集中供冷熱及中央空調(diào)系統(tǒng)用冷熱量計的研究

      摘要  以集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)為應用對象，開發(fā)研制了一套熱量計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機MCS51為主體，附加外部晶振電路以及復位電路組成的模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、 外置時鐘及流量測量模塊、鍵盤及顯示模塊等組成，借助軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集、運算、處理以及存儲等，實現(xiàn)了智能化。校驗實驗表明；該系統(tǒng)具有啟動流速低、精度高、自動化程度高、運行穩(wěn)定、在流速大于啟動流速后，誤差小于4%。該系統(tǒng)的開發(fā)研究對集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)的市場化運行管理具有重要意義。

    主題詞  冷熱量計   中央空調(diào)   單片機   模塊

                                     引 言

    在集中供暖和中央空調(diào)使用收費過程中，目前仍按建筑面積計算，該方式已不適應市場化管理的要求，迫切需要對用戶消耗的熱（冷）量進行相應的計量，以維護用戶和供暖（冷）雙方的利益，但目前未見該類似儀表 的廣泛使用。這是由于熱量計量存有困難，使該類儀表和開發(fā)受到限制。首先，因為熱量屬于過程量，在實驗或工程測量中，傳統(tǒng)測量方法對過程量的計量本身存在較大的難度，而且存在測量誤差大，修正因素多等問題。事實上，傳統(tǒng)測量方法無法滿足對熱量的計量，但隨著計算機以及信號處理技術(shù)在熱工參數(shù)測量中的廣泛應用，熱工測量儀表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計算機軟、硬件相結(jié)合的優(yōu)勢可實現(xiàn)熱量的計量。

      在理論上，熱流率的測量在穩(wěn)定流動中可以歸結(jié)為流體質(zhì)量流量與其溫差以及定壓比熱的乘積，即；在實驗中對熱流率的測量主要采取直接法，并假設流體定壓比熱恒定不變，即簡化為質(zhì)量流率與其溫差的測量，要對熱量進行計量就必需連續(xù)對熱流率進行測量并累加求和。該類計量儀表的研究對供暖通風、能源利用、實驗研究等領(lǐng)域具有重要意義，但該類儀表的開發(fā)研究比較困難，以集中供暖、中央空調(diào)系統(tǒng)用熱量計量儀表為 例分析，存在如下問題需要解決；

      ①供暖系統(tǒng)中，流體流動速度較低，質(zhì)量流率較小，如何對供暖系統(tǒng)小流率流體的測量存在一 定難度。

     ② 進、出口溫差的測量要保證一定精度，同時要保證溫差與質(zhì)量流率的測量同步并存儲有關(guān)數(shù)據(jù)；而且系統(tǒng)的溫度（差）波動較大，測點的確定、安裝等實際問題較多，極難處理。

     ③ 即使能夠?qū)崿F(xiàn)對小流速換熱流體與溫差的同步測量，某一τ時刻的熱流率可以用理論公式；

利用傳統(tǒng)的測量方法完成上式的累計計量也是機極其困難的。

    基于以上問題，要實現(xiàn)對熱量的計量，只有充分發(fā)揮微型計算機的軟、硬件結(jié)合優(yōu)勢，實現(xiàn)對小流量、小溫差的測量以及數(shù)據(jù)的存儲、計算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機系統(tǒng)具有易開發(fā)、功能強、體積小、價格便宜等特點，開發(fā)了一套熱量計量儀，實驗證明 ：該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、功能強、自動化程度高、易于維護保養(yǎng)等特點。

                                 研究與開發(fā)

      在熱能工程及材料科學的研究和生產(chǎn)過程中對熱量的測量一般采用間接法，該類儀表大多僅是對熱流進行測量，目前工業(yè)化的產(chǎn)品有輻射式熱流計、熱阻式熱流計等，該類儀表均需實驗標定儀表常數(shù)，存在誤差大，測量滯后等缺點，本文以熱量理論計算式的離散化方程式為基礎(chǔ)，充分利用MCS51單片機系統(tǒng)具有易開發(fā)，軟硬件結(jié)合的優(yōu)勢，實現(xiàn)了熱量的智能化計算，結(jié)合熱量測量的難點，使該智能化儀表很好的實現(xiàn)了以下功能；

     （1） 溫差的測量，該功能由兩級放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、有關(guān)采集軟件完成。

     （2） 小流量的測量，主要靠磁電感應元件將流量信號轉(zhuǎn)化為標準頻率信號，由MCS51單片機及有關(guān)采集軟件，實現(xiàn)頻率信號的累計計量。

