设计热电表流量自动标定系统

    引言

　　集中供热分户计量方式是一种节能环保的供暖计量体系。根据中国国家发改委于08年8月份发布的《城市供热价格管理暂行办法》的规划，我国的供热计量方式将逐步由按面积计费方式过度到分户计费方式。热量表是实现供热分户计费的重要手段，它通过测量流体的流速与进回水的温差实现对用户实际供热量的计量。其计算公式如下：

 

　　式中，Q表示热量表释放或吸收的热量，qm表示流经热量表的水的质量流量，qv表示流经热量表的水的体积流量，癖硎舅拿芏龋鱤表示水的焓值差，焓值等于温度与定压比热容的乘积，t表示时间。通过式（1）可以看出热量表的流量测量是重要指标，直接影响供热计量的准确性，因此每只热量表在出厂前均需要按规定进行流量标定。计量局的热量表标准检定装置采用整体检定的方法，该方法高，但检测成本高且效率较低，不适合作为生产设备，多用于热量表的定型检定。为提高热量表标定的自动化程度与标定效率，设计了一种热量表的流量自动标定系统，采用MSP430F149单片机实现对系统标定过程的自动控制，采用高和低成本的称重法得到系统中流体标准流量，可同时对多达12只热量表进行自动标定。

　　热量表是用于供热系统热消耗量计量的仪表。随着政策的进一步明朗，作为供热体制改革和建筑节能中必不可少的关键工具、分户计量供热系统的设备，其市场需求必将会越来越大。 热量表技术中关键的是流量的测量。供热系统中做为传热介质的水流量小、温度高，并且在国内还存在着供热水质差，铁屑、杂质多等问题，这些都大大地影响了常用流量测量手段在热量表中的应用效果，另外，国内市场的特点又决定了热量表所采用的流量测量方案必须是低成本的，包括生产成本与维护成本。 在这样的背景下，本文首先对热量表领域的相关问题进行了综述，然后探讨了低功耗、智能化热量表的总体结构问题，并就热量表中射流式流量测量、温度测量、热量积分和通信管理等几个模块的设计进行了详细的分析。 本文的主要贡献如下： 1.分析了热量表流量测量的特殊要求和射流振荡式流量测量的特点，论证了射流流量计在热量表应用中的可行性。 2.用CFD工具仿真了附壁式射流振荡腔内的非定常流场动态特性，针对不同的检测方法给出了传感器安放位置的仿真结果，并对射流腔进行了初步的实验测试验证。 3.设计了适合热量表高温差要求的温度测量方案，并给出了基于MSP430的低功耗热量表设计。

　　系统设计

　　热量表，是计算热量的仪表。热量表的工作原理：将一对温度1传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上（流量计安装的位置不同，终的测量结果也不同），流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。

　　整个标定系统是一个闭环测试系统，标定用的流体可以循环利用以节约成本。如图1所示，系统由计算机、以MSP430F149为主控芯片的控制单元、电子秤、流量调节阀、恒温水箱、稳压罐、储水罐、电磁阀、水泵等组成。待标定的热量表串联在同一直管路中，通过光电收发接口与控制单元进行数据交换，实现批量热量表的自动检测与修正系数的自动写入。可程控的流量调节阀用于流量的自动控制。电子秤与储水罐用于称量计算标准流量，恒温水箱、水泵及稳压罐用于提供标定用的流体。为贴近热量表的现场工作条件，恒温水槽控制标定用的流体温度在50℃左右，同时，为管道增加了相应保温措施以减少循环管道的散热。

　　热量表的流量标定过程由上位机通过控制单元全程自动控制。由于管道内的气泡会对流量计量带来误差，测试开始时由控制单元启动电磁阀开始排气过程。排气结束后，开始流量标定。对每个流量点，等待电子秤读数稳定后由控制单元从电子秤自动读取数据，从而换算得到流量Q0。同时控制单元采集热量表的数据Q1，由此计算出每块热量表在该流量点的修正系数C=Q0/Q1。整个标定过程完成后，控制单元将修正系数自动写入到相应热量表中，并将数据上传至上位机，由上位机判断热量表合格与否。

