摘要  以集中供暖和中央空調系統為應用對象，開(kāi)發(fā)研制了一套熱量計量系統，該系統以單片機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轉換模塊、外置RAM及電壓監控模塊、 外置時(shí)鐘及流量測量模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊等組成，借助軟件系統完成數據的采集、運算、處理以及存儲等，實(shí)現了智能化。校驗實(shí)驗表明；該系統具有啟動(dòng)流速低、精度高、自動(dòng)化程度高、運行穩定、在流速大于啟動(dòng)流速后，誤差小于4%。該系統的開(kāi)發(fā)研究對集中供暖、中央空調系統的市場(chǎng)化運行管理具有重要意義。

    主題詞  冷熱量計   中央空調   單片機   模塊

                                     引 言

    在集中供暖和中央空調使用收費過(guò)程中，目前仍按建筑面積計算，該方式已不適應市場(chǎng)化管理的要求，迫切需要對用戶(hù)消耗的熱（冷）量進(jìn)行相應的計量，以維護用戶(hù)和供暖（冷）雙方的利益，但目前未見(jiàn)該類(lèi)似儀表 的廣泛使用。這是由于熱量計量存有困難，使該類(lèi)儀表和開(kāi)發(fā)受到限制。首先，因為熱量屬于過(guò)程量，在實(shí)驗或工程測量中，傳統測量方法對過(guò)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(wèn)題。事實(shí)上，傳統測量方法無(wú)法滿(mǎn)足對熱量的計量，但隨著(zhù)計算機以及信號處理技術(shù)在熱工參數測量中的廣泛應用，熱工測量?jì)x表向智能化、微型化發(fā)展，充分利用微型計算機軟、硬件相結合的優(yōu)勢可實(shí)現熱量的計量。

      在理論上，熱流率的測量在穩定流動(dòng)中可以歸結為流體質(zhì)量流量與其溫差以及定壓比熱的乘積，即；在實(shí)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(jiǎn)化為質(zhì)量流率與其溫差的測量，要對熱量進(jìn)行計量就必需連續對熱流率進(jìn)行測量并累加求和。該類(lèi)計量?jì)x表的研究對供暖通風(fēng)、能源利用、實(shí)驗研究等領(lǐng)域具有重要意義，但該類(lèi)儀表的開(kāi)發(fā)研究比較困難，以集中供暖、中央空調系統用熱量計量?jì)x表為 例分析，存在如下問(wèn)題需要解決；

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

     ② 進(jìn)、出口溫差的測量要保證一定精度，同時(shí)要保證溫差與質(zhì)量流率的測量同步并存儲有關(guān)數據；而且系統的溫度（差）波動(dòng)較大，測點(diǎn)的確定、安裝等實(shí)際問(wèn)題較多，極難處理。

     ③ 即使能夠實(shí)現對小流速換熱流體與溫差的同步測量，某一τ時(shí)刻的熱流率可以用理論公式；

利用傳統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(wèn)題，要實(shí)現對熱量的計量，只有充分發(fā)揮微型計算機的軟、硬件結合優(yōu)勢，實(shí)現對小流量、小溫差的測量以及數據的存儲、計算、顯示等一系列功能。本文充分發(fā)揮單片微機系統具有易開(kāi)發(fā)、功能強、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套熱量計量?jì)x，實(shí)驗證明 ：該系統具有穩定性好、精度高、功能強、自動(dòng)化程度高、易于維護保養等特點(diǎn)。

                                 研究與開(kāi)發(fā)

      在熱能工程及材料科學(xué)的研究和生產(chǎn)過(guò)程中對熱量的測量一般采用間接法，該類(lèi)儀表大多僅是對熱流進(jìn)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(lèi)儀表均需實(shí)驗標定儀表常數，存在誤差大，測量滯后等缺點(diǎn)，本文以熱量理論計算式的離散化方程式為基礎，充分利用MCS51單片機系統具有易開(kāi)發(fā)，軟硬件結合的優(yōu)勢，實(shí)現了熱量的智能化計算，結合熱量測量的難點(diǎn)，使該智能化儀表很好的實(shí)現了以下功能；

     （1） 溫差的測量，該功能由兩級放大電路、A/D轉換電路、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化為標準頻率信號，由MCS51單片機及有關(guān)采集軟件，實(shí)現頻率信號的累計計量。

