ic卡式用户热量表的设计与应用论文参考(编辑修改稿)

ic卡式用户热量表的设计与应用论文参考(编辑修改稿)内容摘要：

热量，研发出一种精度、 可靠性都很高的热量计。 它的流量传感器通过叶轮转动信号转换成电脉冲信号，计算器通过记录脉冲数实现对流过的热水水温测量，通过配对的温度传感器对进水、回水的进行温度检测之后传送给计算器。 计算器根据系统入口和出口处的温度计算出热量差、水的流量及水流经的时间，这样就可以计算出来采暖系统实际消耗的热量。 总体来说本课题主要包括以下几个方面的设计： (1) 选择测量元件：测量元件的选择主要就是测温传感器与流量传感器的选择。 (2) 规划逻辑电路：主要是设计各元件之间的电路，如温度传感器电路、测量电路、 IC 卡的端口和读写电路，其中还包括 /AD转换器、存储数据、结果的可视化、键盘操作等方面的设计。 (3) 主要软件系统的设计：即设计系统所需要的计算流程、流量计算和测量流程、可视化流程、 IC 的读入和输出流程等软件方面，使软件能够更好的实现所需要的功能。 (4) 设计的更节能环保。 主要解决的问题 热量表中包含有很多的高新技术。 我们在借鉴欧洲产品成熟的思想的同时，为了避免走国内热量表研制过程中所走的弯路，也为了使开发的产品能够符合我国国情，本课题在研发过程中主要解决以下问 题： (1) 低功耗设计：目前，热量表有两种供电方式： AC 电源和干电池提供电源。 如果流量计使用 AC 电源提供电能，当有电的时候，流量计还是比较准确的计算流量，但是一旦出现停电事故，那么流量计就一点作用都没有了，所以本系统选用的供电电源是干电池。 同时，干电池的使用寿命是同流量计系统的工作电流紧密相连：当系统的工作电流为 l 安培数量级时，电池就已经不能保证系统的正常工作；假如我们的流量计的工作电流设计成百毫安级别，那么普通的干电池的使用寿命就能提高几个小时，假如我们把系统的电流降低为微安的级别，那么普通干电池 的使用寿命又将提升很长时间，系统就可以更为长久的保持在工作状态，由此可见降低功耗是多么的重要。 (2) 测温电路的精确度问题：一些会影响测温精度的方面，比如铂电阻选择、 A/D转换时的零点校准、两线制还是三线制的选择等，这些都是在本课题中需要解决的问题。 (3) 叶轮式流量计测量：热流量和系统脉冲数量的关系、叶轮的转速和热流量之间的关系、热流量的补偿办法等方面。 (4) IC 卡预付费系统设计：我国热供应系统一直都有“收费难”问题，而采用卡式预付费系统不但可以很好地缓解这一难题，而且抄表 员也不需要去每家每户的对流量表进行抄表，避免了多麻烦，从而给用户和供热公司都提供了很大的便利。 IC卡的预付费系统的设计主要包括以下几方面： IC 的逻辑电路设计、软件的流程设计、电磁阀自动控制电路的设计等这几方面。 第二章 热量表的基本原理及设计方案 供热公司或者小区的物业管理部门根据国家相关部门的规定，在为用户进行供热的时候采用的是“并联”的方法。 因为每家住户的供热管道都是一个独立的循环通路，高温热水从进水管进入用户，散热后再从回流管道流回，所以用户的管口处安装热量表来计算用户的实际用热量。 本章 首先介绍了热量计的基本工作原理和相关的建模模型，再对热量计的基本构造进行了专业介绍， 最后给出了具体的设计步骤和必须符合的相关行业标准规范。 热量表的基本原理 热量表的主要功能是计算用热量，它主要包括两个温度传感器、计算热量的仪器和感应流量的传感器。 当 有热水通过时，其安装好的热量表指针会有一定的偏转，从而 测得的温度，再加上流经的时间，按照预先设定的热量计算公式对用户的实际用热量进行计算，并将计算的结果进行显示。 本设计中的流量传感器在安装位置的选取上，是选择了进水口和出水口这两个位置，并且温度传感器的安装位置的 差异对最终结果会略有影响。 在我国，为了防止窃能现象，一般在供水管道上安装流量传感器。 