引言

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

在這種情況下，把"大鍋飯"式的采暖包費(fèi)制，改為按實(shí)際使用熱量向用戶收費(fèi)，無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(shè)計(jì)方法。該熱量表是一種分戶熱量計(jì)量裝置，它由無磁熱水流量計(jì)、溫度傳感器和微功耗單片機(jī)組成的積算儀等三部分組成。儀表安裝在系統(tǒng)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(nèi)用戶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熱水流量計(jì)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(shù)據(jù)輸入積算儀進(jìn)行積分計(jì)算，就能得出用戶所用的熱量。

1 熱量表的流量檢測

1.1 多流無磁熱水流量計(jì)

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

多流無磁熱水流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由熱水表表殼底座、導(dǎo)流座、濾網(wǎng)、葉輪盒、出水導(dǎo)流座、傳感器感應(yīng)膜片等組成。其工作原理是：熱水進(jìn)入表殼底座，經(jīng)導(dǎo)流座、濾網(wǎng)后流進(jìn)葉輪盒沖動葉輪盤旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)出水導(dǎo)流座流出表外。葉輪盤上端的傳感器感應(yīng)膜片與傳感器作相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以輸出與流量大小成線性比例關(guān)系的脈沖信號給積分計(jì)算單元。 多流無磁熱水流量計(jì)殼體采用優(yōu)質(zhì)黃銅，經(jīng)硬模鑄造、鍛造、數(shù)控機(jī)床加工后，要求其機(jī)械強(qiáng)度好、尺寸精度穩(wěn)定一致。機(jī)芯部分可選用進(jìn)口耐熱、耐磨工程塑料和元件，并應(yīng)使用壽命長、計(jì)量精度高。整表的耐壓強(qiáng)度、測量誤差、壓力損失等要完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

多流無磁熱水流量計(jì)不同于一般的熱水表，它應(yīng)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雜物而影響精度和易受外磁場干擾等現(xiàn)象，無磁的含義也由此而來。

機(jī)芯部分在表殼內(nèi)可360°旋轉(zhuǎn)，可適應(yīng)熱量表不同安裝位置。

流量計(jì)的機(jī)芯和上殼體可組成完整可拆卸的計(jì)量機(jī)構(gòu)總成，便于安裝維護(hù)。

機(jī)芯選用耐熱、耐磨的工程塑料和元件，使用壽命長、計(jì)量精度高，適于熱水工況。

1.2流量傳感器

流量傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)外形見圖1所示。它由固定在同一個軸上的兩個葉輪盤組成，并由一個齒輪組驅(qū)動。為了簡單，齒輪在圖1中未畫出。當(dāng)有水流動時(shí)，齒輪帶動兩個葉輪盤旋轉(zhuǎn)。兩個葉輪盤是由非導(dǎo)體材料組成的，每個葉輪盤的表面有一半面積涂敷著銅或其它金屬導(dǎo)體材料，在兩個葉輪盤安裝有互成120°的三個獨(dú)立感應(yīng)器，當(dāng)敷銅層通過感應(yīng)器上方時(shí)，葉輪的旋轉(zhuǎn)信號即可被檢測出來。

1.3傳感器硬件電路

圖2為感應(yīng)式傳感器的硬件電路原理圖。電路中的感應(yīng)器被安裝在兩個機(jī)械葉輪盤之間(見圖1)，每一個傳感器均具有對應(yīng)的信號選通線和共用的觸發(fā)信號線，每路晶體管的集電極輸出應(yīng)連接在一起。

在觸發(fā)端(TRIGGER)施加一個正脈沖時(shí)，即可將相應(yīng)的同步選擇線(SELECT)置為低電平，同時(shí)起動被選擇的LC振蕩器。當(dāng)葉輪盤上的敷銅層不在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩在持續(xù)一段時(shí)間后即會消失，即無阻尼振蕩;相反，當(dāng)葉輪盤上的敷銅層在感應(yīng)器上方時(shí)，振蕩則持續(xù)很短時(shí)間就消失，即阻尼振蕩，這是因?yàn)殂~層吸收了儲存在感應(yīng)器內(nèi)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(shù)量不等的脈沖上升沿和下降沿。其中無阻尼振蕩時(shí)有一個脈沖上升沿和下降沿。而阻尼振蕩時(shí)則有二個脈沖上升沿和下降沿。根據(jù)以上分析，三個感應(yīng)器將在傳感器輸出端(SENSOR-OUT)輸出脈沖流，積分儀通過軟件處理這些脈沖流，即可計(jì)算出系統(tǒng)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(diào)變化的特性來測量溫度。厚膜鉑電阻元件的感溫材料是鉑膜導(dǎo)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，整個器件由Pt1000感溫元件、引線電纜和不銹鋼保護(hù)管構(gòu)成，經(jīng)過測試和精確配對可制成熱表專用溫度傳感器。

鉑電阻溫度傳感器安裝在熱交換系統(tǒng)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(hù)管采用導(dǎo)熱良好且堅(jiān)固耐磨的材料制造。

