基于傳感技術的暖氣計量系統設計

趙青云 張春蕊

1.山西師范大學現代文理學院，山西臨汾 041000；2.山西師范大學物理與信息工程學院，山西臨汾 041000

一、前言

目前暖氣的收費都采用以面積為基礎的收費，這種收費方式存在著很多的不足。從節能和環保的角度考慮，這種收費方式不利于節能和環保。因為按照面積收費，用戶沒有節能的動力，許多用戶的做法是家里一邊開著暖氣，一邊開著窗戶，造成熱量的大量浪費。同時，正是由于不節約的現象，熱力公司就需要燃燒大量的煤、氣以滿足這種浪費，加大了對環境的污染和能源的浪費。而我國是一個資源缺乏的國家，這種不能再生能源的大量浪費，將影響到我們國家的長遠發展，也讓我們的環境治理雪上加霜。所以，設計并采用可計量的暖氣收費系統是非常有必要的[1]。

二、可計量暖氣收費系統的總體思路

暖氣的計量主要考慮流量和熱量的消耗。流量的消耗可以借助于流量傳感器進行測量，具體的思路是在進水口和出水口分別安裝流量傳感器，流量的差值即為用戶消耗的流量。熱量的消耗計量方式是在進出水口安裝溫度差傳感器，直接對熱量的消耗進行采集。通過供熱公司的成本計算及利潤的要求對熱量和流量進行換算，利用模數轉換器將換算的結果轉換成數字信號進行顯示。由此分析可知，利用傳感技術設計暖氣計量系統是可以實現的。

可計量暖氣收費系統可以用圖1表示，利用溫度傳感器測量進水管和出水管的溫差，這個溫差就是用戶消耗的熱量；利用流量傳感器測量進水管與出水管的流量差，這就是用戶消費的流量，最后根據熱量消費、流量消費與暖氣費用的關系，計算并顯示用戶所要交納的暖氣費。

三、用戶消費的暖氣量的采集

1、流量的采集

流量的采集采用超聲波傳輸時間差法，在實際應用中，我們將超聲波傳感器安裝在管道的外部， 這樣，從管道的外面透過管壁發射和接收超聲波不會給管路內流動的流體帶來影響，測量得到的流量是比較準確的，如圖2所示。

管壁兩側的兩個超聲波傳感器為雙向傳感器，兩個超聲波傳感器都既可以發射超聲波又可以接收超聲波， 一個裝在上游管壁，一個裝在下游管壁。當超聲波傳感器1作為發射探頭，超聲波傳感器2為接受探頭時，則順流方向的傳播時間為：

其中，D—管道之間的距離為；

c—流體靜止時的超聲波傳輸速度；

v—流體流動速度；

θ—傳感器連線與垂直方向夾角。當超聲波傳感器2作為發射探頭，超聲波傳感器1作為接受探頭時，則逆流傳播時間為：

時差為：

所以，水管中的平均流速為：

水管中的平均速度與管道面積的乘積就可以得到進水管的流量和出水管的流量，進水管流量與出水管流量之差即為用戶消耗的暖氣的流量[2]。

2、熱量的采集

另一端溫度為T0，稱為冷端，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。它可以對點溫度進行測量，如果需要兩點之間的溫度差，可以利用兩只熱電偶配合使用。

如圖3所示，利用兩支型號相同的熱電偶并配用相同的補償導線，工作時，將t1端安裝在進水管道中，t2安裝在出水管道中，兩支熱電偶產生的熱電動勢方向相反，由于兩只熱電偶反向串聯，所以輸入儀表的是兩只熱電偶的熱電動勢差值，這一差值正反映了兩支熱電偶熱端的溫差，也就是進水管道和出水管道的溫度差。為了提高測量精度并減少測量誤差，在選擇熱電偶傳感器時，必須選用熱電特性一致的熱電偶，同時要保證兩熱電偶的冷端溫度相同，即可以準確測量進水管道和出水管道的溫度差。

用戶消耗的熱量直接反映在進水管道和出水管道的溫度差上，溫度差越大表明用戶消耗的熱量越大，進水管道和出水管道的溫度差可以利用熱電偶傳感器進行測量。熱電偶是利用兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，

3、消耗暖氣量的計量

用戶消耗的暖氣量可以利用傳熱學理論得到：[3]

式中，Q—用戶消耗的暖氣量；

qv—瞬時體積流量；

Cpf—入口定壓比熱容；

Cpr—出口定壓比熱容；

ρf—入口溫度下的載熱流體密度；

ρr—出口溫度下的載熱流體密度；

θf—入口的溫度；

θr—出口的溫度。

決定暖氣用量的因素是體積流量和溫度，利用流量采集裝置和溫度采集裝置就可以準確的得到流量和溫度，再利用查表的方法查得4個常數Cpf、Cpr、ρf和ρr的值，最后利用公式（5）就可以得到用戶消耗的暖氣量。

四、顯示模塊

在暖氣量計量中，用戶需要理解采暖過程中的許多信息，比如當前的時間信息、進水管道與出水管道的溫度信息、管道中水的流速、流量、暖氣費用等許多信息，以方便用戶及時了解供熱系統的工作狀態和變化的情況。

對供暖信息的處理和顯示采用圖4所示電路，該控制電路中有處理器和顯示器兩大模塊。ARM處理器采用芯片AM335X，利用AM335X芯片，可以實現對供暖管道中的流速、流量、暖氣費用等信息進行處理。在對實際的數據處理中，AM335X芯片的存儲空間往往有限，不能很好的對數據進行處理，為了提高其處理數據的能力，在數據處理模塊中外設DDR SDRAM芯片作為隨機存儲器和Nand Flash芯片作為只讀存儲器，這樣就可以提高對數據的處理速度，加大了數據存儲容量。AM335X處理器讀取存儲器在只讀存儲器和隨機存儲器的信息，通過LCD控制器將信息送入緩存器，經過模數轉換將流速、流量、暖氣費用等信息轉換成數字信號，根據用戶的需要將信息進行顯示。[4]

整個系統在默認狀態下為休眠狀態，只有當用戶所繳費用足夠時，用戶才可以開啟啟動按鈕系統進入正常的供熱狀態。當用戶所繳費用快接近不足時，系統會發出報警并提示，同時將相關的信息進行顯示，以便用戶及時了解自己的供暖情況。當用戶欠費時，系統自動停止供熱，用戶不能啟動供熱系統，只有當用戶所繳費用滿足設定的要求值時，用戶才能進行啟動操作。另外，用戶還可以根據周圍環境的實際情況，選擇手動關閉或開啟供熱系統，達到節約能源和減少污染的目的[5]。

五、系統性能及可行性測試情況

通過對流量和熱量的采集，利用AM335X作為處理芯片，結合相應的外圍電路，構成集數據的采集、顯示和報警的暖氣消耗測量系統，具有開發簡單、安全性好、準確性到的特點，在設計完成過程中，利用仿真軟件進行仿真，達到了預期的設計目標。

六、結束語

利用基于傳感技術的供熱系統，充分的考慮了節約能源和減少污染的因素，也使得用戶明明白白的消費，消除了用戶和供熱公司的矛盾，有利于建立和諧的社會。

基于傳感技術的供熱系統，也可以借助于無線傳感技術對數據進行采集、傳輸和處理，并通過物聯網技術，將供熱系統與職能家居進行有效的結合，更能提高居民的生活質量。