一种新型智能热量表的设计

杨宇博

（天津市特种设备监督检验技术研究院， 天津 300000）

引言

长久以来，民用供热采暖的计量问题一直无法解决，尤其近年来居民应交采暖费收取不力，供热单位经营亏损，成为亟待解决的问题。同时，在石油、化工、供水、供热等工业管网的流量、热量计量中，也存在很多无法或不宜用交流电源供电的场合。因此，采用电池供电的低功耗、高精度、具有计量数字化、智能化及远距离采集与控制功能的新型计量仪表产品已成为市场急需解决的问题。市场现有产品存在的计量精度不能真正达到使用要求；功耗过大；成本价格过高等不足与缺陷。因此设计一种民用型新型组合式智能热量表。基本功能与精度要求如下：

该仪表应采用5 号高能碱性电池供电（3 V），至少能维持正常工作5 年以上，采用锂电池可使用7 年以上。该仪表计量热功率累计误差应小于等于±1.5%。

计量显示数据应包括瞬时流量m3/h，瞬时功率MW/h，累计功率MW/h，供水温度℃，回水温度℃，30d分段累计功率MW/h，年累计功率MW/h。

流量测量范围：≤4 m3/h；温度测量范围：0～100 ℃。

1 总体设计

1.1 测量原理

本智能热力仪表的测量原理由两个铠装铂热电阻（PT1000）分别测量管路入口和出口温度（t1、t2）；由涡轮流量传感器测量管路流量（Q），入口和出口温度（t1、t2）经A/D 转换后按式（1）计算管路瞬时热功率（P）消耗，经累加后得到累计热功率消耗。

式中：Q 为释放的热量，W/h；ρ 为水的密度，kg/m3；qv为水的体积流量，m3/h；Δh 为在管路中出入口的温度下水的焓值差，J/kg；τ 为时间，h。

1.2 敏感器件的选择

1.2.1 流量检测器件

市场上现有流量传感器主要分为叶片式与电磁式两大类。其中叶片式流量传感器检测精度较低（误差＞2%）；一般电磁式流量传感器也存在精度不足、线性度不好、价格高等缺陷。涡轮流量传感器具有精度较高（误差可在±0.5%内）、线性度好、价格低等优点，可采用涡轮流量传感器作为流量检测器件。

1.2.2 温度检测器件

工业和民用常用温度检测分接触测量与非接触测量两大类。器件主要有热电偶、半导体热敏电阻、热电阻、磁式温度传感器、电容式温度传感器、光纤温度传感器等。其中，热电偶主要用于大于500 ℃场合；半导体热敏电阻属于非线性元件；电容式与光纤温度传感器属于非接触测量器件；磁式温度传感器用于民用场合体积过大，而且信号处理困难；而热电阻（尤其是铂热电阻）由于其具有很好的稳定性（见铂热电阻温阻特性表）和测量精度（测量误差≤±3‰），主要将其用于高精度的温度测量和标准测温器件，可采用铠装铂热电阻作为本智能供热计量仪表的测温敏感元件。

1.3 控制器件的选择

智能仪表常用控制器件目前主要是采用MCS－51 系列单片机。但是这一系列的单片机其功能较少、功耗的指标不能满足要求，为此，经广泛调研后，选择了美国TI（Texas Instrumens，德州仪器）公司MSP430 系列单片机作为智能供热计量仪表的主控器件。

该系列单片机主要特性如下页表1 所示。

表1 系列单片机主要特性

MSP430 系列单片机除以上特性外，其关键特性主要有以下几方面：

1）超低电流消耗：3 V 供电状态下最大电流消耗为400 μA，低功耗模式4 状态下最低电流消耗为0.1 μA。

2）可在电压降至2.5 V 情况下工作。

3）系统内置：LCD 驱动、14～16 位A/D 转换、I/O端口、看门狗、UART、定时器、EPROM等模块。

4）正交指令组简化了程序：所有指令可以用所有寻址模式。

综上，MSP430 系列单片机满足了全部要求，尤其是它的超低功耗、内置LCD 驱动电路、多达14～16位的内置A/D 转换、16 位指令系统及高抗干扰性能更是极好地解决了智能仪表的基本要求，此外这一系列单片机的价格也是相对经济的，所以应该说MSP430 系列单片机作为智能供热计量仪表的主控件应是最好的选择。

1.4 显示器件的选择

由于主要控制器件采用了具有内置LCD 驱动的MSP430 系列单片机，因此采用宽屏液晶显示就已成为必然的选择。同时，专门设计的液晶显示屏也为抄表人员的工作及用户的监督提供了极大的方便和透明度。图1 为液晶显示屏。

图1 液晶显示屏

2 基本电路原理

图2 为本设计的基本电路原理图。由于A/D 转换和LCD 驱动均在MSP430-325 单片机内部，因此电路结构可以大大简化，也很好地实现了低功耗的设计思想。REXT 电阻箱构成了A/D 转换的恒流源，通过微调恒流源电阻，可在14 位A/D 转换基础上实现16位A/D 转换，从而大大提高了A/D 转换精度。EEPROM中存储了各传感器的参数及测量数据结果。通过按键可显示各种测量数据及更换电

图2 基本电路原理图

池操作显示。此外本电路设计还为今后数据传输提供了串行接口。由于MSP430 系列单片机提供了低功耗工作模式，所以还可以通过软件控制单片机的工作模式来有效地降低电路的功率消耗。

3 程序设计

图3 所示为该智能供热计量表的程序功能框图。

图3 智能供热计量表的程序功能框图

1）尽可能充分利用MSP430 单片机提供的各种低功耗工作模式，使该智能测量仪表除供热期外尽可能处于最低功耗的状态。

2）在供热期工作期间，除抄表操作外也尽可能使控制电路工作在低功耗模式。

3）尽可能减少抄表员操作的复杂性。

4）在数据处理和功率计算程序中采用查表插值补偿的方法、多次测量求均值的方法、与基准误差曲线比较并针对其相对误差进行补偿的方法等多种方法以减少测量误差。

5）配合硬件电路，通过微调恒流源电阻，在14 位A/D 转换基础上实现了16 位A/D 转换，以减少因A/D 转换精度造成的误差的影响。

6）控制程序中预留了串行通讯程序，以便今后可以容易的实现计算机联网管理。

7）程序设计中设置了10 年内每个月（30 d/月）及每年（180 d/ 年）的累计热功率统计功能，以便核查。

8）程序中设计了数据保护功能，以防止在供热期内因更换电池造成数据丢失的可能。

4 结语

智能热功率测量仪表对精确热功率计量提供一种低功耗、高精度的新型计量手段、为使用者能自行控制自身的热能使用量提供了一种较好的测量装置。