摘  要：論述了熱量的測量原理，采用先進(jìn)的傳感器設(shè)計(jì)了一種高可靠性熱量表，并給出了軟硬件設(shè)計(jì)方法。由于該系統(tǒng)采用了單總線技術(shù)，模擬信號(hào)在測量現(xiàn)場被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，能夠遠(yuǎn)距離測量，具有很高的測量精度和應(yīng)用價(jià)值。

 

關(guān)鍵詞：熱量表;DS2450;DS18B20;單總線

0 引言

　　近幾年由于能源緊張，各種能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，空調(diào)是用戶的一個(gè)能源消耗大項(xiàng)，傳統(tǒng)的空調(diào)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)往往只考慮用電成本或按面積推算，這顯然不太合理。本系統(tǒng)以單總線技術(shù)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)式分戶計(jì)費(fèi)功能。

1 測量原理及系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1測量原理

　　熱源供應(yīng)的熱水以較高的溫度流入交換系統(tǒng)（散熱器等），以較低的溫度流出;在此過程中，通過熱量交換向用戶提供熱量。根據(jù)熱力測量公式，用戶所獲得的熱量可由下列方程式計(jì)算得出:

　　E=∫ K×（T_S-T_d）×dv

　　式中:E— 熱交換系統(tǒng)輸出熱量;

　　T_S— 進(jìn)水溫度（T）;

　　T_d— 出水溫度（T）;

　　V— 一定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)供熱系統(tǒng)的熱水流量（升）。

　　K—比重和比熱的修正系數(shù)。

　　K值用來對(duì)比重進(jìn)行修正。流量計(jì)測量的是體積流量，需要換算成適合熱量計(jì)算的質(zhì)量流量，水的比重是隨溫度的變化變化的，所以需要進(jìn)行比重修正。通過K值也對(duì)比熱進(jìn)行修正,水的溫度所對(duì)應(yīng)的熱量值并非絕對(duì)線形的,因此即使兩個(gè)工況下的供、回水溫差相同,如果供水或回水的溫度不同,相應(yīng)的熱量值也是不一樣的, K 值是一個(gè)同時(shí)取決于供、回水溫度值的變量。修正系數(shù)K的引入在熱量計(jì)算中是非常重要的。如果不引入該修正系數(shù),由此而造成的計(jì)算誤差很大。

　　1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　如圖1所示，系統(tǒng)由主機(jī)和戶機(jī)構(gòu)成，每個(gè)用戶只安裝一個(gè)戶機(jī)，戶機(jī)由流量傳感器、供水溫度傳感器、回水溫度傳感器、室內(nèi)溫度傳感器、按鍵模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。為使溫度傳感器能與被測水的溫度一致，減小誤差，兩溫度傳感器安裝在導(dǎo)熱環(huán)上，并分別固定在空調(diào)的供水管（冷端）和回水管（熱端）上，并敷有絕熱保溫材料，以減少熱損失;電磁閥安裝在進(jìn)水管上，用流量計(jì)測量熱水的流量，室內(nèi)溫度傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)室內(nèi)溫度，并和已設(shè)溫度相比較，微處理器根據(jù)比較結(jié)果決定電磁閥的啟閉。微處理器根據(jù)進(jìn)水管和出水管溫差和流量計(jì)的值算出向用戶提供的熱量，讀出非易失性存儲(chǔ)器AT24C01中前一時(shí)間段的熱量值與當(dāng)前值累加，將累加值送顯示模塊顯示，并保存于AT24C01，在上位機(jī)要求數(shù)據(jù)時(shí)傳送給上位機(jī)。當(dāng)流量計(jì)的讀數(shù)為0時(shí)，計(jì)算出的熱量值為0，微處理器處于休眠狀態(tài)。

 

 

3 器件的選擇

　　3.1 流量傳感器

　　流量傳感器采用旋翼式結(jié)構(gòu),其原理是: 將翼輪置于被測流體中,液體沿翼輪的切線方向沖擊使翼輪轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速與流量有如下關(guān)系:

　　Q=Kn

　　K=4×3.1415RA/cosα

　　式中: Q-液體的流量;

　　n-為翼輪轉(zhuǎn)速;

　　R-為翼輪半徑;

　　A-為進(jìn)水口的面積;

　　α-為翼輪輪葉與進(jìn)水口的夾角。

　　當(dāng)R 、A 和α為定值時(shí), K 也為定值。在理想情況下,流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。該傳感器的翼輪上共有7 片輪葉。每片輪葉上鑲嵌一塊磁鋼，翼輪的上方安裝一塊密封的聚四氟乙烯板, 板面和磁鋼同直徑的位置上有一個(gè)盲孔,用來放置霍爾開關(guān)探測器。當(dāng)翼輪隨流體流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)時(shí),7個(gè)磁鋼依次激勵(lì)霍爾開關(guān),使其發(fā)出電脈沖信號(hào)，脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比, 頻率信號(hào)經(jīng)過F/ V 轉(zhuǎn)換, 輸出所需要的電壓信號(hào)，經(jīng)過標(biāo)定可測出其流量值。

　　3.2 溫度傳感器

　　溫度傳感器選用可組網(wǎng)式單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　3.3 單總線A/D芯片DS2450

　　DS2450是單總線式4通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，即A、B、C和D模擬電壓輸入通道，其輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換精度位數(shù)、報(bào)警門限電壓可編程;每個(gè)通道都有各自的存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門限電壓等參數(shù)（詳細(xì)資料讀者可查看參考文獻(xiàn)[1]）。DS2450將流量傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給微處理器。

　　3.4 液晶顯示模塊LCM12864ZK

　　LCM12864ZK是帶中文字庫圖形的液晶顯示模塊，其功能強(qiáng)，控制簡單，由于其本身自帶中文字庫，大大減少了編程的工作量。該模塊主要用來顯示當(dāng)前的時(shí)間、室溫值及熱量值。

　　3.5 按鍵模塊

　　系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)按鍵，按鍵1用來設(shè)置室溫，按鍵2和按鍵3分別為加、減鍵。

4 工作過程

　　在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化DS2450、DS18B20和LCM12864ZK，依次發(fā)送每組傳感器的地址（即DS2450和DS18B20的序列號(hào)），啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，讀取溫度傳感器的值，比較室溫值與設(shè)定溫度值，如相等，則關(guān)熱水管閥門;如不等，則計(jì)算進(jìn)水管和出水管的溫差，讀取A/D值（即流量傳感器的值），計(jì)算熱量，送液晶顯示模塊顯示并存于非易失性存儲(chǔ)器AT24C256內(nèi)，同時(shí)下位機(jī)也可通過RS-485向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，上位機(jī)也可向下位機(jī)傳送命令。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　圖2為系統(tǒng)的軟件流程圖，由于系統(tǒng)采用單總線協(xié)議，必須嚴(yán)格遵守單總線協(xié)議的時(shí)序.

 

 

6 結(jié)束語

　　用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)冷熱表的溫度、流速、熱功率進(jìn)行檢驗(yàn),溫差誤差小于0.115℃, 實(shí)際流量積算誤差小于5% , 熱量積算誤差小于2%。