介绍智能热量表的组成，并对其5个关键技术:智能卡技术、流量计量技术、温度采集技术、控制器技术和电控阀技术进行论述。调查分析我国智能热量表行业及技术的发展情况，并对智能热量表的发展趋势进行预测。

　　1 智能热量表的组成

　　智能热量表是采用智能卡技术，通过智能卡进行数据传递，完成供热系统预付费管理的热量测量仪表。为了实现预付费管理功能，它有一个电控制阀，根据用户付费的情况来控制水流的开关。其主要由流量计、温度传感器、电控阀及智能控制器、智能卡读写系统等组成，如图 1 所示。目前一般都把智能控制器、流量计及电控阀等做成一体结构，构成智能热量表。

　　流量计是用于测量流经换热系统的热水流量大小。温度传感器一般有两个，用以测量热水进水温度和回水温度。智能控制器，根据流量计与温度传感器提供的流量和温度信号计算供暖系统消耗的热量和其它统计参数，显示记录输出，并根据用户付费情况控制电控阀的开启。

　　安装时把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, 流量计安装在流体入口或回流管上, 流量计安装的位置不同时, 测量的结果会有所不同, 一对温度传感器给出表示温差的模拟信号。在供热用户中安装热量表，当热水流经供热用户时，根据流量传感器给出的流量和配对温度传感器给出的供回水温度，以及热水流经的时间，通过控制器的计算即可得到并显示供热用户所吸收的热量。

　　2 智能热量表的关键技术

　　智能热量表的主要作用之一是解决城市供暖中长期以来收费难的问题。智能热量表必须在一个完整的系统中才能正常工作。智能热量表系统是一个包括智能卡热量表及销售管理软件的系统，主要由：智能热量表、智能卡、读写器、销售管理软件组成。智能热量表是整个系统的核心。智能卡的主要功能是记录用户从银行或供暖管理单位购买的水量信息，传给智能热量表。读写器主要是完成智能卡的读写操作及与计算机的通信功能。销售管理软件是记录用户购热量信息，完成计算机与读写器通信等功能的软件。智能热量表又可细分为：智能卡座、电控板、电池、液晶显示屏、流量计、电控阀及温度传感器等，关键技术主要为：智能卡技术、流量计量技术、温度采集技术、控制器技术和电控阀技术 5 个部分。

　　2.1 智能卡技术

　　智能卡作为智能热量表中的信息传媒，决定了智能热量表的数据传输形式，在智能热量表技术中起重要作用。智能卡的关键技术主要包括数据安全方面的数据加密解密技术和读写性能的稳定可靠方面的技术。目前加密方法常常是生产厂家通过设定特定密码来达到，这种情况的缺点是一旦厂方的密码泄露将给用热管理单位带来不可挽回的损失。只有用热管理单位设定密码才是最安全的，这就需要采用密码技术。通常的加密方法是输入的特定数通过某种算法产生密码，加密算法越复杂安全性越好，但实现的难度就越大。因为算法越复杂读写卡的时间就越长，这样读写的可靠性就越差，所以如何确定和实现特定的加密是智能卡关键技术之一。另外智能卡的性能还直接与智能卡的芯片结构及质量，以及读写卡设备和性能有直接关系。这也是智能卡的关键技术之一。

　　目前智能卡常有：接触式 IC 卡、非接触式 IC 卡(RF 卡)及 TM 卡等。接触式存储器卡采用存储器芯片作为卡芯，只有“硬件”组成，包括数据存储器和安全逻辑控制等;接触式 CPU 卡采用微处理器芯片作为卡芯，由硬件和软件共同组成，包括硬件单片机(微处理器)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)，软件 IC 卡监控程序或操作系统 COS(IC CardOperating System)等。它通过内部 CPU 运算加密算法，可使加密算法比较复杂，大大提高卡的安全性。

