暖氣分戶(hù)計費中溫度與流量傳感器設計

摘要 針對熱能費收繳困難和按使用面積收費的不合理方式，提出了一種新型的智能表以及與之配套的遠程自動(dòng)抄表系統。整個(gè)系統由熱能表、數據傳輸電路、PC機3部分組成；熱能表通過(guò)實(shí)時(shí)測量Pt1000電橋兩端的電壓差計算出溫度值，對霍爾流量計進(jìn)行計數得到用戶(hù)在一段時(shí)間內的流量值，最后應用流量和熱量值得到用戶(hù)在一段時(shí)間內所消耗的熱值；測量數據通過(guò)CAN總線(xiàn)可以傳給上位機，由上位機的管理系統對數據進(jìn)行數據處理、費用結算、報表打印等多項任務(wù)。經(jīng)測試證明，此方案能較好地實(shí)現小區熱費智能計量。
關(guān)鍵詞 熱能計費；Pt1000；霍爾流量計

暖氣計量系統是通過(guò)兩種傳感器測得的熱載體流量和進(jìn)出口溫度，再經(jīng)過(guò)密度和熱焓值的補償及積分計算，得到熱量值。它是一種以微分處理器和高精庫傳感器為基礎的機電一體化系統。與以前普遍使用的用戶(hù)計量表相比，有更復雜的設計和更高的技術(shù)含量。研究?jì)热葜饕ǎ褐悄?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/暖氣">暖氣表、基于CAN總線(xiàn)的數據通信系統、基于Visual Basic和數據庫Visual FoxPro的暖氣流量計費管理系統。
課題的最終目標是建立一套符合現代化智能小區要求的先進(jìn)的采暖計量收費系統。文中僅對系統的溫度和流量采集系統計進(jìn)行介紹。

1 系統硬件電路的基本組成
1．1 結構框圖
安裝于用戶(hù)家中，不論用戶(hù)家中裝有幾組暖氣，原則上每戶(hù)只安裝一塊暖氣表。暖氣表包括流量傳感器、溫度傳感器、單片機系統等部分。系統選用的流量傳感器是霍爾元件A3144EUA；溫度傳感器選用的是Pt1000；單片機選用的是89C52。流量傳感器L，用以檢測水的流量，兩個(gè)溫度傳感器Tr1和Tr2分別測量供熱系統的進(jìn)水溫度和回水溫度。3個(gè)信號在單片機中進(jìn)行處理和運算后得到用戶(hù)的用熱量Q。暖氣表的結構框圖如圖1所示。

1．2 測熱系統數學(xué)模型的建立
系統應用傳熱學(xué)的基本理論可以得出精確的暖氣散熱公式

式中，Q為釋放或吸收的熱量值，單位kJ；q為瞬時(shí)質(zhì)量流量，單位kg／s；△h為進(jìn)出口焓差，單位kJ／kg；t為時(shí)間，單位s。
對于交換熱量的計量，目前一般采用以下3種方法。
(1)直接焓差法。
Q=qm(hf-hr)=qv(Cpfρfθf-Cprρrθr) (2)
式中，Cpf，Cpr為人口與出口的定壓比熱容；qv，qm為瞬時(shí)體積流量，瞬時(shí)質(zhì)量流量；ρf，ρr為入口與出口溫度下的載熱流體密度；θf，θr為入口與出口的溫度。
決定熱量的因素是瞬時(shí)體積流量和溫度，如果能準確地測量流量和溫度，就意味著(zhù)熱量能夠測試準確。只要測得瞬時(shí)體積流量qv，并根據實(shí)測溫度θf與θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4個(gè)常數，帶入式(2)即可計算出熱量Q。該方法的缺點(diǎn)是溫度測量精度越高，數據表所占的存儲空間越大，并且對于實(shí)測溫度，需要采用線(xiàn)性插值等近似計算技術(shù)，通過(guò)搜索與其距離最近的點(diǎn)計算相應的極值，得出瞬時(shí)熱量。
(2)常系數焓差法。
Q=Cpqm(θf-θr)=Cpρqv(θf-θr) (3)
式中，Cp為定壓比熱容，為常數，使得程序計算量減少，計算速度大大加快。該方法對于定壓不變頻的系統是合適的。但由于流體的密度ρ需要進(jìn)行溫度修正，同時(shí)由于不能對Cp進(jìn)行在線(xiàn)溫度補償，該方法的溫度適應性較差，不宜于作為戶(hù)用型暖氣表的熱量計算方法。
(3)K系數法。
Q=k·△θ·dv (4)
式中，Q為換熱器與周?chē)h(huán)境的換熱量；dv為流經(jīng)換熱器流體的體積流量；△θ為流體在換熱器進(jìn)、出口處的溫度差；K為熱系數，是流體在相應溫度、溫差和壓力下的函數。
由于熱交換系數K當壓力一定時(shí)，它隨溫度而變化，所以K系數法又可分為分段式K系數法和K系數補償法。