在同一熱量表上應(yīng)采用"配對溫度傳感器"，即分別用來測量熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度的溫度傳感器的計(jì)量特性應(yīng)當(dāng)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(jì)算的基礎(chǔ)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(yīng)速度快、引線電阻影響小等特點(diǎn)。

3熱量積分儀

熱量積分儀亦稱熱量積分計(jì)算器，可接收來自流量傳感器和配對溫度傳感器的信號，并進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲、顯示和遠(yuǎn)傳的部件。

3.1熱量積分儀的工作原理

本系統(tǒng)中的熱量積分儀通過采集外部進(jìn)水溫度傳感器的溫度信號、回水溫度傳感器的溫度信號以及管道流量傳感器的流量信號，并通過對這些信號進(jìn)行處理來計(jì)算熱流體從入口到出口所釋放或吸收的熱量，其基本計(jì)算公式如下：

式中：Q為釋放或吸收的熱量，J或W.h;

qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，kg/h;

qv為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量體積，m3/h;

ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度，kg/m3;

△h為在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下水的焓差值J/kg;

τ為時(shí)間，h。

圖3所示是本熱量表的原理結(jié)構(gòu)框圖。

3.2超低功耗微處理器MSP430FXXX

系統(tǒng)中的主控芯片采用美國德洲儀器公司的16位超低功耗微處理器MSP430FXXX。該芯片內(nèi)含比較器，采樣分辨率可達(dá)0.01℃。而且片內(nèi)自帶LCD驅(qū)動模塊，可驅(qū)動96段液晶進(jìn)行顯示。利用片內(nèi)FLASH還可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存，也可以采用內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。該芯片為電池供電型測量應(yīng)用帶來終極解決方案，它可使設(shè)計(jì)人員能同時(shí)連接模擬信號、傳感器和數(shù)字器件。

超低功耗微處理器MSP430FXXX的主要特性如下：

低電源電壓范圍，1.8～3.6 V;

超低功耗，工作模式時(shí)為250μA/MIPS，待機(jī)模式時(shí)為0.8 μA，關(guān)閉模式(RAM保持)時(shí)為0.1μA;

具有五種功率節(jié)約模式;

6μs內(nèi)可從待機(jī)模式喚醒;

具有16位RISC體系和125 ns指令周期;

帶有多個捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器;

集成有96段LCD驅(qū)動器;

帶有串行通信接口(USART)，可通過軟件選擇異步UART或同步SPI;

基本定時(shí)器可支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘;

帶有節(jié)電檢測器;

帶可編程電平檢測的電源電壓管理/監(jiān)控;

內(nèi)建可在線燒錄(in-system programmable)閃存，可用于程序代碼的變更、現(xiàn)場升級和資料記錄;

型號系列化，選型范圍廣。

所有的MSP430器件均基于一個正交16位RISC CPU內(nèi)核，其靈活性在于其具有16個可尋址單周期16位CPU寄存器、27條指令以及7種均采用雙重取數(shù)據(jù)技術(shù)(DDFT)的一致性尋址方式。DDFY可在每個時(shí)鐘脈沖內(nèi)對存儲器進(jìn)行兩次存取操作，而不再需要復(fù)雜的時(shí)鐘乘法和指令流水線方案。除了能夠降低功耗和減小CPU尺寸之外，當(dāng)與現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)技術(shù)(如計(jì)算分支)以及高級語言(如C語言)一道使用時(shí)，MSP430體系結(jié)構(gòu)的微處理器尤為有效。表1所列是MSP430所使用的7種尋址方式。

3.3硬件電路

MSP430令共有51條指令。其中核心指令有27條，代碼效率很高且速度快。應(yīng)用MSP430設(shè)計(jì)的新型熱量表的電氣原理圖如圖4所示。

圖4中，RT1和RT2分別為熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度傳感器，L1、L2、L3分別為流量傳感器中的感應(yīng)器1～3，U1為模擬多路開關(guān)，U2為CPU芯片MSP430FXXX。溫度傳感器檢測出熱交換系統(tǒng)入口和出口的溫度后，經(jīng)過模擬多路開關(guān)后送給CPU的A/D轉(zhuǎn)換端口，流量信號則送人CPU的P1.0端口，兩路信號在CPU內(nèi)經(jīng)過軟件解算后，將在CPU內(nèi)的存儲器中保存并從端口輸出到LCD顯示器T218010顯示。

新型熱量表遠(yuǎn)傳通訊接口一般采用RS-485接口或M-BUS接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和集中抄表，這里不再贅述。

4結(jié)束語

該熱量表采用整體式結(jié)構(gòu)、單片機(jī)自動檢測技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)和無磁非接觸式流量檢測技術(shù)，因而該表安裝簡單，無需調(diào)試。實(shí)際應(yīng)用證明，利用該方法設(shè)計(jì)的熱量表性能穩(wěn)定可靠，使用效果良好。