新型智能热量表的开发研究

　　目前, 我国冬季的供暖收费是按照用户住宅的建筑面积来收取费用。这种收费方式会造成大量的能源浪费; 同时, 随着社会发展, / 热0作为一种商品已被越来越多的用户所接受, 这样按面积收费既不科学又不公平, 很难达到用户满意。如果用计量暖气所释放热量的仪表来计量热值, 由此依据热值收费就比较合理。

　　当前有些科研所开发了使用市电的热量表, 这种热量表在有市电时计量比较准确, 没有市电时形同虚设。为此本文提出用3. 6 V( 2 A/ h) 锂电池供电的微功耗家用暖气热量表的设计方案, CPU 采用美国T I 公司的超低功耗单片机MSP430F135, 它在1 MHz 主频下, 工作电流为250 LA, 并且有4 种低功耗工作模式; 外部电路用分别供电的方法工作, 可进一步降低系统的总功耗, 用3. 6 V( 2 A/ h) 锂电池供电, 可连续运行6 个采暖期。

　　1 热量计量原理及传感器数学模型

　　1. 1 热量计算原理

　　当热水以一定的温度从进水管流入一个热交换系统, 用户在通过热交换获得热量的同时, 热水以较低的温度从回水管流出。在一定时间内, 用户所获得的热量可以由下列方程计算:

　　若想算出热水释放的热量, 必须测出温差和体积。但需指出, 热焓修正系数K 和水的密度, 是进回水温度的函数, 是一个变量即进水( 回水) 温度不同, 用户从流经系统的等量热水中所获得的热量并不相等。困此本文使用表格法和线形插值法, 进行热焓修正系数K 和密度值的运算。

　　1. 2 温度传感器数学模型

　　温度敏感元件采用铂电阻Pt1000, 在0~ 630. 75℃　温度范围内铂电阻阻值与温度关系为:

　　根据上式进行温度计算, 需要求解二阶方程, 不仅计算程序复杂, 而且精度也难以保证。为此本文使用二次抛物插值法进行温度标度变换。

　　1. 3 流量传感器数学模型

　　流量测量采用无磁流量计, 其采集部分只需要一个转盘和三个电感电容就可以。转盘的一半涂有具有阻尼特性的金属膜( 一般为铜) , 电感是成120°角分布在转盘的表面, 而转盘是固定在叶轮表面, 当流体流动时叶轮通过转轴带动转盘转动, 随着转盘的转动, 电感在转盘表面的位置交替变化。其传感器结构如图1 所示。

　　图1 中单片机系统用来激励L C 谐振电路。CPU 通过激发端定时给L C 回路激励脉冲信号, 使其具有一定的能量以后, 再断开激励电路, 这时L C电路就会产生阻尼振荡, 其阻尼系数的大小取决于电感线圈和转盘上金属膜的相对位置。当电感在处于有金属膜的位置时, 衰减幅度大; 反之, 衰减幅度较小。通过MCU 内部检测波形衰减的幅度, 就可以判断电感的状态, 从而达到计量的效果。图2 所示是其中一路L C 谐振电路的工作原理图。其中L 1和C1 组成的振荡回路作为传感器部分, 三个传感器公用一个激发端, 接到单片机的一个I/ O 口, 而每个LC 振荡回路有一个传感器选择端, 分别接到单片机的三个I/ O 口上。在激发的时候, 激发脉冲由激发端输出, 然后由传感器选择端选择三个L C 振荡回路之一进行激发。一个传感器激发时, 其余的两个停止工作。