暖氣分戶計費中溫度與流量傳感器設計

摘要 針對熱能費收繳困難和按使用面積收費的不合理方式，提出了一種新型的智能表以及與之配套的遠程自動抄表系統。整個系統由熱能表、數據傳輸電路、PC機3部分組成；熱能表通過實時測量Pt1000電橋兩端的電壓差計算出溫度值，對霍爾流量計進行計數得到用戶在一段時間內的流量值，最后應用流量和熱量值得到用戶在一段時間內所消耗的熱值；測量數據通過CAN總線可以傳給上位機，由上位機的管理系統對數據進行數據處理、費用結算、報表打印等多項任務。經測試證明，此方案能較好地實現小區熱費智能計量。
關鍵詞 熱能計費；Pt1000；霍爾流量計

暖氣計量系統是通過兩種傳感器測得的熱載體流量和進出口溫度，再經過密度和熱焓值的補償及積分計算，得到熱量值。它是一種以微分處理器和高精庫傳感器為基礎的機電一體化系統。與以前普遍使用的用戶計量表相比，有更復雜的設計和更高的技術含量。研究內容主要包括：智能暖氣表、基于CAN總線的數據通信系統、基于Visual Basic和數據庫Visual FoxPro的暖氣流量計費管理系統。
課題的最終目標是建立一套符合現代化智能小區要求的先進的采暖計量收費系統。文中僅對系統的溫度和流量采集系統計進行介紹。

1 系統硬件電路的基本組成
1．1 結構框圖
安裝于用戶家中，不論用戶家中裝有幾組暖氣，原則上每戶只安裝一塊暖氣表。暖氣表包括流量傳感器、溫度傳感器、單片機系統等部分。系統選用的流量傳感器是霍爾元件A3144EUA；溫度傳感器選用的是Pt1000；單片機選用的是89C52。流量傳感器L，用以檢測水的流量，兩個溫度傳感器Tr1和Tr2分別測量供熱系統的進水溫度和回水溫度。3個信號在單片機中進行處理和運算后得到用戶的用熱量Q。暖氣表的結構框圖如圖1所示。

1．2 測熱系統數學模型的建立
系統應用傳熱學的基本理論可以得出精確的暖氣散熱公式

式中，Q為釋放或吸收的熱量值，單位kJ；q為瞬時質量流量，單位kg／s；△h為進出口焓差，單位kJ／kg；t為時間，單位s。
對于交換熱量的計量，目前一般采用以下3種方法。
(1)直接焓差法。
Q=qm(hf-hr)=qv(Cpfρfθf-Cprρrθr) (2)
式中，Cpf，Cpr為人口與出口的定壓比熱容；qv，qm為瞬時體積流量，瞬時質量流量；ρf，ρr為入口與出口溫度下的載熱流體密度；θf，θr為入口與出口的溫度。
決定熱量的因素是瞬時體積流量和溫度，如果能準確地測量流量和溫度，就意味著熱量能夠測試準確。只要測得瞬時體積流量qv，并根據實測溫度θf與θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4個常數，帶入式(2)即可計算出熱量Q。該方法的缺點是溫度測量精度越高，數據表所占的存儲空間越大，并且對于實測溫度，需要采用線性插值等近似計算技術，通過搜索與其距離最近的點計算相應的極值，得出瞬時熱量。
(2)常系數焓差法。
Q=Cpqm(θf-θr)=Cpρqv(θf-θr) (3)
式中，Cp為定壓比熱容，為常數，使得程序計算量減少，計算速度大大加快。該方法對于定壓不變頻的系統是合適的。但由于流體的密度ρ需要進行溫度修正，同時由于不能對Cp進行在線溫度補償，該方法的溫度適應性較差，不宜于作為戶用型暖氣表的熱量計算方法。
(3)K系數法。
Q=k·△θ·dv (4)
式中，Q為換熱器與周圍環境的換熱量；dv為流經換熱器流體的體積流量；△θ為流體在換熱器進、出口處的溫度差；K為熱系數，是流體在相應溫度、溫差和壓力下的函數。
由于熱交換系數K當壓力一定時，它隨溫度而變化，所以K系數法又可分為分段式K系數法和K系數補償法。