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

     （4） 斷電保護功能，系統由于外部斷電，重要數據將被寫(xiě)入有關(guān)存儲器并保存，系統自備電源將開(kāi)始工作，并開(kāi)始記錄斷電開(kāi)始時(shí)間以及來(lái)電時(shí)間，來(lái)電后將自動(dòng)將斷電時(shí)間累加后存入外置RAM內存儲。

     （5） 顯示功能，無(wú)論用戶(hù)還是供暖公司均可通過(guò)儀表的顯示功能了解有關(guān)數據信息。

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

           為實(shí)現儀表的以上功能，系統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轉換模塊、外置RAM及電壓監控模塊、外置時(shí)鐘及流量測量模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊等，系統件組成見(jiàn)圖1，其中各模塊的組成以及主要實(shí)現的功能如下：

          單片機MCS51為主組成的基本模塊是該系統的核心部分，主要完成系統采集到的數據進(jìn)行相關(guān)的處理，協(xié)調其他模塊的工作，使整個(gè)系統步調一致的工作，選用的芯片是8051型單片機，具有5個(gè)內部中斷，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(pán)的功能復位鍵相連。

         系統電源模塊：主要完成向系統供5V標準直流工作電壓，包括系統中單片機、運放、LCD顯示以及A/D轉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(gè)系統的影響極大，主要由變壓器、整流電路、穩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定在 ：4.9999-5.0001V，其精度是*的，作為基準電壓對系統造成的誤差可以忽略不計。

     放大以及A/D轉換模塊：主要功能是完成對熱電偶的信號進(jìn)行放大并經(jīng)A/D轉換送入相應的寄存器，進(jìn)行相關(guān)的計算。該模塊的精度直接影響系統的測溫精度，是產(chǎn)生溫度測量誤差的主要來(lái)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，在系統中選用的芯片是TLC40502，該芯片在調試過(guò)程中放大5000倍時(shí)起零漂而造成的誤差不大于0.4℃。銅熱電偶在0 ～ 100℃范圍內熱電勢36 μV/ ℃，可以出由于 零漂而造成的誤差不大于0.4℃。A/D轉換器選用TLC0831，該芯片工作溫度區間為0～70℃，屬于8位串行控制模數轉換器，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及電壓監控模塊：外置RAM主要完成對重要數據的存儲，尤其在系統掉電的情況下對所采集的熱量值進(jìn)行存儲以及掉電時(shí)間進(jìn)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(xiàn)寫(xiě)入等特點(diǎn)。電壓監控電路主要完成的功能是 ：在主電源失效時(shí)將備用電池自動(dòng)接入電路，當主電源恢復時(shí)將備用電池斷開(kāi)，以達到保存系統數據的目的，主要芯片是INP708，該芯片帶有看門(mén)狗定時(shí)器以及降壓檢測的μP監控電路。

      外置時(shí)鐘及流量測量模塊：主要完成對單片機的運算提供時(shí)間記數以及斷電時(shí)使用電池電源繼續工作，為記錄斷電時(shí)間提供時(shí)鐘，主要芯片是DSI302，屬于點(diǎn)滴式充電記時(shí)芯片，流量測量電路主要完成流量信號的轉換及測量，流體流動(dòng) 經(jīng)過(guò)磁電感應器、光電耦合器等轉換成頻率信號，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(lái)源之一，關(guān)鍵是流量信號轉換過(guò)程中，頻率信號與流量的對應常數的標定，以及zui小流量的影響。

       鍵盤(pán)及顯示模塊：鍵盤(pán)主要完成的功能包括清零復位，調節放大倍數、查詢(xún)寄存器重要的即時(shí)值等，顯示功能是將經(jīng)過(guò)單片機計算累加的熱量值顯示出來(lái)，是系統功耗的主要來(lái)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(kāi)始工作的情況下，首先進(jìn)行系統自檢，自檢完畢，讀取A/D轉換的數據，轉換為對應的溫差同時(shí)讀取計數器的頻率值（讀取數值后即時(shí)將計數器復位）并轉換為相應的流量值，進(jìn)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(jìn)行累加，累加后送回外部的RAM存儲，完成一個(gè)測量循環(huán)。

          （2） 在突然斷電非正常情況下，電壓監控電路開(kāi)始工作，提供短時(shí)電源使得單片機把重要數據和外部時(shí)鐘的數值記錄到外部RAM中，同時(shí)系統開(kāi)始記錄時(shí)間，以便電源恢復正常時(shí)，系統進(jìn)行(1)的工作內容，并記錄下停電時(shí)間的累加值。