其作用过程 如图 所示 : 图 热量表的工作原理图 关于 热量表 的 数学模型介绍 当热水通过交换系统时，当中的热量表 会按照流量（流量传感器测得）和温度（温度传感器测得）以及时间这几个参数，根据预先设定的计算公式计算出用户的实际用热量并给予显示 [15]。 热交换的计算公式 [17]如下： 10t mtQ q h dt   () 也可以表示为 21vvQ k d q   () 式中： Q吸收或释放的热量 （单位： kJ 或 kWh ）； mq 质量流量 （单位： /kgh ）； h 热量表的进水管道和出水管道测得的温度焓两者之差（单位： /kJkg ）； K 热交换系数 （单位： 3/kW h m ）； t 为时间 （单位： h ）；  进水管道端口和出水管道端口测得的温差（单位： C ）； q总流量 （单位： 3m ）； 现在，热量表主要有以下几种计算热量的方法： (1) 直接根据焓差法计算 ( ) ( )m f r v pf f f pr r rQ q h h q c c           () 上式中： prc ， pfc 代表出、入口的比热容（定压）； mq ， vq 代表瞬间的质量、体积流量； r ， f 代表出、入口的承载热量的水的密度（与温度相关）； r ， f 代表出、入口的温度； 从以上公式中可以看出：虽然这个计算热量的公式很简单，但是由 于在处理测得的温度值使，采用了线性差值的近似计算方法，通过选取离得最近的点当做是计算所用的焓值，进而计算出某一瞬间的热量值，在这些近似处理中，存在人为造成的误差。 (2) 根据常系数焓差法计算热量 ( ) ( )p m f r p v f rQ c q c q           () 式中： 0pck ，可以看做常数， pc 表示定压比热容。 这种方法计算简便，尤其是当 pc 为常数时，可以 消除了许多不利的影响因素，这样就可以既简单又可以很准确的计算热量。 但是 考虑到液体的 密度  是受温度影响的， 所以在使用密度  之前，首先要对密度  进行修正。 但是由于不能同时的补偿 pc ，所以这种方法随温度的变化是存在很大的误差的。 (3) 分段式 k 系数 法 Q k dq   () 式中： k 热交为换系数，当压力为定值时随温度而变化。 特别注意的一点是，处理热焓时的修正系数 k 和进口、出口的温度是相关的，随着温度的变化时变化的：当进水口或者出水口的温度不相同时，即便进出口的温度差相同，流经住户相同的水量给用户提供的总热量也是不相同的。 通过对比比较试验测得的数据，发现热焓值和进出口水的温度之间存在以下关系： [18] 10Co t50Co , 1k = 50Co t60Co , 2k = 60Co t90Co , 3k = 该方法将热交换系数量化为三个分段上的常数值，但是在确定这三个常数值的时候只能根据经验水平，对温度的划分也是大致性的，这样就存在很大的误差，不能很好的符合温度的要求。 所以，这种分段型的 k 系数方法只能适合精度要求低、温度变化小的条件。 现在我们了解到的一些由欧洲国家生产的比较先进的热量表仪器中，为了保证仪器的精度要求，大都对 k 系数进行相关的修正后再使用。 测流量的流量计和测温度的温度传感器要严格按照规定 进行安装：热量测量表是装在回水的管道上的，但是这一安装规定不能有效地预防用户对热量的偷盗行为，所以是不合适的。 