熱量表的流量自動標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熱量表的流量自動標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　引言

　　集中供熱分戶計(jì)量方式是一種節(jié)能環(huán)保的供暖計(jì)量體系。根據(jù)中國國家發(fā)改委于08年8月份發(fā)布的《城市供熱價(jià)格管理暫行辦法》的規(guī)劃，我國的供熱計(jì)量方式將逐步由按面積計(jì)費(fèi)方式過度到分戶計(jì)費(fèi)方式。熱量表是實(shí)現(xiàn)供熱分戶計(jì)費(fèi)的重要手段，它通過測量流體的流速與進(jìn)回水的溫差實(shí)現(xiàn)對用戶實(shí)際供熱量的計(jì)量。其計(jì)算公式如下：

　　式中，Q表示熱量表釋放或吸收的熱量，qm表示流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量，qv表示流經(jīng)熱量表的水的體積流量，ρ表示水的密度，△h表示水的焓值差，焓值等于溫度與定壓比熱容的乘積，t表示時(shí)間。通過式(1)可以看出熱量表的流量測量精度是重要指標(biāo)，直接影響供熱計(jì)量的準(zhǔn)確性，因此每只熱量表在出廠前均需要按規(guī)定進(jìn)行流量標(biāo)定。目前國內(nèi)多數(shù)熱量表生產(chǎn)廠家熱量表標(biāo)定裝置的流速調(diào)節(jié)裝置采用手動方式，操作復(fù)雜，流量修正系數(shù)的寫入需要人工操作，易出現(xiàn)人為失誤。計(jì)量局的熱量表標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置采用整體檢定的方法，該方法精度高，但檢測成本高且效率較低，不適合作為生產(chǎn)設(shè)備，多用于熱量表的定型檢定。為提高熱量表標(biāo)定的自動化程度與標(biāo)定效率，設(shè)計(jì)了一種熱量表的流量自動標(biāo)定系統(tǒng)，采用MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)標(biāo)定過程的自動控制，采用高精度和低成本的稱重法得到系統(tǒng)中流體標(biāo)準(zhǔn)流量，可同時(shí)對多達(dá)12只熱量表進(jìn)行自動標(biāo)定。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)測試系統(tǒng)，標(biāo)定用的流體可以循環(huán)利用以節(jié)約成本。如圖1所示，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、以MSP430F149為主控芯片的控制單元、電子秤、流量調(diào)節(jié)閥、恒溫水箱、穩(wěn)壓罐、儲水罐、電磁閥、水泵等組成。待標(biāo)定的熱量表串聯(lián)在同一直管路中，通過光電收發(fā)接口與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)批量熱量表的自動檢測與修正系數(shù)的自動寫入?？沙炭氐牧髁空{(diào)節(jié)閥用于流量的自動控制。電子秤與儲水罐用于稱量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量，恒溫水箱、水泵及穩(wěn)壓罐用于提供標(biāo)定用的流體。為貼近熱量表的現(xiàn)場工作條件，恒溫水槽控制標(biāo)定用的流體溫度在50℃左右，同時(shí)，為管道增加了相應(yīng)保溫措施以減少循環(huán)管道的散熱。

　　熱量表的流量標(biāo)定過程由上位機(jī)通過控制單元全程自動控制。由于管道內(nèi)的氣泡會對流量計(jì)量帶來誤差，測試開始時(shí)由控制單元啟動電磁閥開始排氣過程。排氣結(jié)束后，開始流量標(biāo)定。對每個(gè)流量點(diǎn)，等待電子秤讀數(shù)穩(wěn)定后由控制單元從電子秤自動讀取數(shù)據(jù)，從而換算得到流量Q0。同時(shí)控制單元采集熱量表的數(shù)據(jù)Q1，由此計(jì)算出每塊熱量表在該流量點(diǎn)的修正系數(shù)C=Q0/Q1。對由中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定的5個(gè)流量點(diǎn)依次測試，完成一輪標(biāo)定。整個(gè)標(biāo)定過程完成后，控制單元將修正系數(shù)自動寫入到相應(yīng)熱量表中，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)判斷熱量表合格與否。

