楊宇博

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院， 天津 300000）

引言

長久以來，民用供熱采暖的計量問題一直無法解決，尤其近年來居民應(yīng)交采暖費(fèi)收取不力，供熱單位經(jīng)營虧損，成為亟待解決的問題。同時，在石油、化工、供水、供熱等工業(yè)管網(wǎng)的流量、熱量計量中，也存在很多無法或不宜用交流電源供電的場合。因此，采用電池供電的低功耗、高精度、具有計量數(shù)字化、智能化及遠(yuǎn)距離采集與控制功能的新型計量儀表產(chǎn)品已成為市場急需解決的問題。市場現(xiàn)有產(chǎn)品存在的計量精度不能真正達(dá)到使用要求；功耗過大；成本價格過高等不足與缺陷。因此設(shè)計一種民用型新型組合式智能熱量表?；竟δ芘c精度要求如下：

該儀表應(yīng)采用5 號高能堿性電池供電（3 V），至少能維持正常工作5 年以上，采用鋰電池可使用7 年以上。該儀表計量熱功率累計誤差應(yīng)小于等于±1.5%。

計量顯示數(shù)據(jù)應(yīng)包括瞬時流量m3/h，瞬時功率MW/h，累計功率MW/h，供水溫度℃，回水溫度℃，30d分段累計功率MW/h，年累計功率MW/h。

流量測量范圍：≤4 m3/h；溫度測量范圍：0～100 ℃。

1 總體設(shè)計

1.1 測量原理

本智能熱力儀表的測量原理由兩個鎧裝鉑熱電阻（PT1000）分別測量管路入口和出口溫度（t1、t2）；由渦輪流量傳感器測量管路流量（Q），入口和出口溫度（t1、t2）經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后按式（1）計算管路瞬時熱功率（P）消耗，經(jīng)累加后得到累計熱功率消耗。

式中：Q 為釋放的熱量，W/h；ρ 為水的密度，kg/m3；qv為水的體積流量，m3/h；Δh 為在管路中出入口的溫度下水的焓值差，J/kg；τ 為時間，h。

1.2 敏感器件的選擇

1.2.1 流量檢測器件

市場上現(xiàn)有流量傳感器主要分為葉片式與電磁式兩大類。其中葉片式流量傳感器檢測精度較低（誤差＞2%）；一般電磁式流量傳感器也存在精度不足、線性度不好、價格高等缺陷。渦輪流量傳感器具有精度較高（誤差可在±0.5%內(nèi)）、線性度好、價格低等優(yōu)點(diǎn)，可采用渦輪流量傳感器作為流量檢測器件。

1.2.2 溫度檢測器件

工業(yè)和民用常用溫度檢測分接觸測量與非接觸測量兩大類。器件主要有熱電偶、半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電阻、磁式溫度傳感器、電容式溫度傳感器、光纖溫度傳感器等。其中，熱電偶主要用于大于500 ℃場合；半導(dǎo)體熱敏電阻屬于非線性元件；電容式與光纖溫度傳感器屬于非接觸測量器件；磁式溫度傳感器用于民用場合體積過大，而且信號處理困難；而熱電阻（尤其是鉑熱電阻）由于其具有很好的穩(wěn)定性（見鉑熱電阻溫阻特性表）和測量精度（測量誤差≤±3‰），主要將其用于高精度的溫度測量和標(biāo)準(zhǔn)測溫器件，可采用鎧裝鉑熱電阻作為本智能供熱計量儀表的測溫敏感元件。

1.3 控制器件的選擇

智能儀表常用控制器件目前主要是采用MCS－51 系列單片機(jī)。但是這一系列的單片機(jī)其功能較少、功耗的指標(biāo)不能滿足要求，為此，經(jīng)廣泛調(diào)研后，選擇了美國TI（Texas Instrumens，德州儀器）公司MSP430 系列單片機(jī)作為智能供熱計量儀表的主控器件。

