集中供暖及中央空调系统用热量计的研究

2013-08-06 14:49:48来源: 21ic
引 言

在集中供暖和中央空调使用收费过程中,目前仍按建筑面积计算,该方式已不适应市场化管理的要求,迫切需要对用户消耗的热(冷)量进行相应的计量,以维护用户和供暖(冷)双方的利益,但目前未见该类似仪表 的广泛使用。这是由于热量计量存有困难,使该类仪表和开发受到限制。首先,因为热量属于过程量,在实验或工程测量中,传统测量方法对过程量的计量本身存在较大的难度,而且存在测量误差大,修正因素多等问题。事实上,传统测量方法无法满足对热量的精确计量,但随着计算机以及信号处理技术在热工参数测量中的广泛应用,热工测量仪表向智能化、微型化发展,充分利用微型计算机软、硬件相结合的优势可实现热量的精确计量。

在理论上,热流率的测量在稳定流动中可以归结为流体质量流量与其温差以及定压比热的乘积,即:在实验中对热流率的测量主要采取直接法,并假设流体定压比热恒定不变,即简化为质量流率与其温差的测量,要对热量进行计量就必需连续对热流率进行测量并累加求和。该类计量仪表的研究对供暖通风、能源利用、实验研究等领域具有重要意义,但该类仪表的开发研究比较困难,以集中供暖、中央空调系统用热量计量仪表为 例分析,存在如下问题需要解决;

①供暖系统中,流体流动速度较低,质量流率较小,如何对供暖系统小流率流体的精确测量存在一 定难度。

② 进、出口温差的测量要保证一定精度,同时要保证温差与质量流率的测量同步并存储有关数据;而且系统的温度(差)波动较大,测点的确定、安装等实际问题较多,极难处理。

③ 即使能够实现对小流速换热流体与温差的同步测量,某一τ时刻的热流率可以用理论公式:

利用传统的测量方法完成上式的累计计量也是机极其困难的。

基于以上问题,要实现对热量的精确计量,只有充分发挥微型计算机的软、硬件结合优势,实现对小流量、小温差的测量以及数据的存储、计算、显示等一系列功能。本文充分发挥单片微机系统具有易开发、功能强、体积小、价格便宜等特点,开发了一套热量计量仪,实验证明 :该系统具有稳定性好、精度高、功能强、自动化程度高、易于维护保养等特点。

研究与开发

在热能工程及材料科学的研究和生产过程中对热量的测量一般采用间接法,该类仪表大多仅是对热流进行测量,目前工业化的产品有辐射式热流计、热阻式热流计等,该类仪表均需实验标定仪表常数,存在误差大,测量滞后等缺点,本文以热量理论计算式的离散化方程式为基础,充分利用MCS51单片机系统具有易开发,软硬件结合的优势,实现了热量的智能化计算,结合热量测量的难点,使该智能化仪表很好的实现了以下功能;

(1) 温差的测量,该功能由两级放大电路、A/D转换电路、有关采集软件完成。

(2) 小流量的测量,主要靠磁电感应元件将流量信号转化为标准频率信号,由MCS51单片机及有关采集软件,实现频率信号的累计计量。

(3) 热量的累计计算以及数据的存储功能,主要由软件和相应的寄存器来完成。

(4) 断电保护功能,系统由于外部断电,重要数据将被写入有关存储器并保存,系统自备电源将开始工作,并开始记录断电开始时间以及来电时间,来电后将自动将断电时间累加后存入外置RAM内存储。

(5) 显示功能,无论用户还是供暖公司均可通过仪表的显示功能了解有关数据信息。

(6) 清零功能,供暖周期结束时供暖公司可以对仪表进行清零,以便于管理。

为实现仪表的以上功能,系统硬件主要由以下模块组成 :由单片机MCS51为主附加外部晶振电路以及复位电路组成的基本模块、电源模块、放大及A/D转换模块、外置RAM及电压监控模块、外置时钟及流量测量模块、键盘及显示模块等,系统件组成见图1,其中各模块的组成以及主要实现的功能如下:

单片机MCS51为主组成的基本模块是该系统的核心部分,主要完成系统采集到的数据进行相关的处理,协调其他模块的工作,使整个系统步调一致的工作,选用的芯片是8051型单片机,具有5个内部中断,4K的ROM程序存储器,使用极为方便,外部晶振选用12HZ ,复位电路主要是为热量计运行管理方便而设计的,与键盘的功能复位键相连。

系统电源模块:主要完成向系统供5V标准直流工作电压,包括系统中单片机、运放、LCD显示以及A/D转换的工作电压以及标准比较电压等均由此电源提供,该电源的精密程度对整个系统的影响极大,主要由变压器、整流电路、稳压管和比较电路组成 ,该电源输出的电压由6.5位的KEITHLEY2000多功能表测量得到其输出范围可稳定在 :4.9999-5.0001V,其精度是极高的,作为基准电压对系统造成的误差可以忽略不计。

放大以及A/D转换模块:主要功能是完成对热电偶的信号进行放大并经A/D转换送入相应的寄存器,进行相关的计算。该模块的精度直接影响系统的测温精度,是产生温度测量误差的主要来源,因此放大器件的选择主要考虑其精密程度、抑制零漂能力、自校准情况等性能,在系统中选用的芯片是TLC40502,该芯片在调试过程中放大5000倍时起零漂而造成的误差不大于0.4℃。铜热电偶在0 ~ 100℃范围内热电势36 μV/ ℃,可以出由于 零漂而造成的误差不大于0.4℃。A/D转换器选用TLC0831,该芯片工作温度区间为0~70℃,属于8位串行控制模数转换器,易于和微处理器接口连接,该器件的分辨率及量化误差是影响温度测量精度的重要原因,以铜-康铜热电偶以及测量放大倍数可知由于分辨率及量化误差而引起的最大误差不大于0.2℃,因此由于放大以及A/D转换而引起的温度测量误差合计不大于0.6℃,相对于一般供暖系统的设计温差20℃而言,由于上述原因而引起的最大误差不大于3%,这一精度是比较高的。
[1] [2]

关键字:集中供暖  中央空调系统  热量计

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0806/article_7672.html
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