一種新型智能熱量表的設計

楊宇博

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院， 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，尤其近年來居民應交采暖費收取不力，供熱單位經營虧損，成為亟待解決的問題。同時，在石油、化工、供水、供熱等工業管網的流量、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、具有計量數字化、智能化及遠距離采集與控制功能的新型計量儀表產品已成為市場急需解決的問題。市場現有產品存在的計量精度不能真正達到使用要求；功耗過大；成本價格過高等不足與缺陷。因此設計一種民用型新型組合式智能熱量表。基本功能與精度要求如下：

該儀表應采用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小于等于±1.5%。

計量顯示數據應包括瞬時流量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A/D 轉換后按式（1）計算管路瞬時熱功率（P）消耗，經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）、線性度好、價格低等優點，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準測溫器件，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。但是這一系列的單片機其功能較少、功耗的指標不能滿足要求，為此，經廣泛調研后，選擇了美國TI（Texas Instrumens，德州儀器）公司MSP430 系列單片機作為智能供熱計量儀表的主控器件。

該系列單片機主要特性如下頁表1 所示。

表1 系列單片機主要特性

MSP430 系列單片機除以上特性外，其關鍵特性主要有以下幾方面：

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

2）可在電壓降至2.5 V 情況下工作。

3）系統內置：LCD 驅動、14～16 位A/D 轉換、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 系列單片機滿足了全部要求，尤其是它的超低功耗、內置LCD 驅動電路、多達14～16位的內置A/D 轉換、16 位指令系統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的價格也是相對經濟的，所以應該說MSP430 系列單片機作為智能供熱計量儀表的主控件應是最好的選擇。

1.4 顯示器件的選擇

由于主要控制器件采用了具有內置LCD 驅動的MSP430 系列單片機，因此采用寬屏液晶顯示就已成為必然的選擇。同時，專門設計的液晶顯示屏也為抄表人員的工作及用戶的監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 為本設計的基本電路原理圖。由于A/D 轉換和LCD 驅動均在MSP430-325 單片機內部，因此電路結構可以大大簡化，也很好地實現了低功耗的設計思想。REXT 電阻箱構成了A/D 轉換的恒流源，通過微調恒流源電阻，可在14 位A/D 轉換基礎上實現16位A/D 轉換，從而大大提高了A/D 轉換精度。EEPROM中存儲了各傳感器的參數及測量數據結果。通過按鍵可顯示各種測量數據及更換電

圖2 基本電路原理圖

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

3 程序設計

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。

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雜性。

4）在數據處理和功率計算程序中采用查表插值補償的方法、多次測量求均值的方法、與基準誤差曲線比較并針對其相對誤差進行補償的方法等多種方法以減少測量誤差。

5）配合硬件電路，通過微調恒流源電阻，在14 位A/D 轉換基礎上實現了16 位A/D 轉換，以減少因A/D 轉換精度造成的誤差的影響。

6）控制程序中預留了串行通訊程序，以便今后可以容易的實現計算機聯網管理。

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

8）程序中設計了數據保護功能，以防止在供熱期內因更換電池造成數據丟失的可能。

4 結語

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。