　　该标定系统的标准流量是由电子秤称重来确定的，因此电子秤量程范围既要满足流量时的称量又要满足流量时的称量，其测量直接影响到热量表的。若标定过程中发现有气泡现象，可以通过停止按钮结束本次测试重新进行标定。对热量表流量的自动标定过程由控制单元和上位机软件配合完成。

　　系统控制单元

　　本系统的控制单元框图如图2所示，主要由键盘电路、温控电路、电磁阀控制电路、光电收发接口电路、通信接口电路、声光指示电路组成。采用MSP430F149单片机为控制，外接6MHz晶振。

　　控制单元内部单片机的供电为3.3V，其他芯片和模拟器件的供电在3V到10V之间。控制单元的电源输入是由外部开关电源提供的。根据上述分析设计系统电源模块如图3所示。电感L1起防浪涌保护作用；输入电压经开关电源芯片MC34063后输出12V电压，然后通过两个NCP1117ST33稳压芯片产生两路3.3V电源分别给单片机和光电接收电路供电。

　　为实现恒温水箱的温度控制需要采集恒温水箱的温度。采用铂电阻PT1000温度传感器测量水温。本系统温度采集电路采样恒流驱动模式，如图4所示。为避免PT1000传感器长期工作的情况下自热而影响到测温，设计恒流源的输出电流在5mA以内。图4中左边的运放组成恒流源电路。右边的运放组成差分放大器以增加共模抑制比，电压放大倍数为R17/R16（其中R15=R17，R14=R16）。

　　系统软件

　　单片机软件的设计

　　系统上电以后首先进行单片机初始化设置，主要包括定时器、串口通信模块和基本输入输出口的工作模式选择与相关变量的初始化，初始化完毕后通过串行通信接口读取上位机传输的流量点个数、流量点流速与测试时间数据并将其保存至外部存储器中，以便系统脱离上位机启动，并由用户决定标定工作是否继续。上位机判断热量表是否合格并将标定的详细信息显示于工作界面。

　　上位机软件

　　上位机软件采用MFC（微软的基础类库）的编程方法，充分利用了面向对象技术的优点，MFC类库中各种对象的强大功能足以完成程序中大部分所需要的功能。软件操作界面如图5所示。通过界面中的设置选项可以设定标定的流量点个数、流量点流速和不同流量点的具体标定时间。

　　用户用上位机启动标定过程后，上位机软件通过RS-232接口将标定信息传输给控制单元，控制单元负责标定过程的自动控制，标定完毕再通过RS232接口将数据上传至上位机。

　　系统运行结果与分析

　　采用本系统对大连瑞工微电子公司生产的热量表进行了标定。根据中华人民共和国国家计量检定规程规定，检定的5个流量点q1-q5的选择应为：qmin≤q1≤1.1qmin，0.1qp≤q2≤0.11qp，0.3qp≤q3≤0.31qp，0.9qp≤q4≤1.0qp，0.9qmax≤q5≤1.0qmax，其中qmin为热量表流量测量下限，qp为热量表标称流量，qmax为热量表流量测量上限。表1为本系统在大连瑞工微电子生产现场随机抽取的10块热量表的标定结果。热量表3在流量点4和5的修正系数不满足要求，热量表6在流量点1和2的修正系数不满足要求，其余热量表均合格。

　　为了验证本系统的标定结果，将这10块热量表送至大连市计量局进行了检定，结果如表2所示。对比表1和表2可以看出，用本系统对热量表的标定结果与计量局热量表标准检定装置的检定结果完全吻合。

　　结语

　　鉴于传统的热量表标定装置大都为手动系统，操作繁琐，标定时间长，且容易引入人为失误的现象，设计了一套热量表流量自动标定系统。系统在整个标定过程中无需人为干涉自动完成，标定时间短，只需30分钟左右，流量修正系数与相关信息的写入也是自动完成，避免了不必要的人为失误。

　　该系统目前已成功应用于大连瑞工微电子公司，经1年多的生产验证，该热量表流量自动标定系统检测结果与国家标准计量单位的检测结果完全一致。该系统具备效率高、成本低、节能、安全可靠、操作方便、维护简单等优点。它的开发满足了热量表生产厂家对产品进行批量自动标定的需要，能极大的提高劳动生产率。