     （3） 熱量的累計計算以及數(shù)據(jù)的存儲功能，主要由軟件和相應的寄存器來完成。

     （4） 斷電保護功能，系統(tǒng)由于外部斷電，重要數(shù)據(jù)將被寫入有關(guān)存儲器并保存，系統(tǒng)自備電源將開始工作，并開始記錄斷電開始時間以及來電時間，來電后將自動將斷電時間累加后存入外置RAM內(nèi)存儲。

     （5） 顯示功能，無論用戶還是供暖公司均可通過儀表的顯示功能了解有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

     （6） 清零功能，供暖周期結(jié)束時供暖公司可以對儀表進行清零，以便于管理。

           為實現(xiàn)儀表的以上功能，系統(tǒng)硬件主要由以下模塊組成 ：由單片機MCS51為主附加外部晶振電路以及復位電路組成的基本模塊、電源模塊、放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊、外置RAM及電壓監(jiān)控模塊、外置時鐘及流量測量模塊、鍵盤及顯示模塊等，系統(tǒng)件組成見圖1，其中各模塊的組成以及主要實現(xiàn)的功能如下：

          單片機MCS51為主組成的基本模塊是該系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)的處理，協(xié)調(diào)其他模塊的工作，使整個系統(tǒng)步調(diào)一致的工作，選用的芯片是8051型單片機，具有5個內(nèi)部中斷，4K的ROM程序存儲器，使用極為方便，外部晶振選用12HZ ，復位電路主要是為熱量計運行管理方便而設計的，與鍵盤的功能復位鍵相連。

         系統(tǒng)電源模塊：主要完成向系統(tǒng)供5V標準直流工作電壓，包括系統(tǒng)中單片機、運放、LCD顯示以及A/D轉(zhuǎn)換的工作電壓以及標準比較電壓等均由此電源提供，該電源的精密程度對整個系統(tǒng)的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓管和比較電路組成 ，該電源輸出的電壓由6.5位的KEITHLEY2000多功能表測量得到其輸出范圍可穩(wěn)定在 ：4.9999-5.0001V，其精度是*的，作為基準電壓對系統(tǒng)造成的誤差可以忽略不計。

     放大以及A/D轉(zhuǎn)換模塊：主要功能是完成對熱電偶的信號進行放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入相應的寄存器，進行相關(guān)的計算。該模塊的精度直接影響系統(tǒng)的測溫精度，是產(chǎn)生溫度測量誤差的主要來源，因此放大器件的選擇主要考慮其精密程度、抑制零漂能力、自校準情況等性能，在系統(tǒng)中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調(diào)試過程中放大5000倍時起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0 ～ 100℃范圍內(nèi)熱電勢36 μV/ ℃，可以出由于 零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區(qū)間為0～70℃，屬于8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，易于和微處理器接口連接，該器件的分辨率及量化誤差是影響溫度測量精度的重要原因，以銅-康銅熱電偶以及測量放大倍數(shù)可知由于分辨率及量化誤差而引起的zui大誤差不大于0.2℃，因此由于放大以及A/D轉(zhuǎn)換而引起的溫度測量誤差合計不大于0.6℃，相對于一般供暖系統(tǒng)的設計溫差20℃而言，由于上述原因而引起的zui大誤差不大于3%，這一精度是比較高的。

     外置RAM及電壓監(jiān)控模塊：外置RAM主要完成對重要數(shù)據(jù)的存儲，尤其在系統(tǒng)掉電的情況下對所采集的熱量值進行存儲以及掉電時間進行記憶，便于管理，其主要芯片是X24C45，該芯片具有非易失性，便于在線寫入等特點。電壓監(jiān)控電路主要完成的功能是 ：在主電源失效時將備用電池自動接入電路，當主電源恢復時將備用電池斷開，以達到保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門狗定時器以及降壓檢測的μP監(jiān)控電路。

      外置時鐘及流量測量模塊：主要完成對單片機的運算提供時間記數(shù)以及斷電時使用電池電源繼續(xù)工作，為記錄斷電時間提供時鐘，主要芯片是DSI302，屬于點滴式充電記時芯片，流量測量電路主要完成流量信號的轉(zhuǎn)換及測量，流體流動 經(jīng)過磁電感應器、光電耦合器等轉(zhuǎn)換成頻率信號，送入單片機并記錄累加，完成流量的測量，該部分是熱量測量產(chǎn)生誤差的主要來源之一，關(guān)鍵是流量信號轉(zhuǎn)換過程中，頻率信號與流量的對應常數(shù)的標定，以及zui小流量的影響。