          （3） 軟件對溫漂和時(shí)漂的自動(dòng)測量及消除，在軟件中設置測量各傳感器的零點(diǎn)值并存為數據文件，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(shí)漂的影響，提高了傳感器的測量精度及系統總體精度。

                              精度的實(shí)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(kāi)發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節，因此，對其精度進(jìn)行 校驗是開(kāi)發(fā)研究的重要內容，圖3是校驗實(shí)驗臺，主要完面熱量計在小流量工況下性能標定，實(shí)驗過(guò)程如下：水流經(jīng)1.5級的水表計量后經(jīng)過(guò)電加熱升溫后，進(jìn)入流量變送器將流量信號轉化為光電信號將信號送入熱量進(jìn)行計數，流體進(jìn)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(diǎn)，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、頻率信號測量并轉化為流量，測得流量值與標準容器得的數值比較，計算其測量誤差，其中實(shí)驗中主要集中在小流量區。實(shí)驗數據見(jiàn)表1（表中qi代表流量值）。     

                                    表1   流量計校驗實(shí)驗數據表

水流速 (m/s)	水表示值  (q2)(m3)	熱量計示值 (q2)(m3)	標準容器示值 (q3)(m3)	相對誤差    δ1        δ2		流量計溫差   (T1)	萬(wàn)用表溫差    (T2)	溫差測量相對誤差   (%)	熱量計總體誤差   (%)
0.1886	0.0023	0.0029	0.0032	28.1	9.4	29.8	30.1	0.997	10.4
0.2629	0.0032	0.0037	0.0038	15.8	2.6	21.2	21.5	1.4	4.01
0.3772	0.0036	0.0041	0.0042	14.3	2.4	15.3	15.1	1.32	3.72
0.5658	0.0055	0.0058	0.0059	6.78	1.7	10.1	10.2	0.97	2.67
0.7544	0.2279	0.0083	0.0084	5.95	1.2	7.6	7.5	1.33	2.53
0.9430	0.0094	0.0094	0.0095	1.10	1.1	6.1	6.2	1.61	2.73

      從表中數據可以看出：隨著(zhù)流量的增大，無(wú)論是水表還是熱量計測量的流量值越來(lái)越，其中對熱量計和水表而言都存在著(zhù)啟動(dòng)zui小流量，但熱量計的啟動(dòng)流量要比水表的啟動(dòng)流速要小，分析認為 ：主要是熱量計的啟動(dòng)阻力比水表要小的多。在熱量計流量大于啟動(dòng)流速后，其總體誤差小于4%，這一精度滿(mǎn)足集中供暖和中央空調系統對熱（冷）量計量的精度要求。圖4揭示了水表和熱量計的測量相對誤差 ，從圖中可以看出；熱量計的啟動(dòng)流速較小，隨著(zhù)流速的增大的測量相對誤差在減小，當流速大于0.9m/s后，水表的測量相對誤差小于熱量計測量相對誤差，這與測量誤差的來(lái)源不同有關(guān)，熱量計工作流速大于啟動(dòng)流速后，誤差主要來(lái)自流量變送器和溫度測量的誤差，基本上是恒定的，但總體相對誤差不大于4%，實(shí)驗結果表明；該系統達到了設計要求。

                                         結 論

        

本文針對熱量過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套熱量計量系統，以滿(mǎn)足集中供暖和中央空調系統的熱量計量，具有廣闊的市場(chǎng)前景，該系統的開(kāi)發(fā)成功對集中供暖和中央空調系統的市場(chǎng)管理具有重要意義。該系統具有；智能化程度高、性能穩定、精度高、功能齊全、易于安裝等特點(diǎn)；經(jīng)實(shí)驗 校驗表明：

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

         （2） 該系統充分利用單片機具有易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，充分利用其強大的軟件處理及數據采集運算能力，實(shí)現了純機械系統無(wú)法實(shí)現的功能，達到自動(dòng)記錄、處理、顯示數據等智能化要求，自動(dòng)修正測溫誤差等功能，降低了硬件成本，有利于市場(chǎng)化。

         （3） 外置ROM、電源監控以及外置時(shí)鐘、電源設置，使單片機系統具有內外資源結合利用，在停電的情況下系統自動(dòng)轉入計時(shí)，為集中供暖、中央空調的管理提供了極大的便利，數據的存儲等功能得到了強化，*實(shí)現了自動(dòng)化。

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