　　該標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)流量是由電子秤稱重來確定的，因此電子秤量程范圍既要滿足最小流量時(shí)的稱量又要滿足最大流量時(shí)的稱量，其測量精度直接影響到熱量表的精度。因?yàn)槭茄h(huán)系統(tǒng)，容器體積為最大流量點(diǎn)所需要流體體積的2倍，恒溫水箱體積是最大流量點(diǎn)所需要流體體積的3倍即可滿足要求。為保證流經(jīng)熱量表的流體流態(tài)穩(wěn)定，待檢定的熱量表上游段的直管段應(yīng)滿足5倍管徑以上，下游段的直管段應(yīng)滿足3倍管徑以上。串聯(lián)熱量表個(gè)數(shù)不宜過多，太多不但占地面積大，而且會使整個(gè)循環(huán)管路中壓差過大影響標(biāo)定結(jié)果，本系統(tǒng)中最多串聯(lián)12塊熱量表。水泵運(yùn)行過程中循環(huán)管道流體常有脈動現(xiàn)象，這將對熱量表的流量計(jì)量引入誤差，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在水泵的后端加裝穩(wěn)壓罐避免脈動沖擊。此外，循環(huán)管路設(shè)計(jì)時(shí)配置一段透明管道便于操作者觀察流體是否有氣泡，若排氣過程中觀察到已無氣泡，可人工提前停止排氣;若標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)有氣泡現(xiàn)象，可以通過停止按鈕結(jié)束本次測試重新進(jìn)行標(biāo)定。對熱量表流量的自動標(biāo)定過程由控制單元和上位機(jī)軟件配合完成。

　　系統(tǒng)控制單元

　　本系統(tǒng)的控制單元框圖如圖2所示，主要由鍵盤電路、溫控電路、電磁閥控制電路、光電收發(fā)接口電路、通信接口電路、聲光指示電路組成。采用MSP430F149單片機(jī)為控制核心，外接6MHz晶振。

　　控制單元內(nèi)部單片機(jī)的供電為3.3V，其他芯片和模擬器件的供電在3V到10V之間?？刂茊卧?a target="_blank">電源輸入是由外部開關(guān)電源提供的。在生產(chǎn)現(xiàn)場，開關(guān)電源與水泵電機(jī)共用一路交流電，水泵在運(yùn)行過程中會引起開關(guān)電源的輸出波動，若不采取防浪涌措施勢必會影響到單片機(jī)的正常工作。根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源模塊如圖3所示。電感L1起防浪涌保護(hù)作用;輸入電壓經(jīng)開關(guān)電源芯片MC34063后輸出12V電壓，然后通過兩個(gè)NCP1117ST33穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生兩路3.3V電源分別給單片機(jī)和光電接收電路供電。

　　為實(shí)現(xiàn)恒溫水箱的溫度控制需要采集恒溫水箱的溫度。采用鉑電阻PT1000溫度傳感器測量水溫。本系統(tǒng)溫度采集電路采樣恒流驅(qū)動模式，如圖4所示。為避免PT1000傳感器長期工作的情況下自熱而影響到測溫精度，設(shè)計(jì)恒流源的輸出電流在5mA以內(nèi)。圖4中左邊的運(yùn)放組成恒流源電路。右邊的運(yùn)放組成差分放大器以增加共模抑制比，電壓放大倍數(shù)為R17/R16(其中R15=R17，R14=R16)。

　　系統(tǒng)軟件

　　單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電以后首先進(jìn)行單片機(jī)初始化設(shè)置，主要包括定時(shí)器、串口通信模塊和基本輸入輸出口的工作模式選擇與相關(guān)變量的初始化，初始化完畢后通過串行通信接口讀取上位機(jī)傳輸?shù)牧髁奎c(diǎn)個(gè)數(shù)、流量點(diǎn)流速與測試時(shí)間數(shù)據(jù)并將其保存至外部存儲器中，以便系統(tǒng)脫離上位機(jī)啟動，數(shù)據(jù)存儲完畢后控制單元首先測試待檢測熱量表的通信是否正常，若有沒通信不上的熱量表控制單元將詳細(xì)信息上傳至上位機(jī)，并由用戶決定標(biāo)定工作是否繼續(xù)。整個(gè)標(biāo)定過程完成以后控制單元將不同流量點(diǎn)的流量修正系數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間寫入相應(yīng)熱量表，然后上傳至上位機(jī)。上位機(jī)判斷熱量表是否合格并將標(biāo)定的詳細(xì)信息顯示于工作界面。

