以超低功耗微處理器MSP430為核心的熱計量表設計

　　引言

　　我國地域廣闊，人口眾多。房屋建筑規模巨大，住宅建設量大而且面廣，至今仍呈上升趨勢，而且這個(gè)上升趨勢還將持續20～30年。

　　在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶(hù)收費，無(wú)疑是緩解煤電能源緊缺矛盾的有效手段。為此，本文介紹了一種新型熱量表的設計方法。該熱量表是一種分戶(hù)熱量計量裝置，它由無(wú)磁熱水流量計、溫度傳感器和微功耗單片機組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統的供水管上，并將溫度傳感器分別裝在供、回水管路上。一段時(shí)間內用戶(hù)所消耗的熱量為所供熱水的流量和供回水的焓差乘積對時(shí)間的積分。熱量表利用該原理并通過(guò)熱水流量計測量逐時(shí)流量并用溫度傳感器測量逐時(shí)供回水溫度，再將這些數據輸入積算儀進(jìn)行積分計算，就能得出用戶(hù)所用的熱量。

　　1 熱量表的流量檢測

　　1.1 多流無(wú)磁熱水流量計

　　所謂流量，就是在單位時(shí)間內流經(jīng)熱量表的熱載體(水)的體積或質(zhì)量。本系統中的流量檢測單元是用來(lái)測量流量的裝置，它能輸出與流量大小成比例的脈沖信號給積分計算單元。

　　多流無(wú)磁熱水流量計的結構主要由熱水表表殼底座、導流座、濾網(wǎng)、葉輪盒、出水導流座、傳感器感應膜片等組成。其工作原理是：熱水進(jìn)入表殼底座，經(jīng)導流座、濾網(wǎng)后流進(jìn)葉輪盒沖動(dòng)葉輪盤(pán)旋轉，再經(jīng)出水導流座流出表外。葉輪盤(pán)上端的傳感器感應膜片與傳感器作相對旋轉運動(dòng)，以輸出與流量大小成線(xiàn)性比例關(guān)系的脈沖信號給積分計算單元。 多流無(wú)磁熱水流量計殼體采用優(yōu)質(zhì)黃銅，經(jīng)硬模鑄造、鍛造、數控機床加工后，要求其機械強度好、尺寸精度穩定一致。機芯部分可選用進(jìn)口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應使用壽命長(cháng)、計量精度高。整表的耐壓強度、測量誤差、壓力損失等要完全符合行業(yè)標準。

　　多流無(wú)磁熱水流量計不同于一般的熱水表，它應具有如下特點(diǎn)：

　　發(fā)訊原件采用非磁性材料的金屬膜片，避免了一般干式水表的磁性元件吸附管道類(lèi)雜物而影響精度和易受外磁場(chǎng)干擾等現象，無(wú)磁的含義也由此而來(lái)。
　　機芯部分在表殼內可360°旋轉，可適應熱量表不同安裝位置。
　　流量計的機芯和上殼體可組成完整可拆卸的計量機構總成，便于安裝維護。
　　機芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長(cháng)、計量精度高，適于熱水工況。

　　1.2流量傳感器

　　流量傳感器的機械結構外形見(jiàn)圖1所示。它由固定在同一個(gè)軸上的兩個(gè)葉輪盤(pán)組成，并由一個(gè)齒輪組驅動(dòng)。為了簡(jiǎn)單，齒輪在圖1中未畫(huà)出。當有水流動(dòng)時(shí)，齒輪帶動(dòng)兩個(gè)葉輪盤(pán)旋轉。兩個(gè)葉輪盤(pán)是由非導體材料組成的，每個(gè)葉輪盤(pán)的表面有一半面積涂敷著(zhù)銅或其它金屬導體材料，在兩個(gè)葉輪盤(pán)安裝有互成120°的三個(gè)獨立感應器，當敷銅層通過(guò)感應器上方時(shí)，葉輪的旋轉信號即可被檢測出來(lái)。

　　1.3傳感器硬件電路

　　圖2為感應式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應器被安裝在兩個(gè)機械葉輪盤(pán)之間(見(jiàn)圖1)，每一個(gè)傳感器均具有對應的信號選通線(xiàn)和共用的觸發(fā)信號線(xiàn)，每路晶體管的集電極輸出應連接在一起。

　　在觸發(fā)端(TRIGGER)施加一個(gè)正脈沖時(shí)，即可將相應的同步選擇線(xiàn)(SELECT)置為低電平，同時(shí)起動(dòng)被選擇的LC振蕩器。當葉輪盤(pán)上的敷銅層不在感應器上方時(shí)，振蕩在持續一段時(shí)間后即會(huì )消失，即無(wú)阻尼振蕩；相反，當葉輪盤(pán)上的敷銅層在感應器上方時(shí)，振蕩則持續很短時(shí)間就消失，即阻尼振蕩，這是因為銅層吸收了儲存在感應器內的能量。以上兩種振蕩狀態(tài)即可在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出數量不等的脈沖上升沿和下降沿。其中無(wú)阻尼振蕩時(shí)有一個(gè)脈沖上升沿和下降沿。而阻尼振蕩時(shí)則有二個(gè)脈沖上升沿和下降沿。根據以上分析，三個(gè)感應器將在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出脈沖流，積分儀通過(guò)軟件處理這些脈沖流，即可計算出系統的流量。

　　2 Pt1000鉑電阻溫度傳感器

　　鉑電阻溫度傳感器是利用貴金屬"鉑"的電阻隨溫度單調變化的特性來(lái)測量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導帶，它均勻地分布在陶瓷基片上。該傳感器以鉑作為感溫材料、以微電子厚膜工藝制作，整個(gè)器件由Pt1000感溫元件、引線(xiàn)電纜和不銹鋼保護管構成，經(jīng)過(guò)測試和精確配對可制成熱表專(zhuān)用溫度傳感器。

　　鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統中，用于采集水溫并發(fā)出溫度信號。溫度傳感器的探頭保護管采用導熱良好且堅固耐磨的材料制造。

　　在同一熱量表上應采用"配對溫度傳感器"，即分別用來(lái)測量熱交換系統的入口和出口溫度的溫度傳感器的計量特性應當一致或相近。

　　與Pt1000厚膜鉑電阻配對溫度傳感器是熱量表的重要組成部分，是測試溫度及完成熱量計算的基礎元器件，其測量范圍為-20℃～+150℃。

　　D00系列Pt1000元件是上海都華實(shí)業(yè)有限公司的高阻值鉑電阻敏感元件，其溫度每變化1℃，電阻值變化3.8Ω。而且具有靈敏度高、熱響應速度快、引線(xiàn)電阻影響小等特點(diǎn)。