0 引言

    由于热量表的使用，使供热计量收费成为可能。依照实际供热公平收费，收费的合理性大大加强。同时供、用热双方的利益都与自己的行为直接挂钩，从而促进了节能意识的提高。住宅集中供暖实行按户热量计量收费也是建筑节能的一项基本措施。据国外资料表明：实行供暖按户计量后，其节能率在10%～20%之间。因此世界各国越来越重视按户计量收费，我国的一些城市已开始以各种手段促进这一技术发展。城市供热正在迈出改革步伐，迫切需要高新计量设备进入供热领域，改变我国城市目前采暖技术的落后局面。为此国家建设部早在2000年就联合发改委等八部委，将集中供暖的民用建筑用热表计量收费列人全国建筑节能“九五”计划和2010年的发展目标，并于2001年2月正式颁布了行业标准CJ128-2000，为研制开发符合中国国情的热量表提供了理论依据。

    1 热量表测量系统计热原理

　　热量表主要由温度检测系统、流量检测系统和微控制器组成。经过严格配对的温度传感器，分别安装于热交换回路的入口和出口的管道上；流量传感器安装于出口或入口管道上。配对温度传感器检测热交换系统进口和出口流体的温度，流量传感器检测流经热交换系统的流量。微控制器将采集到的温度、流量数据进行处理，计算出热交换系统所释放的热量，并进行存储或显示。

    热源供应的热水以较高的温度流入交换系统（散热器等），以较低的温度流出；在此过程中，通过热量交换向用户提供热量。根据热力测量公式，用户所获得的热量为：

   

    式中：E为热交换系统输出热量；TS为进水温度（℃）；TJ为出水温度（℃）；V为一定时间内流经供热系统的热水流量（L）；K为热介质比重和比热的修正系数。

    K值用来对比重和比热进行修正。流量计测量的是体积流量，需要换算成适合热量计算的质量流量，水的比重是随温度的变化而变化的，所以需要进行比重修正。通过K值也对比热进行修正，水的温度所对应的热量值并非绝对线性的，因此即使两个工况下的供、回水温差相同，如果供水或回水的温度不同，相应的热量值也是不一样的，K值是一个同时取决于供、回水温度值的变量。修正系数K的引入在热量计算中是非常重要的。如果不引入该修正系数，由此而造成的计算误差很大。

    2 热量表的主要组成

    该设计采用了STC系列产品中的STC12C5410单片机为核心，由一只流量传感器、一对温度传感器、一只积算仪组成。

    2.1 STC12C5410单片机

    控制系统采用了美国ATMEL公司生产的一种高速、超低功耗、超强干扰的8位单片机STC12C5410为主控制器。它的指令代码完全与8051兼容，但速度快8～12倍。在它的封装内集成了以下主要功能：一个高性能的8位CPU内核；512×8位内部RAM；8kB可反复擦写FlashROM；2个16位可编程计数器/定时器；8个中断源；23个双向I/O口；8路10位精度ADC；通用全双工异步编程UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式等。STC12C5410可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。中央处理器主要完成温度和流量信号的数据采集、处理、存储和显示，远程通信，电池状态检测，供热时间显示和智能阀门的控制（可以控制供热量的大小或关断阀门）。

    2.2　流量检测

　　流量检测精度直接影响热量表的整体精度，基表根据水流形式可分为单流束和多流束两种。单流束基表水流从进水口进入基表，冲击叶片转动，由出水口流出基表。由于其流束形式决定了水流在基表内部有比较大的流动空间，不易被污水所堵塞，比较适合我国目前国情，其产品目前还有一定的生存空间。但是，从另一方面看，其缺点也是显而易见的， 由于水流对叶片的冲击不对称，叶轮的受力载荷容易产生波动，使叶轮在转动过程中产生轴向和径向振动，从而影响流量检测精度。多流束基表，水流进入基表，靠倒流叶片形成多通道，将水从不同的方向导入叶轮室，形成对叶轮的均匀对称冲击，较好地避免了水流对叶片造成的轴向和径向振动，提高了叶轮工作的稳定性，所以，精度较高的基表多采用多流束基表。该文采用了多流束基表方案，其结构如图1所示。

图1　基表结构示意图

    该方案采用了多流束、无磁式传感器TMS3723B系列。TMS3723B是美国德州仪器公司生产的流量芯片，被广泛应用于欧洲热量表产品，内部有12个控制寄存器和13个数据寄存器，通过向控制寄存器中写数据可以实现对采样频率、比较器比较电压、中断方式、时钟信号源、电感的开启和关闭等项目的控制，读出数据寄存器各个电感的状态、叶轮旋转圈数、叶轮旋转方向等信息。实际在热量表中使用的TMS3723B主要是读取1/4旋转寄存器和电感状态寄存器中的内容。当叶轮旋转一圈时1/4旋转寄存器中的数据加4，数据读出后可自动清0。只要定期读出1/4旋转寄存器中的内容，就可以计算出在这一时间间隔中的叶轮转速。电感寄存器中保存当前电感的状态等信息。通过读取电感寄存器中的数据可以判断电感是否存在故障。试验表明，采用上述方案的流量检测精度可与德国和德鲁美特热量表相媲美，始动流量只有7L/h。

