及其认证和密码存储器： 有防卡片重叠功能： 1 6 个字节的f i f o 先进先出队列接收发送缓冲寄存器； 在模块与卡片通信时自动侦查错误自动对数据流分析； 对r f 射频通道自动监控； 内建8 1 6 位的c r c 协处理器提供c r cp a r i t y 等数据校验； 支持多种方式的活动天线并且不需“天调系统”( 天线调节系统) 对天线进行补 偿调节； m fr c 5 0 0 芯片的内部寄存器按页分配，并通过相应寻址方法获得地址。内部寄存 器共分8 页，每页有8 个寄存器，每页的第一个寄存器称为页寄存器，用于选择该寄存 器页。每个寄存器由8 位组成，其位特性有四种：读写( r w ) 、只读( r ) 、仅写( r ) 和动 态( d y ) 。其中d y 属性位可由微控制器读写，也可以在执行实际命令后自动由内部状态机 改变位值。微控制器m c u 通过对内部寄存器的写和读，可以预置和读出系统运行状况。 寄存器在芯片复位状态为其预置初始值。 m fr c 5 0 0 的e 2 p r o m 共有3 2 块，每块1 6 字节。e 2 p r o m 存贮区分为四部分：第 一部分为块0 ，属性为只读，用于保存产品的有关信息：第二部分为块1 和块2 ，它们 具有读写属性，用于存放寄存器初始化启动文件；第三部分从块3 至块7 ，用于存放寄 存器初始化文件，属性为读写；第四部分从块8 至块3 1 ，属性为只写，用于存放加密 运算的密钥，存放一个密钥需要1 2 字节，e 2 p r o m 密钥存放区共可存放3 2 个密钥，实 际密钥长度为6 字节，存放在紧邻的1 2 个e 2 p r o m 字节地址中。一个密钥字节的8 位 必须分开存放，若设密钥8 位为k 7 ，k 6 ，k 0 ，则存放在两个相邻字节时为 k 7 k 6 k 5 k 4 k 7 k 6 k 5 k 4 和k 3 k 2 k l k o k 3 k 2 k l k 0 ，例如密钥字节为a o h 时，则存放内容为5 a h 、 f o h 两个字节。 m c m 的硬件内核包括了如下几大部分接口电路：与m c u ( 微处理机c p u ) 接口电 路；与r f 模块接口电路；与天线射频接口电路；与电源接口电路。m c u 是通过对m c m 内核特殊的内存寄存器的读写来控制m c m 的，这些寄存器位于m c m 中的a s i c ( 特 殊应用i c ) 的内部共有1 6 个寄存器可存取，在对m c m 进行读写操作时，各寄存器 担负着不同的功能和作用，并且不是所有的寄存器都是可写或可读的，即有些寄存器只 能读而不能写，有些则反之。 1 9 兰州大学研究生学位论文 m c m 实际上是m c u 与非接触式i c ( 射频) 卡之间信息( 数据) 交换的”中间人”， 任何读取卡片上的数据，或写进卡片上的数据均必须通过m c m 来传递。 以下是m c m 中a s i c 内核特殊寄存器一览表。 表3 1m c m a s i c 寄存器表 寄存器名 地址 读( 砌阴l d ) 写( w r r r e ) w r i r e b m d a t a0 0 h0r e a d - b y t e s t a c o n 0 1 h 1 d v t e p e c e b e a e s o rr f s 11 n r f a c e n a b 【正0 2 h2 n a 1p rc e c r一 - b e n t s0 3 h3n ab i t - c o u n t - s e n