　　非接触式 IC 卡，简称射频卡，是采用无线电波进行数据交换的，因此热量表电子控制系统可以进行完全密封，防水性能最好，读写方便可靠性高。但是射频卡本身没有电池，需要设备首先产生电磁辐射，通过感应电为 RF 卡提供能源，待 RF 工作后，通过高频电波与设备交换信息，所以它的功耗较大，并且产品成本也较高。TM 卡实际上也是一种 IC(集成电路)卡，只不过一般 IC 卡是 5 线卡或 6 线卡，并且是标准封装，而 TM 卡是一线卡，采取特殊封装方式。它与设备直接接触，所以读写端口一般是暴露的，比 IC 卡的卡口更容易遭到外界施加电压的干扰，因此说 TM 卡虽然携带方便(可以做成钥匙状)，但其安全性能(数据安全和设备安全)要比 IC 卡产品安全性能更差。这3 种卡在热量表方面都有应用，但非接触式 IC 卡的应用有逐年增加的趋势。

　　2.2 智能热量表的流量计量技术

　　用于热量表的流量计按原理划分为：机械流速式、超声波式、电磁式流量计等。

　　(1)机械式流量计

　　流量计的运动部件为旋翼或叶轮，旋翼转动速度与流经的流量成线性关系。这种流量计的应用较为普遍，压损较小、拆卸维护方便，量程较宽，启动流速低，但需要过滤水质，防止转动部件阻塞。

　　(2)超声波流量计

　　超声波流量计的原理在于测量高频声波在水流中的穿行时间，由于声波的波速直接收水流速度的影响，管道中的水流速度可通过与声波波速的函数关系计算。声波是通过压电晶体发射和接收的，通过测量发射和接收的时间便可计算出声波波速。因超声波流量传感器的测量腔体内部没有任何可动部件，所以对介质的成份或杂质含量没有要求。其使用寿命长，但其结构较为复杂、价格较贵。

　　(3)电磁式流量计

　　该流量计是根据法拉第电磁感应原理制成，当导体在磁场中运动时会在导体两端产生可测量的电信号。在将水流作为导体的前提下，水流速度可根据测量端口间的电压计算得出。这种流量计具有较高的量程比，特别适应于变流量系统，并且有很好的测量精度。但另一方面，它要求水流的导电性足够强。电磁式流量计比机械式的精确度高、压损小，价格较机械式的贵，工作中需要外部电源，这一特点影响了它的可靠性，而且电磁式流量计对仪表安装位置要求较高，必须水

　　平安装，还要有较长的直管段，这一点带来了安装、拆卸和维护的不便。目前常用的流量计为机械式和超声波式流量计。机械式流量计常有：旋翼式热量表和螺翼式热量表。旋翼式热量表是一种速度式热量表，它是利用供暖流推动它的旋翼，带动提示盘转动以记录供暖量;它的特点是结构简单，测量范围宽，灵敏度高，外形尺寸小，精确度已被广大用户接受，是目前普遍使用的一种热量表。螺翼式热量表也是一种速度式热量表，它的螺翼与水流成轴流式结构，它适用于大口径工业上的供暖计量。

　　对于机械式流量计流量数据采集传感器的常用种类有：

　　(1)光电传感器：属于非接触传感器，可以进行隔离和密封，但是光电器件的电流消耗大，不适合以电池为动力的预付费热量表作为计量信号的采集。

　　(2)霍尔传感器：属于磁性传感器，其原理是磁铁与磁敏半导体器件相互作用产生脉冲输出的。为抵抗干扰，半导体输出端增加比较器，因此消耗电流较大，一般不宜作为预付费热量表计量信号的数据采集。

　　(3)干簧传感器：是比较常用的计量信号采集方法，利用干簧管与磁铁相互作用的原理，因此会受到外界磁场干扰。目前众多厂家都是采用双干簧管结构来防强磁攻击。

　　(4)机械传感器：可以抵抗外界磁场、电场、外力的人为干扰，还不消耗能量，但防水问题及机械结构的疲劳寿命难解决。

　　(5)超声波流量计应用还比较少，主要技术是近年来从国外引进的。从理论上看它能比较好地解决机械式流量计部件受热变形、运动磨损及脏堵问题。但它的探头安装在管道中，一方面扰乱了流场的分布，另一方面测量的流体流速不具整个流束截面的代表性。它的价格比较高，另外它的性能是否适应国情还有待考证。

