一种智能热量仪的研制

　　一、引言

　　热量仪又称热量表或能量表,常安装在锅炉房或用热点入口,主要用于监测和计量用热点热量消耗。在我国北方冬季气温较低,机关、学校和居民小区都普遍使用热水供暖系统,为有效监控系统的供热能力和防止费,针对学校采暖系统,设计了一种可以联网进行集中管理和控制的微功耗热量仪, 3·6V锂电池供电可使其正常工作6年以上,且操作简单,功能齐全,一键实现全部操作。实现的功能有:累积热量计量及显示;供/回水温度、温差测量及显示;累积流量计量及显示;流量测量及显示(自诊断及故障显示,当热量仪出现故障时,显示故障代码并且自动保存以前数据不丢失)。

　　二、热量仪原理

　　设计的热量仪采用双温度传感器,安装于供热点的出水口和入水口处。根据热力学理论,热量仪所释放的热量Q为

式中　Q———释放的热量,单位为J;

　　qm———流经热量仪的质量流量,单位为kg/h;

　　Δh———在热交换系统的入口和出口的温度下,水的焓值差,单位为J/kg;

　　t———时间。

　　考虑到液体的不可压缩性,忽略压力影响,上式可转化为:

式中　qv———流经热量仪的体积流量,单位为m3/h;

　　ρ———流经热量仪的水的密度,单位为kg/m3。进而得到:

式中　qv———单位时间内流经热量仪体积流量;

　　ρ———流经热量仪的水的平均密度;

　　h1、h2———水流经入水管和出水管时的焓值。

　　热焓值主要与介质的成分温度有关,根据采集的温度值,利用查表的方法求得密度和焓值。当温度不是整数时,采用线性插值法得到其值。

　　三、热量仪硬件设计

　　热量仪的设计主要考虑低功耗的特性,控制器采用TI公司生产的MSP430F135单片机,它是一种以超低功耗为主要特点的16位单片机,其CPU设计成适合各种应用的16位结构,具有超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、模拟比较器以及高抗干扰能力等特点[1]。

　　热量仪整体功能可分为几个功能模块来进行具体设计,图1是其功能模块示意图。主要由流量采集、温度采集、报警、显示、串行通信、阀门控制等模块组成。

　　1·热量仪测温模块设计

　　热量仪测温模块设计中包括入水温度采集和出水温度采集两部分。对热量仪而言,关心的是温差的测量。当采用某种形式的配对温度传感器时,都需要根据最小温差的要求,满足相应的标准。DS18B20是美国DAL-LAS公司的新型数字式温度传感器。它是单片结构,无需外加A/D即可输出9~12位的数字量。其测量范围为-55~+125℃,在-10~+85℃时,精度为±0·5℃。