       鍵盤及顯示模塊：鍵盤主要完成的功能包括清零復位，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、查詢寄存器重要的即時值等，顯示功能是將經(jīng)過單片機計算累加的熱量值顯示出來，是系統(tǒng)功耗的主要來源，所以選用LCD液晶顯示器，具有功耗小，易于與單片機連接的CC14544芯片。

             （1） 在正常通電開始工作的情況下，首先進行系統(tǒng)自檢，自檢完畢，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為對應的溫差同時讀取計數(shù)器的頻率值（讀取數(shù)值后即時將計數(shù)器復位）并轉(zhuǎn)換為相應的流量值，進行熱量的計算，從外部的RAM讀取累計存儲的熱量值與測的熱量值進行累加，累加后送回外部的RAM存儲，完成一個測量循環(huán)。

          （2） 在突然斷電非正常情況下，電壓監(jiān)控電路開始工作，提供短時電源使得單片機把重要數(shù)據(jù)和外部時鐘的數(shù)值記錄到外部RAM中，同時系統(tǒng)開始記錄時間，以便電源恢復正常時，系統(tǒng)進行(1)的工作內(nèi)容，并記錄下停電時間的累加值。

          （3） 軟件對溫漂和時漂的自動測量及消除，在軟件中設置測量各傳感器的零點值并存為數(shù)據(jù)文件，在熱量計量計算中減除該對應傳感器的零值，可以有效的消除溫漂和時漂的影響，提高了傳感器的測量精度及系統(tǒng)總體精度。

                              精度的實驗校驗及應用

熱量計的外形尺寸130×130×40mm，液晶顯示，保證熱量計的精度是熱量計開發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，對其精度進行 校驗是開發(fā)研究的重要內(nèi)容，圖3是校驗實驗臺，主要完面熱量計在小流量工況下性能標定，實驗過程如下：水流經(jīng)1.5級的水表計量后經(jīng)過電加熱升溫后，進入流量變送器將流量信號轉(zhuǎn)化為光電信號將信號送入熱量進行計數(shù)，流體進入散熱器，經(jīng)強制對流換熱后流入標準容器。在散熱器前后各設置溫度測點，除由熱量計測量經(jīng)放大的電壓信號外，還用6.5位的KEITHLEY2000多功能表測量了未經(jīng)放大的熱電偶輸出信號，作為熱量計溫差測量的 校驗信號。流量的校驗主要是由水表、流量頻率變送器、頻率信號測量并轉(zhuǎn)化為流量，測得流量值與標準容器得的數(shù)值比較，計算其測量誤差，其中實驗中主要集中在小流量區(qū)。實驗數(shù)據(jù)見表1（表中qi代表流量值）。     

                                    表1   流量計校驗實驗數(shù)據(jù)表

                                         結(jié) 論

本文針對熱量過程中存在的問題，開發(fā)了一套熱量計量系統(tǒng)，以滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱量計量，具有廣闊的市場前景，該系統(tǒng)的開發(fā)成功對集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的市場管理具有重要意義。該系統(tǒng)具有；智能化程度高、性能穩(wěn)定、精度高、功能齊全、易于安裝等特點；經(jīng)實驗 校驗表明：

        （1）該系統(tǒng)具有啟動流速小的特點，啟動流速小于0.2629m/s，比水表啟動的流速??；而在正常流速下，其總體誤差小于4%，這一精度滿足集中供暖和中央空調(diào)系統(tǒng)的熱（冷）量計量的精度要求。

         （2） 該系統(tǒng)充分利用單片機具有易開發(fā)等特點，充分利用其強大的軟件處理及數(shù)據(jù)采集運算能力，實現(xiàn)了純機械系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能，達到自動記錄、處理、顯示數(shù)據(jù)等智能化要求，自動修正測溫誤差等功能，降低了硬件成本，有利于市場化。

         （3） 外置ROM、電源監(jiān)控以及外置時鐘、電源設置，使單片機系統(tǒng)具有內(nèi)外資源結(jié)合利用，在停電的情況下系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入計時，為集中供暖、中央空調(diào)的管理提供了極大的便利，數(shù)據(jù)的存儲等功能得到了強化，*實現(xiàn)了自動化。

         （4） 該系統(tǒng)還具有運行部件少、使用壽命長、功耗低、易維護和改型，可以滿足不同的流量測量范圍，易形成系列化生產(chǎn)，同時具有運行穩(wěn)定，復現(xiàn)性好等特點。