    为了减少热损失，流量传感器应安装在供暖装置的出水管上。该热水流量表的信号为脉冲输出，直接进入单片机的中断口。

    2.3 温度的检测

　　热量计设计中的温度传感器选用了Pt1000铂电阻温度传感器。Pt1000具有结构简单、体积小、电阻温度系数分散性小、测量准确度高、复现性和稳定性好、不需冷端补偿等特点。热量表测温范围一般为0～95℃，能够满足测量要求。

    由于铂电阻的阻值和温度之间存在非线性特性，因此，在系统的设计上引入了线性化处理，通过采用查表线性化法得出温度各点对应的A/D转换值，并且利用软件算法实现了电路中各参数的自适应调整选取，在尽可能提高分辨率的情况下使设计的电路在给定的温度范围内各点的分辨率近似相等，从而方便了硬件电路的设计和电阻的选取，也减小了铂电阻测温电路的非线性误差。误差可达到0.5级仪表的要求。

    检测电路如图2所示，Ur为参考电压，为了最大化测量的分辨率，希望Uo的输出在温度低限时向0V靠拢，而在温度高限时向Ur靠拢。通常，运算放大器的输出并不等于电源电压，这样便降低了整个电路的测量分辨率。该设计采用Rail-to-Rail的运算放大器，其输出上限可以达到电源电压，而下限可以达到0V。这一点对于整个电路来讲是非常关键的。

图2　温度检测电路原理图

　　确定参数的目的是为了得到尽可能高的分辨率。

    1）通过输入获取温度最大值和最小值，得出温度的范围。

    2）通过输入获取参数R1、R2、R3。

    为了使节点B的电压大于节点A的电压，R1的值必须大于Rt在温度测量范围内的最大值。同时，为了保证桥路的灵敏度，R1的值仅需稍微大于（或等于）Rt的最大值即可。电路中的R4=R5、R6=R8，而且为了降低功耗，它们的取值通常都大于100kΩ。设计中取R2=100kΩ，作为它的临时计算初值；取R4=R5=100kΩ。

    3）确定参数值R6、R8。

    由于桥路的要求，R3=R2，R4～R7的阻值比较大，这里可以忽略它们的影响来计算节点A和B之间的电压差（UAB）的变化范围，从而求出R6、R7的阻值（R4阻值乘以放大倍数K）。

    4）计算Rt取最大值和最小值时该电路的分辨率。

    由于此时已知R1～R7的所有电阻阻值，因此可以计算出具备这些参数的电路在Rt取最大值处的分辨率。例如当温度为-30℃时Rt取最大值，求出Uo的值；然后查铂电阻分度表得Rt在-29℃时的电阻值，再次求出另一个Uo的值，二者之差的绝对值即为此点的分辨率。差值越大，则分辨率越高。同理，可以求得Rt取最小值处的两个输出电压Uo之差。

    5）迭代[3]取优。

    迭代的目标是尽量使得两端（即Rt取最大值和最小值时）的分辨率相同。如果二者不相同，则以一定的步长增加R2，直到两端的分辨率基本相同为止。这时便可以确定R2、R3和R6、R8的值了。

    2.4　积算仪

　　热量测量的积算仪，采用嵌入式系统。积算仪根据流量及温度数据，通过上述热量计算公式计算出用户从热交换系统获得的热量。积算仪能够计算、显示和储存如下数据：1）累计热量（GJ或MW·h）；2）累计流量（m3）；3）瞬时流量（m3/h）；4）供水温度、回水温度和供回水温差；5）累计运行时间。

    3 系统的低功耗设计

　　国家标准中要求热量表至少在5年内不得更换电池，因此要求较低的功耗。液晶驱动模块耗电仅为几个μA（而同类液晶驱动芯片，如常见的PCF8576在相同条件下的耗电量是180μA）。温度的测量是消耗能量最多的环节，所以应尽量减少温度测量的次数。由于热量表实际工作时进、回水的温度变化很小，因此测量温度的时间间隔可以在编制程序时定为16s，每隔4s读一次流量数据，若流量为零，则不检测温度。若进、回水的温差超过3℃，则计算热量，否则不予计算。

    4 设计总结

　　采用TMS3723B流量传感器，可获得较高的流量检测精度；温度测量电路大大简化，工艺水平大大提高，降低制造成本。采用STC12C5410低功耗芯片，一节2000mAh的5号电池可使用8年以上。实践证明应用上述技术的热量表具有较高的检测精度，可达到国家规定的二级表的精度。

    随着各方面技术的不断完善，热量计会广泛的应用于用户的家中，从而为生活带来更大的方便，为管理部门减少人力，为国家节约能源。

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