热能计量仪表的研究.doc

【摘要】由于实施分户热收费的迫切需要，详细介绍一种预付费式智能热量仪表的工作原理。根据供暖系统的技术指标，给出了硬件和软件系统的设计方法，能实现对温度、流量等各项参数进行分段自校正运算，提高了测量精度。从国外应用实例中分析了影响测量精度的主要因素并指出设计中应注意的问题。本文较系统地介绍了热量表的原理、分类、及相关检测标准，并针对实际设计中存在的问题，详细阐述了热量表中各组成部件的选型原则及安装要求。主控芯片选用MCS-51系列单片机中的AT89C51，A/D转换器选用CS5532， CS5532高度集成的Delta-Sigma A/D转换器，使用了电荷均衡技术，可实现16位（CS5531/33）和24位(CS5532/34)的性能，在传感器选用上，使用了电磁式传感器测流量，Pt1000传感器测温度，用电动阀对流量及温度进行控制，并通过LCD在满足一定精度的条件下显示相关数据。热量表是计量热流回路所释放热量的智能仪器。它主要由流量传感器、配对温度传感器、主控MCU和液晶显示等部分组成。其中流量计量的准确程序直接决定了热量表的精度等级。关键词：热量表；A/D转换；传感器；单片机；热量采集；节能Title:The Research & Designment of Heating energy Meterage ApplianceAbstract：Becauseoftheurgentneedofexecutionofdividedfamilyheatcharging，workingprincipleofonekindofprepaidfeetypeintelligentheatmeterwasintroducedindetail. Baseonthequalificationsofheatingsystem，designmethodologyofhardwareandsoftwarewereprovided，whichcanimprovetheprecisionofmeasuringbyproceedingautomaticsectionalizeadjustmenttoparameterssuchastemperatureandflow，etc. Factorsthateffectingtheprecisionofmeasurementwereanalyzedintheinstancesofforeigncountries，questionsshouldbenoticedindesignwerepointedout.Heat meter is introduced systematically on theory, sort and some correlated standards, and its part have also been expatiated on type selection and installation which were ignored in practical design.Heatmeterisakindof intelligentinstrumentthatmeasuresquantityofreleasedheatfromathermalcurrentloop，whichismainlyconsistedofaflow meter，apairofpartnertemperaturesensors，acontrollingMCU，andaLCD.Theprecisionleveloftheheatmeterisdirectlydecidedbymeasurementaccuracyofheatflux.KeyWords： HeatMetering；Sensing Device；Single-Chip computer；CentralizedHeatSupply；EnergySaving目录摘要1Abstract2引言3第一章 热量计量仪表的设计要求及方案确定4第一节 热能计量仪表应具备的术要求4第二节 计量仪表整体框图4第二章 热量表的热量计量原理及计算6第一节 热量计量原理6第二节 相关计算6第三章 电路的设计与实现 10第一节 温度测量电路 10第二节 测流量电路 12第三节 存储电路 14第四节 电动阀及驱动16第五节 显示电路 17第六节 A/D 转换电路 20第七节 电源部分 27第四章 软件设计与编程 28第一节 AT89C51单片机简介28第二节 系统软件的设计 31第五章 结束语 39致谢 40参考文献 41附录A 系统硬件图42附录B 软件程序设计清单43引言长期以来,我国北方地区城镇采暖用热节能意识差, 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20%30%.现在中国市场上的国外热量表技术成熟，标准化程度高，但是价格昂贵。近几年我国从丹麦、韩国引进了生产热能表的技术, 但由于运行环境所限及价格较高等原因, 仍未打开市场。 作为建筑节能的一项基本措施, 我国国家建设部已将热量计量收费列入建筑节能“九五”计划和2010年规划设计能独立运行、独立核算的供热系统及计量仪表是摆在供热设计单位及产品开发人员面前亟待解决的新课题。我国对热量表的需求量大，研制开发低成本、符合国际标准的热量表是大势所趋。因此，研制开发用于采暖计价的热量表势在必行。热能表又称热能积算仪, 采用220V交流供电, 配有具有充电功能的后备电源以保证系统在停电状态下连续工作24小时。10 位8 段式液晶显示, 通过面板配备的按键可依次调整显示: 累积热量(MW h)、累积流量(吨h )、瞬时流量(m 3h )、入水口温度()、回水口温度()、入或回水口温差()。