热量表的焓值计算 下图 对热量表的硬件组成原理进行了简单地介绍，安装在进水管道上的温度传感器对进水口的水进行温度测量，得到其瞬时温度 (sT ， bT )，微型控制器利用已测的瞬时温度值，根据早已设计好的插值程序对其进行插值计算，得出 ( sh ， bh ) 和比容 (sv ， bv )；再利用安装在进水或回水管道中的流量传感器 ,测量得出水的瞬时流量值 流 量 传 感 器 供 水 温 度 传 感 器整 形 电 路单 片 机选 通 放大 电 路散热器回 水 温 度 传 感 器L C D 显 示 图 热量表简单硬件原理图 q( 3/ms)，利用这些数据就可以建立起水的瞬时消耗的热量的数学模型  /e KJ s ，以测流量的流量计装在供水管道上的情形为例计算瞬时耗热量公式： ( ) /s b se q h h v () 所以在 0~t 时间段内用户一共消耗的总的热量  EkJ 的数学计算公式如下： 00 [ ( ) / ]tt s b sE e d t q h h v d t   () 因为在流量表工作过程中的温度变量的变化时非常缓慢的。 所以，可以在很小的时间段 1~iitt 内，取其任意一个值来代替这段时间段的平均值，通过这个处理，在 0~t时间段内用户总耗热量  EkJ 可以用下面公式计算 : 1( ) /n i s i b i s iiE Q h h v () 其中 , iQ 为在 1~iitt 时间内流过流量记的体积 ( 3m )； n 为 0~t 时间内Δ t的个数； sih ， bih ， siv 代表第 i 段微小时间内的入口、出口处水的热焓值和比热容。 由公式 ()可以看出关键是要得到不同温度条件下的水的热焓值和比热容，由水的基本特性可知，水的热焓值和比热容受压力的影响是很小的，基本上可以忽略。 所 以就不考虑压力的影响，统一取水压为 aMP 条件下的水的热焓值和比热容为标准值。 计算水的热焓值和比热容时的插值区间为 10Co。 表格 21表示的就是通过计算得出的温度、热焓值、水密度这三者之间的 关系。 为了方便观察，表中用的是比热容的倒数。 本课题在进行热流量进行计算的时候，使用的计算方法是热焓值法，这就有效地避免了欧洲常用的 K 系数计算法时出现的流量表必须要安装在回水管道上的劣势，使得计算的热量值更准确、更符合实际 [19]。 表 21 温度、热焓值、密度三者之间的关系 温度 T (Co ） 热焓值 H ( /kJkg ) 密度  ( 3/kgm ) 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 根据表 21，我们可以得出以下结论：水的热焓值和密度并不是随着水的温度变化而呈现出线性的变化，由于在计算过程中对热焓值和水密度计算的时候是按照温度的插值计算方法，插值区间为 10 Co ，但是为了保证计算得到的结果更准确，当然在温度40 70CC～ 这一温度区间内可以将插值区间定为 5C . 热量表的 系统设计 IC 卡式热量表的组成部分 IC 卡式热量表主要是由以下几部分组成的：温度传感器、电磁控制阀、脉冲形式的热水测量表、微控制器热量计算仪和 IC 卡等部分组成，原理如图 ()所示： 电 磁 阀P I C 控 制 器 I C 卡售 热 管 理 系 统温 度 传 感 器 温 度 传 感 器 流 量 传 感 器电 磁 阀 开 关热 水 入 口出 口 热 水 图 IC卡热量表的结构简图 流量计用来测量和检测流量数据信号、温度传感器用来检测和测量温度信号；该新型的热量表的核心部分是微控制器，它一方面流量计采集处理温度传感器提供的信号，对用户从供热系统中使用的热量值，另一方面在内部还设置了相关的电路 来控制其运转，能够在显示相关测量数据的同时对系统起到一个检查的作用，一旦出现故障，将会发出警报。 电磁控制阀主要具有控制水流量的功能，能够防止用户违章用热或者是过度用热情况的发生；用户与售热管理系统通过 IC 卡进行信息交换；热量销售管理系统主要具有管理用户个人信息的功能，例如：提供 IV 卡、查询用户的个人信息、查询热量费用价格信息等。 IC 卡热量表 的作用 IC 卡 的主要作用有以下几个方面： (1) 读取 功能 :在使用 IC 卡后能够 清楚的读取 “总用热量”、“剩余热量”、“开。