　　由于光電接口在強(qiáng)光下通信會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，為了避免死鎖現(xiàn)象做了如下處理：控制單元在標(biāo)定過程中一旦發(fā)現(xiàn)通信有問題的熱量表，立即通知上位機(jī)，通過人機(jī)界面詢問用戶是否繼續(xù)測試，若用戶選擇繼續(xù)測試，控制單元將不再讀取有問題的熱量表。

上位機(jī)軟件

　　上位機(jī)軟件采用MFC(微軟的基礎(chǔ)類庫)的編程方法，充分利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)，MFC類庫中各種對象的強(qiáng)大功能足以完成程序中大部分所需要的功能。軟件操作界面如圖5所示。通過界面中的設(shè)置選項(xiàng)可以設(shè)定標(biāo)定的流量點(diǎn)個(gè)數(shù)、流量點(diǎn)流速和不同流量點(diǎn)的具體標(biāo)定時(shí)間。

　　用戶用上位機(jī)啟動標(biāo)定過程后，上位機(jī)軟件通過RS-232接口將標(biāo)定信息傳輸給控制單元，控制單元負(fù)責(zé)標(biāo)定過程的自動控制，標(biāo)定完畢再通過RS232接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

　　系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與分析

　　采用本系統(tǒng)對大連瑞工微電子公司生產(chǎn)的熱量表進(jìn)行了標(biāo)定。根據(jù)中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定，檢定的5個(gè)流量點(diǎn)q1-q5的選擇應(yīng)為：qmin≤q1≤1.1qmin，0.1qp≤q2≤0.11qp，0.3qp≤q3≤0.31qp，0.9qp≤q4≤1.0qp，0.9qmax≤q5≤1.0qmax，其中qmin為熱量表流量測量下限，qp為熱量表標(biāo)稱流量，qmax為熱量表流量測量上限。表1為本系統(tǒng)在大連瑞工微電子生產(chǎn)現(xiàn)場隨機(jī)抽取的10塊熱量表的標(biāo)定結(jié)果。根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定，III級熱量表的精度為3%?，F(xiàn)場標(biāo)定中，取相鄰流量點(diǎn)修正系數(shù)超過3%視為不合格。熱量表3在流量點(diǎn)4和5的修正系數(shù)不滿足要求，熱量表6在流量點(diǎn)1和2的修正系數(shù)不滿足要求，其余熱量表均合格。

　　為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果，將這10塊熱量表送至大連市計(jì)量局進(jìn)行了檢定，結(jié)果如表2所示。對比表1和表2可以看出，用本系統(tǒng)對熱量表的標(biāo)定結(jié)果與計(jì)量局熱量表標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置的檢定結(jié)果完全吻合。

　　結(jié)語

　　鑒于傳統(tǒng)的熱量表標(biāo)定裝置大都為手動系統(tǒng)，操作繁瑣，標(biāo)定時(shí)間長，且容易引入人為失誤的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套熱量表流量自動標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)在整個(gè)標(biāo)定過程中無需人為干涉自動完成，標(biāo)定時(shí)間短，只需30分鐘左右，流量修正系數(shù)與相關(guān)信息的寫入也是自動完成，避免了不必要的人為失誤。

　　該系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用于大連瑞工微電子公司，經(jīng)1年多的生產(chǎn)驗(yàn)證，該熱量表流量自動標(biāo)定系統(tǒng)檢測結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位的檢測結(jié)果完全一致。該系統(tǒng)具備效率高、成本低、節(jié)能、安全可靠、操作方便、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。它的開發(fā)滿足了熱量表生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品進(jìn)行批量自動標(biāo)定的需要，能極大的提高勞動生產(chǎn)率。