　　2.3 智能热量表的温度采集技术

　　温度采集是通过温度传感器及相应的放大电路，来实现温度信号与电信号的转换。目前热量表中常用的温度传感器有铂电阻和热敏电阻两种形式。金属或半导体的电阻随着温度变化而变化，测出其电阻值，就可以得出与之对应的温度值。几乎所有金属与半导体都有随温度变化而阻值变化的性质，作为测温元件必须满足下列条件：电阻温度系数 应比较大， 值越大，热电阻灵敏度越高， 值与材料含杂质成分有关，与制造工艺(如拉伸时的内应力大小)有关;复现性要好，复制性强，互换性好;电阻率大，这样，同样的电阻值，体积较小，因而热惯性也较小;价格便宜，工艺性好。

　　铂电阻温度计：常用的金属热电阻有铂电阻、铜电阻、镍和锰电阻等。铂电阻性质稳定，在 259~961℃的温度范围内被规定为基准温度计。在 0~850℃范围内，铂电阻与温度关系可近似为下式：

　　式中：

　　A、B 为常数由实验求得; 为温度(℃);

　　R 、R0分别为 ℃、0℃时的电阻值。

　　半导体热敏电阻温度计：半导体热敏电阻温度计通常用来测量 100~300℃之间的温度，与金属热电阻比较，有较大的负温度系统，因此，配用的二次仪表简单，灵敏度高，它的电阻比很大，因传感器体积小，结构简单，可以测量点温度和动态温度，连接导线引起的误差可忽略。大多数热敏电阻，其电阻与温度的关系可以近似用下式表示：

　　式中：

　　R 、R0分别为 T (K)、T0(K)时的电阻值，B 为常数，与半导体的成分、制造方法有关。

　　但热敏电阻测温范围较窄，温度与电阻变化呈非线性，必须进行线性化处理，制造时的性能不稳定，给互换、调节、使用、维修带来困难。

　　比较热敏电阻、铂电阻的优点，铂电阻的优点是测量准确、阻值漂移小，因此一般的热量表采用的是成对的铂电阻作温度传感器，通常有 PT100、PT500 及PT1000 型(即在 0 时，电阻值)。其中 PT100 的灵敏度高，PT1000 的抑制干扰能力较强。测量方法可以分为 2 线制和 4 线补偿式，2 线制测量会因电阻而带来额外的误差。为了将误差控制在一定范围内，出厂前应对电缆的长度与粗细进行严格的控制与标定，或者采用 4 线制测量电阻方式避免电缆造成的测量误差。

　　2.4 智能热量表的电控阀门

　　智能热量表的阀门无疑是智能热量表部件中最为重要的一个部件，阀门的好坏直接关系到预收费能否实现。智能热量表要求阀门压力损失小、体积小、功耗低。在 90 年代初由于人们对阀门认识不深，很多厂家采用结构复杂的电磁阀。但此类阀门抗外界敲击能力较差，且压损大，虽然功率消耗小、体积小，但一次驱动电流需要很大，不采用电荷泵技术就不能使用锂离子电池，并且这种阀门的长期工作的可靠性差，常常用不多久就损坏，给厂家带来很大损失。现电磁阀已普遍被电动阀代替。

　　目前市场上的热量表采用的控制阀主要分为 3类：电控球阀、电动陶瓷阀、电动先导阀。

　　(1)电控球阀：采用小功率电机通过减速直接驱动的球阀开闭。它的优点是结构相对简单，水阻小，但球阀的球环加工精度要求高。缺点是，使用一段时间后存在由于水垢或微颗粒等使转动阻力增大的可能。目前众多厂家是采用每月定时开关阀门几次来解决此问题。

　　(2)电控陶瓷阀：工作原理与球阀类似，只是阀门是平面结构。

　　(3)电动先导阀：它是通过小功率电机带动磁柱运动先打开先导孔，通过有压力的水进入先导孔，利用水压打开阀门，所以一般它的功耗要小一些。但目前它的结构比较复杂，加工成本要高一些，并且由于先导孔比较小，容易堵塞。

　　目前一种浮动式球阀，由于开关阀的功耗较小，球阀无预紧力，压力转移到了聚四氟乙烯阀垫上，从而达到了既保证密封又能轻松开关阀的目的，这种球阀被普遍采用。在现有热量表厂家中采用电动陶瓷阀的有 2 家，采用电动先导阀的有 4 家，其它的厂家都采用电动球阀。

　　2.5 智能热量表的控制器技术

　　智能热量表的控制器技术是智能热量表最核心，也是最复杂的技术。它的主要工作是电路板的设计及硬件编程。控制器的好坏直接影响热量表的性能。智能热量表的控制器主要由：CPU(单片机)、LCD 显示模块、IC 卡接口、流量计量模块、温度计量模块、电动阀控制开关、电源模块、时钟等组成，如图 2 所示。对于接触式 IC 卡热量表和非接触式 IC 卡热量表，控制电路主要不同在 IC 卡接口上，接触式 IC 卡热量表采用卡座，非接触式 IC 卡热量表采用接收线圈加专用接收模块，TM 卡采用专用解码模块。

　　流量计量模块：机电式，从机械式仪表的计度器圆盘采样，将计度器圆盘的转动转换为电脉冲信号，送入单片机。

　　温度计量模块：把温度传感器的信号经过放大处理变成电信号送 CPU。

　　LCD 显示模块：用来显示热量计量数据和工作状态。一般采用 LCD 液晶显示。

　　时钟：用来记录时钟和日历，协助微控制器完成多种费率的计量以及按日、周、 月的数据统计。

　　IC 卡接口：用于 IC 卡表与 IC 卡片进行数据交换和安全认证工作。

　　IC 卡接口：用于 IC 卡表与 IC 卡片进行数据交换和安全认证工作。

　　电动阀控制：用于控制用户的热水供应的开关，可由 IC 卡表输出控制信号对其进行闭合或断开操作。一般微处理器输出的控制信号很弱，不能直接驱动电动阀门，需由阀门驱动电路将微处理器输出的控制信号放大，并驱动电动阀门。

　　电源模块：用于向 IC 卡表提供电源供应。

　　目前智能热量表的电路板向小型化、低功耗、抗干扰、低成本、实用功能方向发展。在电路板上由贴面件取代插接件，采用机器自动焊接取代手工焊，使部件更小、性能更稳定、成本更低。在对单片机的选择趋向于容量适中、功能丰富、性能可靠、价格低的元件。在电路板的设计上淘汰了电光、蜂鸣报警而采用更实用的关阀报警。智能热量表的显示一般采用LCD显示而不用 LED，这是因为 LCD 功耗小，更加精巧美观。智能热量表的电池，正逐渐采用高容量的锂锰电池，其特点是容量大，可以密封在产品中，并且不产生晶阻。

　　3 智能热量表技术发展及趋势

　　3.1 热量表技术的发展情况

　　目前热量表的生产行业有 50 多家，但真正能生产智能热量表的企业不到 20 家。在这些企业中只有几家是引进国外技术生产的。大多数企业是从生产智能电表、水表发展到生产热量表。热量表的技术很多是从智能水表技术发展过来的，如流量计量大多是采用热水表的计量部件，电控阀门与智能水表相同。这些企业的产品各具特色，质量参差不齐。有的精度高，质量稳定;有的除了具有热计量功能外，同时具有锁闭功能;有的体积小，结构紧凑，抗污能力强。

　　在智能热量表的发展中，最先在上世纪 90 年代初推出了接触式 IC 卡，那时的 IC 卡卡口较宽、是加密性较差的存储器卡，其抗攻击能力较差。特别是受到当时舆论的攻击后，其应用一度受阻。1997 年第一个代码预付热量表产生。1998 年第一个 RF 卡热量表研究成功。1999 年新一代的接触式 IC 卡热量表(采用的是逻辑加密卡)及 CPU 卡热量表被研制出。2000 年TM 卡热量表产生了。在这些厂家中有 1 家是采用代码付费热量表，有 2 家采用 TM 卡热量表，有 6 家是采用RF 卡热量表，其余的是采用接触式逻辑加密 IC 卡热量表。

　　最初的智能热量表是采用霍尔传感器采集信号的，但由于其体积及功耗较大而被干簧管传感器取代。直到 1998 年智能热量表才有性能比较稳定的双干簧管加磁钢的发讯装置产生。目前智能卡热量表生产厂家中普遍采用的就是这种装置，只有 1 家采用机械传感器结构。大多数厂家采用干式热量表，少数采用湿式热量表。流量计采用多束旋翼式基表(与普通水表相同)，由于受热后旋翼材料结水垢变形，会影响计量精度, 喷涂一层具有防垢、耐磨、耐高温的 S—型系列悬浮涂料，可显著减少结垢，提高计量精度。在入水口安装不锈钢网进行过滤，以防水中杂质进入。

　　控制阀：先导式隔膜阀易堵塞、受热老化。电动陶瓷阀阀片因冷热水中杂质和异物造成粘连。电动球阀效果较好，球阀门的两边密封还是采用聚四氟乙烯，阀杆加耐热衬套，减速器齿轮采用金属/工程塑料材料，电机的功率应比冷水表大一些，或减速比大一些，以保证足够开关阀的力量。

　　温度传感器采用铂电阻 PT1000(为了减少引线长度变化引起的误差)，引线的长度和线直径要求严格。

　　电控板增加温度采样，模拟运算放大电路，积分仪用一块相应的单片机实现。所有的电子元件都要耐高温的。整表的结构;温度传感器做在表内，或留足够长的引线接回水管。一般采用整体式结构。

　　3.2 热量表的发展趋势

　　随着智能热量表行业的发展，智能热量表的技术也在不断发展成熟。未来的 IC 卡热量表将会朝着：价格更低廉、质量更可靠、无安全隐患、性能更完备、寿命更长及外形更美观方面发展。

　　在外形设计上更加考究，采用现在工业造型设计，采用比 ABS 更好的塑料铸造成形，体积会更小，具有流线感和亲和力。

　　在电子元件方面目前很多热量表基本不用安全模块、随着电子元件的降价而被采用。这样热量表电路的设计将更加规范，稳定性更强。随着电子技术的发展，智能热量表的控制板可能被“绑定”在芯片上，它的体积更小、更稳定、成本更低、计算与锁闭一体化，防止人为破坏等功能更强。

　　随着 CPU 卡的普及及价格的下调，CPU 卡可能取代逻辑加密卡。一旦 RF 卡的成本降到与接触式 IC 卡的成本相近，并解决了功耗问题的话，RF 卡将取代接触式 IC 卡。

　　智能基表的计数精度会提高，数据准确性更高、更安全，表容量设计会更大，抗污能力更强。

　　热量表的寿命由于采用了高性能的基表和大容量的高能锂锰电池，应能保证 10 年以上的工作时间。

　　管理软件的设计将：使用更方便、功能更完善，并将采用银行联网收费系统取代单机版的小区收费管理。

　　随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。对于我国人口众多，热资源日益贫乏，智能热量表的需求会越来越多，生产厂家也会越来越多，竞争会越来越激烈。智能热量表生产厂家的规模会变得越来越大，很多小型的热量表厂家可能由于其质量、规模、品牌的优势不够而被淘汰。从目前的国情来看，智能卡热量表仍将在未来几十年中，占据智能热量表行业的主流。从理论上说，网络化的远传热量表应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终发展方向。但是目前，由于城市网络系统的建立条件不成熟，且没有相关系统配合，难于很快普及。但在可以预见的时间里，这种把千家万户连接起来的网络系统就会逐步形成。到那时中国也会像其它发达国家一样，采用远传户外抄读(无阀门)和计算机物业管理相结合的热量表。而不采用智能卡热量表，因为网络化的远传热量表会更加方便用户取暖。