在打开密码开关的状态下, 还可通过内部按键设定仪表系数(P脉冲数升)、校准和取费标准等参数, 便于仪表校准, 方便不同地区采用不同的计量单价。预留通讯接口和IC 卡接口。第一章 热量计量仪表的设计要求及方案确定第一节 热能计量仪表应具备的术要求 显示进、回水管的温度的温差; 显示瞬间流量和累计流量; 显示热功率和累计热量; 流量计部分的精度，误差3%; 供回水温差为6时，测量误差01。第二节 计量仪表整体框图热量测控仪表的测量功能相当于热量表，用于计量用热点消耗的热量，以便按实际用量收费。使用于以热水为供热媒体，共用立管的单管水平跨越式，双管水平并联式及水平放热式系统。智能热量测控仪实行一户一表分户热计量，安装在用热点入口处，便于物业管理，也可以考虑把水表、气表热表等都集中安装如图2.1所示。图2.1给出了入口测控组件的简图。智能热量测控仪作为测量的部分由流量计、供回水温度传感器和测量仪主机构成，温室可控和预付费的功能由室内温度传感器、流量控制阀、电磁阀和IC卡接口实现，系统硬件构成框图如图2.3所示。智能热量测控仪是多部件组成的机电一体化仪表，设计参数指标：总体准确度达到OIML-R75规定的4级标准，每个部件达到相应的技术标准为流量测量误差小于3%；温度传感器符合IEC-751标准；积分计算仪具备热焓和质量密度修正的功能或程序，误差小于0.5%；微功耗设计，内藏电池可以连续工作5年；设计结构紧凑，外观精美，配套系列完整。第二章 热量表的热量计量原理及计算第一节 热量计量原理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。热量表又称热能表、热能积算仪，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的吸热量。将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计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)，流量计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2.1所示。第二节 相关计算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。对热量表来说，进出口的焓值还与时间成比例。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式中：为释放热量，kj或kWhqm为质量流量，kg/s; h为进出口焓差，kj/kg; k为热交换系数，kWh/m3; t 为时间，s； 为进出口温差，；qv为累积流量，m3目前，国产热量表的热量计量方法基本可以分为以下几种：直接焓差法式中：pf，Cpr为入口与出口的定压比热容；qv, qm为瞬时体积流量、瞬时质量流量 ， 为入口与出口温度下的载热流体密度； ， 为入口与出口的温度该公式计算简单，只要根据实测温度 与 查表得pf，Cpr， 和 等个常数，代入式（）即可显然，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常系数焓差法式中：p为定压比热宿容，Cp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 进行温度修正同时由于不能对Cp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分段式k系数法式中：k是热交换系数，当压力一定时，它随温度而变化，将其按回水温度进行分类：r 1, k=k1 ; 1 r 2 , k=k3 .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和计量精度均达不到OIML75国际规程和EN1434欧洲标准等国际标准的规定。k系数偿法k系数补偿法实现了热指数的在线温度和压力补偿，大幅度提高了热量计量的精度。OIMLR75国际规程和EN1434欧洲标准都对热系数k如何计算有明确的说明。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：数凭经验来确定，而且温度区间划分较粗，温度适应性依然较差因此，分段式k系数法仅适用于对热量计量的精度要求不高，温度变化也较小的情况以上无论是焓差法抑或分段式k系数法都可以达到一定的精度，但是其计量方法式中：q( i)为入口温度或出口温度下载热流体的流量： f, r为入口温度，出口温度；Cp( )为简化计算，引入如下参数：式中：u= / c1,为比温度； =p/pc1,为比压力； （u, ）为比自由焓，即吉布斯函数（Gibbs function）； c1=647. 3K，pc1=22120000J/m3, 表示载热介质为水时选取的参考温度、参考压力、参考容积5。由式（6）、式（7），并引入相应的比参数，热系数为比自由焓 （u, ）的函数关系式如下：均为常系数，取值参见文献5。根据吉布斯函数见式（11），以及（9）和式（10）即可得到不同温度、压力下的热系数。例如，已知压力为1标准大气压，入口温度70、出口温度65，流量计安装在回水管时对应的热系数，具体计算如下：代入以上公式解得： k=1. 141117kW h (m3 )1图2.2给出了在流量计安装在回水管，压力为0.6MPa, 温差为1040时，热系数与入水温度的关系曲线。由图1.2可以看出，在工作压力和温差保持不变的情况下，入口温度越高，热系数越低；入口温度保持不变时，温差越大，热系数越大。