温度自校正型低功耗热量表

　　0　引言

　　随着家庭供热单独计费的发展,家用热量表发展迅速,但目前的热量表存在着以下缺点:

　　①功耗大,需要经常更换电池;

　　②性价比低,精确度提高导致成本的急剧上升,从而影响了热量表的普及;

　　③出厂前参数校正费时、出厂后不能再校正,因此对于出厂后各种原因造成的精度下降无能为力。

　　针对以上不足,本文提出一种温度自校正、性价比高的超低功耗热量表的解决方案。该方案着力挖掘软件方面的潜力,在不增加硬件成本的前提下,提高了热量表的性能,使之具备了温度自校正功能。温度的重新校正可以有效地阻止内部元器件老化造成的精度下降。

　　1　热量表原理

　　1.1　热量测量原理

　　温度传感器侧得进水温度t1和回水温度t2,进而得到进水和回水温差Δt;流量传感器测得供水管道的瞬时流量q;根据Δt和q可计算出热量,其数学表达式如下:

　　其中,E为放出的热量,MJ;t为流量累积时间,h;K为热焓修正系数,随着回水温度的不同,K的取值也不同,其取值见表1;Δt为进水和回水温差,℃;q为瞬时流量,m³/h。

　　1.2　温度测量原理

　　温度测量原理电路如图1所示,采用测温电桥(实际电路中有2个电桥,分别测量入水和回水温度),三极管G起开关作用,只有在温度采样短时间内开启测温电桥,从而降低了系统的功耗;精密稳压模块为电桥和ADC提供精确的电压;R4为Pt1000型铂电阻,考虑到铂电阻和放大电路距离很短,不使用三线制接法;仪表放大器对电桥的差模信号进行放大,最后送至MCU片内A/D转换器输入端进行A/D转换。每次的采样温度取16次采样的平均值,以减少随机干扰的影响。

　　1.3　流量测量原理

　　流量测量采用脉冲流量计,产生的脉冲送至MCU的片内计数器端,进行计数,当超过某个设定值后产生一个计数器中断。

　　1.4　温度自校准原理

　　由热量测量原理知道,热焓修正系数是已知并确定的,热量的精度主要取决于流量和温度,而流量精度由流量计保证,所以热量表的精度主要决定于温度的测量精度,热量表的校正也就归结为温度的校正。测温电桥和铂电阻的非线性,导致温度值t是铂电阻的阻值Rt的非线性函数,若用此函数计算温度,计算量太大,也没有必要。本系统采用局部线性化法,用式(2)三段折线逼近非线性函数t(N):

　　其中,t∈[0,100]为温度;N∈[0,4096]为转换器输出值;c0=0℃;c1=30℃;c2=60℃;c3=100℃[c3用于式(3)]。

　　可以证明,这样的折线逼近精度高于该热量表硬件的最高精度(1%),保证了软件不会限制该热量表所能达到的最高精度。温度校正就是用4个温度点(c0~c3)得到对应的A/D转换器输出值(b0~b3),再用4个坐标点(b0,c0)~(b3,c3)确定三段折线的斜率(a0~a2),其计算公式如下: