0 引言

　　节能减排肯定是我们国家近些年发展的一个最大的战略。我国现在热能的消耗占北方冬季能源消耗的 50%，可以看出无论是国家的能源政策，还是迫在眉捷的实际需求，我们都必须节能。而我国现行的供热收费制度是按面积收费，这种供热体制由于居民用户没有供热调节手段，用多用少一个样，所以节约用热积极性不高，其次，热力公司由于收费困难，技术创新和设备改造积极性也遭受挫折。因此我国供热水平一直处于较低水平，导致了我国热力资源的极大浪费。在这种背景下，国家相继提出了许多节能降耗计划，国家建设部已将热量计量收费列入《建筑节能“九五”计划和 2010 年规划》，提出居民供热体制改革，要依照多用多付，少用少付的原则，进行热计量收费。目前在中国市场的国外热量表技术成熟 , 标准化程度高 , 但是价格昂贵 . 我国对热量表的需求量大 , 因此 , 研制开发低成本、符合国际标准的热量表是大势所趋[1,2]。

　　1 热量计量原理

　　热量表测量系统框图如图 1 所示，系统由流量传感器、进口温度传感器、出口温度传感器及STC12C5410AD 单片机、LED 显示器等部件组成。热力公司供应的热水以较高的温度流入交换系统后以较低的温度流出，在此过程中，通过热量换向用户提供热量。一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上 , 给出表示温差的模拟信号;流量传感器安装在流体入口或回流管上，发出与流量成正比的脉冲信号;单片机采集来自 3 路传感器的信号，计算出热交换系统获得的热量。

　　传热量一般由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定。对热量表来说，进出口的焓值还与时间成比例。国内热量表一般采用焓差法计算热量。具体计算方法如公式(1)所示，详见CJ128—2007《热量表》[3]。

　　式中，Q—热交换系统释放或吸收的热量，J;

　　qm—流经热量表的水的质量，kg/h;

　　Δh—热交换系统中进口和出口温度下的比差，J/kg;t—时间;

　　ρ—流经热量表的水的密度，kg/m3;

　　qv—流经热量表的水的体积 ，m3/h。

　　2 流量传感器

　　流量传感器是热量表最主要的部件，也是最敏感的组件，本论文采用超声波流量计，超声波流量计的主要特点是：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失;能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量;对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资;量程比较宽，可达 5:1 ;输出与流量之间呈线性等优点。本文流量测量采用超声波频率差法流量计[4]，如图 2 所示。

　　图中，F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由 F1发射出第一个超声脉冲，被 F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使 F1发射第二个超声脉冲， ，F1的脉冲重复频率为 f1。紧接着，由 F2发射超声脉冲，F1为接收器，F2的脉冲重复频率为 f2。f1与f2的频率差 Δf 与被测流速 v 成正比。

　　式中，α—超声流束与流体的夹角;D—流体的横截面积;v—流体的流速

　　由公式(2)可得流体的流速计算公式为：

　　那么瞬时体积流量 q 为：

　　超声波频率差法，与声速无关，并且克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。

　　3 温度传感器

　　热量表的国家标准中对温度测量的要求很高，必须选用较为合适的温度传感器。热量表的温度传感器选用精度、稳定性、一致性更好的铂电阻，主要有 Pt100、Pt500、Pt1000，国外户用热量表采用的大多是 Pt100 或 Pt500 型铂电阻 , 而 Pt1000 铂薄膜电阻更适应中国的国情 , 在国产热量表中得到广泛应用。 Pt1000 具有结构简单、体积小、物理化学性能稳定、电阻温度系数分散性小、测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好、使用方便、不需冷端补偿、应用广泛等特点。在应用中严格进行配对，以保证入水口和出水口测温传感器的一致性[5]。温度采集电路图如图 3 所示。

　　图 3 中 U7、C1、C2、Q1、R12、R13，组成电源电路，Q1用于控制电源开关，为了降低的功耗，在不需要转换时，可以关闭采集电路的电源;U7是高精度电源芯片，选用超低功耗、高精度的基准电芯片 LT6656-3。R1、R2、RPT1、R3组成桥式测量电路，RPT1为温度传感器 Pt1000，用于检测水的温度;R3是可变电阻，用于 0℃时的校准，校准后 R3是固定电阻。R11、C3组成低通抗混叠滤波器，可以减少带外噪声;U1、U2、U3三个运算放大器组成典型的三运放仪表放大器，可以放大桥式电路的微弱输出信号，选用 CMOS 运算放大器SGM8521。热量表中温度测量单元的检测温度为 0 ～ 100℃，经信号调理电路处理后对应的输出电压 0 ～ 2. 977 9 V。

　　由于 PT1000 的分度表过于庞大，进行查表运算时要占用系统较大的存储空间，且每次查找时要花费相当长的时间，系统利用最小二乘法对系统进行了优化，得到了如下公式(5)所示温度——电压的关系式。

　　式中，u 为测量得到的电压值，V;t 为电压对应的温度值，℃。

　　这样用一个简单的多项式就可以利用采集到的电压值直接计算出对应的温度值，避免了复杂的查表和插值计算，有利于系统的低功耗。

　　4 STC12C5410AD微控制器

　　传统热量表常采用 MSP430 系列单片机，其测量精度要求较高时，必须使用复杂的调理电路、高位数的 A/D 转换器，使系统成本居高不下，难以普及使用。本论文采用 STC 系列新一代单片机 STC12C5410AD，它是宏晶科技生产的高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，是目前芯谷科技在宏晶系列单片机技术攻关研究中已经取得全线突破的典型优势解密系列。STC12C5410AD 的指令代码完全兼容传统的 8051，但速度快 8-12 倍，带自校准 A/D 转换器，带有差分输入和高达 16 位的分辨率，可每秒采样 8、16、32 或 128 次，并且在单周期转换方式中的一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。比较因此，可减少信号调理环节和显示环节的扩展，简化系统结构，降低系统功耗。

　　5 结束语

　　当今世界能源危机日益加剧，世界各国都从各个方面不同程度地进行节能减排。据统计，按热计量进行供暖收费可以有效推动节能行为，总体可节约 20% 以上，因此作为能量计量手段之一的热量表，其计量原理和方法的科学性及其计量精度愈发重要。随着电子技术的迅速发展，各种集成芯片产品越来越多，超声波热量表的性能来越完善，而价格也随之大幅下降，这些都将为各种超声波热量表的发展提供十分有力的硬件环境，使热量的分户计量能方便的推广使用。