該系列單片機(jī)主要特性如下頁表1 所示。

表1 系列單片機(jī)主要特性

MSP430 系列單片機(jī)除以上特性外，其關(guān)鍵特性主要有以下幾方面：

1）超低電流消耗：3 V 供電狀態(tài)下最大電流消耗為400 μA，低功耗模式4 狀態(tài)下最低電流消耗為0.1 μA。

2）可在電壓降至2.5 V 情況下工作。

3）系統(tǒng)內(nèi)置：LCD 驅(qū)動、14～16 位A/D 轉(zhuǎn)換、I/O端口、看門狗、UART、定時器、EPROM等模塊。

4）正交指令組簡化了程序：所有指令可以用所有尋址模式。

綜上，MSP430 系列單片機(jī)滿足了全部要求，尤其是它的超低功耗、內(nèi)置LCD 驅(qū)動電路、多達(dá)14～16位的內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換、16 位指令系統(tǒng)及高抗干擾性能更是極好地解決了智能儀表的基本要求，此外這一系列單片機(jī)的價格也是相對經(jīng)濟(jì)的，所以應(yīng)該說MSP430 系列單片機(jī)作為智能供熱計量儀表的主控件應(yīng)是最好的選擇。

1.4 顯示器件的選擇

由于主要控制器件采用了具有內(nèi)置LCD 驅(qū)動的MSP430 系列單片機(jī)，因此采用寬屏液晶顯示就已成為必然的選擇。同時，專門設(shè)計的液晶顯示屏也為抄表人員的工作及用戶的監(jiān)督提供了極大的方便和透明度。圖1 為液晶顯示屏。

圖1 液晶顯示屏

2 基本電路原理

圖2 為本設(shè)計的基本電路原理圖。由于A/D 轉(zhuǎn)換和LCD 驅(qū)動均在MSP430-325 單片機(jī)內(nèi)部，因此電路結(jié)構(gòu)可以大大簡化，也很好地實(shí)現(xiàn)了低功耗的設(shè)計思想。REXT 電阻箱構(gòu)成了A/D 轉(zhuǎn)換的恒流源，通過微調(diào)恒流源電阻，可在14 位A/D 轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)16位A/D 轉(zhuǎn)換，從而大大提高了A/D 轉(zhuǎn)換精度。EEPROM中存儲了各傳感器的參數(shù)及測量數(shù)據(jù)結(jié)果。通過按鍵可顯示各種測量數(shù)據(jù)及更換電

圖2 基本電路原理圖

池操作顯示。此外本電路設(shè)計還為今后數(shù)據(jù)傳輸提供了串行接口。由于MSP430 系列單片機(jī)提供了低功耗工作模式，所以還可以通過軟件控制單片機(jī)的工作模式來有效地降低電路的功率消耗。

3 程序設(shè)計

圖3 所示為該智能供熱計量表的程序功能框圖。

圖3 智能供熱計量表的程序功能框圖

1）盡可能充分利用MSP430 單片機(jī)提供的各種低功耗工作模式，使該智能測量儀表除供熱期外盡可能處于最低功耗的狀態(tài)。

2）在供熱期工作期間，除抄表操作外也盡可能使控制電路工作在低功耗模式。

3）盡可能減少抄表員操作的復(fù)雜性。

4）在數(shù)據(jù)處理和功率計算程序中采用查表插值補(bǔ)償?shù)姆椒ā⒍啻螠y量求均值的方法、與基準(zhǔn)誤差曲線比較并針對其相對誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ榷喾N方法以減少測量誤差。

5）配合硬件電路，通過微調(diào)恒流源電阻，在14 位A/D 轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了16 位A/D 轉(zhuǎn)換，以減少因A/D 轉(zhuǎn)換精度造成的誤差的影響。

6）控制程序中預(yù)留了串行通訊程序，以便今后可以容易的實(shí)現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理。

7）程序設(shè)計中設(shè)置了10 年內(nèi)每個月（30 d/月）及每年（180 d/ 年）的累計熱功率統(tǒng)計功能，以便核查。

8）程序中設(shè)計了數(shù)據(jù)保護(hù)功能，以防止在供熱期內(nèi)因更換電池造成數(shù)據(jù)丟失的可能。

4 結(jié)語

智能熱功率測量儀表對精確熱功率計量提供一種低功耗、高精度的新型計量手段、為使用者能自行控制自身的熱能使用量提供了一種較好的測量裝置。