暖气分户计费中温度与流量传感器设计

摘要 针对热能费收缴困难和按使用面积收费的不合理方式，提出了一种新型的智能表以及与之配套的远程自动抄表系统。整个系统由热能表、数据传输电路、PC机3部分组成；热能表通过实时测量Pt1000电桥两端的电压差计算出温度值，对霍尔流量计进行计数得到用户在一段时间内的流量值，最后应用流量和热量值得到用户在一段时间内所消耗的热值；测量数据通过CAN总线可以传给上位机，由上位机的管理系统对数据进行数据处理、费用结算、报表打印等多项任务。经测试证明，此方案能较好地实现小区热费智能计量。
关键词 热能计费；Pt1000；霍尔流量计

暖气计量系统是通过两种传感器测得的热载体流量和进出口温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，得到热量值。它是一种以微分处理器和高精库传感器为基础的机电一体化系统。与以前普遍使用的用户计量表相比，有更复杂的设计和更高的技术含量。研究内容主要包括：智能暖气表、基于CAN总线的数据通信系统、基于Visual Basic和数据库Visual FoxPro的暖气流量计费管理系统。
课题的最终目标是建立一套符合现代化智能小区要求的先进的采暖计量收费系统。文中仅对系统的温度和流量采集系统计进行介绍。

1 系统硬件电路的基本组成
1．1 结构框图
安装于用户家中，不论用户家中装有几组暖气，原则上每户只安装一块暖气表。暖气表包括流量传感器、温度传感器、单片机系统等部分。系统选用的流量传感器是霍尔元件A3144EUA；温度传感器选用的是Pt1000；单片机选用的是89C52。流量传感器L，用以检测水的流量，两个温度传感器Tr1和Tr2分别测量供热系统的进水温度和回水温度。3个信号在单片机中进行处理和运算后得到用户的用热量Q。暖气表的结构框图如图1所示。

1．2 测热系统数学模型的建立
系统应用传热学的基本理论可以得出精确的暖气散热公式

式中，Q为释放或吸收的热量值，单位kJ；q为瞬时质量流量，单位kg／s；△h为进出口焓差，单位kJ／kg；t为时间，单位s。
对于交换热量的计量，目前一般采用以下3种方法。
(1)直接焓差法。
Q=qm(hf-hr)=qv(Cpfρfθf-Cprρrθr) (2)
式中，Cpf，Cpr为人口与出口的定压比热容；qv，qm为瞬时体积流量，瞬时质量流量；ρf，ρr为入口与出口温度下的载热流体密度；θf，θr为入口与出口的温度。
决定热量的因素是瞬时体积流量和温度，如果能准确地测量流量和温度，就意味着热量能够测试准确。只要测得瞬时体积流量qv，并根据实测温度θf与θr，采用查表法得到Cpf、Cpr、ρf和ρr，共4个常数，带入式(2)即可计算出热量Q。该方法的缺点是温度测量精度越高，数据表所占的存储空间越大，并且对于实测温度，需要采用线性插值等近似计算技术，通过搜索与其距离最近的点计算相应的极值，得出瞬时热量。
(2)常系数焓差法。
Q=Cpqm(θf-θr)=Cpρqv(θf-θr) (3)
式中，Cp为定压比热容，为常数，使得程序计算量减少，计算速度大大加快。该方法对于定压不变频的系统是合适的。但由于流体的密度ρ需要进行温度修正，同时由于不能对Cp进行在线温度补偿，该方法的温度适应性较差，不宜于作为户用型暖气表的热量计算方法。
(3)K系数法。
Q=k·△θ·dv (4)
式中，Q为换热器与周围环境的换热量；dv为流经换热器流体的体积流量；△θ为流体在换热器进、出口处的温度差；K为热系数，是流体在相应温度、温差和压力下的函数。
由于热交换系数K当压力一定时，它随温度而变化，所以K系数法又可分为分段式K系数法和K系数补偿法。