第三章 硬件电路的设计与实现第一节 温度测量电路3.1.1 温度传感器温度传感器选用Pt1000, 它的初始电阻值高, 阻值范围宽, 0 100 线性度好, 可省去线性补偿电路。由于安装在入口及回水口的温度传感器距表体距离较近, 加之Pt1000 阻值较高,导线电阻可忽略, 故采用两线制测量。这些传感器是用来测量温度的。这种高质量的Pt1000温度传感器使得测量误差进一步减小,因此一般是不需要调制的。传感器的设计和材料决定了所有的技术参数。它优异的结构设计使得反应时间大大缩短。3.1.2 温度测量电路恒流源REF200 提供两路各100 uA 电流,一路提取传感器信号, 另一路通过1 k 标准电阻产生100 mV 固定电压信号做差动放大的基准。温度信号经差动放大后变为0 V 1. 2 V 送14 位AD 转换器CS5532。差动放大可拉宽AD 的模拟输入范围, 提高测量精度。在上述选件及线路连接基础上, 温度测量精度可达千分之一。放大器INA 122 的放大倍数通过电阻RG 调整, 其关系式如下:第二节 测流量电路3.2.1 插入式电磁流量传感器用途：ERIS.B（L）T型插入式电磁流量传感器（以下简称传感器），采用“速度场”的工作原理，可以将直径为100mm-1000mm管道中的被测介质的体积流量，线性转化为0-250赫兹的连续电信号（符合GOST26.010-80的要求）。与其配套的二次仪表的型号为.1和系列。也可以将其作为任何可接收频率信号的二次仪表（系统）的一部分来使用。传感器有两种形式：l ERIS.VT型。适用于100mm1000mm的管道。当进行安装和维护保养时，须停止管道中被测介质的流动；l ERIS.VLT型。适用于400mm1000mm的管道。当对其进行安装和维护保养时，不必停止管道中被测介质的流动。技术指标：被测介质为：不含硫化氢溶液的非爆炸性液体。被测介质一定不能与12Cr18Ni10Ti号钢（GOST5632-72）发生腐蚀性反应，所含有的机械杂质不能多于0.5g/l，导电率应在10-310 Cm/m之间，温度在0150之间。传感器所输出的频率等于250赫兹时，测量值达到上限。传感器的基本相对误差，如果是通过实际水标定得出的，则不超过1.5%（全量程）；如果是采用仿真方法得出的，则：n 1.5%（当流量范围在0.04QmaxQmax之间时）；n 3%（当流量范围在Qmin0.04Qmax之间时）。传感器在使用条件下的基本相对误差是根据如下公式得出的：其中：d.p.o. 传感器的基本相对误差，%T 由于被测介质温度变化给传感器带来的补充误差。在正常条件下（20），温度每变化10，误差最大不超过0.15%；传感器的工作原理利用了电磁感应定律。在感应线圈OB中装有激励器FB。由FB所发生的直角脉冲电流可以引起电磁场的相互作用。当导电介质通过磁场时，就像运动着的导体一样，在该介质中就会感应出与介质的平均流速（或体积流量，或感应线圈中的电流）成正比的感应电动势。电极E1和E2接收电动势的信号，经差动式信号放大器1放大后，传递到标准信号传输处理器PP的电路中。标准信号传输处理器PP对由1传过来的信号进行挑选，有用的部分形成Un。Un与流体的流速和激励电流成正比。由模拟开关KH、跟随器2和记忆电容C1组成的保存及抽样装置，对Un进行抽样和保存。放大器3又对Un进行再次放大，并由同步检波器D和滤波器FF1将其转化为稳定的电压。压力频率转换器PCH将由滤波器FF1传过来的电压比值Un和由滤波器FF2传递过来的与激励电流成正比的Uon，转化为与流体流速成线性关系的脉冲串行信号（0-250Hz）。石英（晶体）震荡器G和信号整形器F使PP的所有单元的工作同步，控制激励器F，并向PCH提供支撑频率。电源转换器PP将由外部供电单元传输过来的+24V电压，转换至+15V，用于传感器电路的供电。光电开关OP用于将输出电路去藕，并可将频率信号（0-250Hz）传递到原配的二次表BPI.1或任何可接收此类信号的二次仪表中。如果不使用原制造厂提供的二次仪表，则按频率信号计算的传感器的瞬时流量值是根据如下公式计算的：其中：f 流量传感器输出信号的脉冲频率变化值，Hz；Ks 修正系数（请见附件D）。对于实际测定的管道内径的数值，其系数等于1。dp 传感器的标称静力系数。R电阻器C2-29（3+1）k或相类似的fmax输出频率，范围0250Hz，振幅15V。压监控、上电复位等功能简化了单片机的外围电路, 降低了仪表的成本和功耗。除需保存仪表常数外还需对累积流量、累积热量实时存储。由于X25045的存储电路为E2PROM , 有写入寿命限制, 不可实时存储累积信息。X24C45 为Xico r 公司生产的串行256 位NOVRAM (非易失性RAM ) , 正常状态数据存入RAM 中, 系统突然掉电时, RAM 中的内容自动存入片内的E2PROM 中, 因而基本无写入次数限制。第三节 存储电路存储电路由两部分组成: X25045 和X24C45。X25045 用以存储仪表常数、校验和取费标准等固定参数, 同时其可编程看门狗定时。3.3.1 X25045简介(1)性能简介：X25045是将可编程看门狗、电压监控、E2PROM集于一体的多功能芯片，该芯片是美国xicor公司的新型产品，具有体积小、占用I/O少等优点，应用于系统中可以简化单片机系统的设计，并完善其性能。芯片共有8个引脚， 引脚功能见表3.2特别提出的是，看门狗定时器对单片机提供了独立的保护系统，当系统出现故障时，只要其计时达到其编程的超时极限，或者当电源电压降到最低转换点以下时，RESET引脚就会立即输出高电平复位信号。该芯片在系统上电或掉电时，RESET引脚也会立即输出高电平复位信号，从而避免了因系统故障、