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山东热量表简单解析关于热量表的核心技术
时间：2014-11-06 10:42:56
出处：www.sdhdr.com
作者：海德瑞
一、积算器中的核心技术 积算器是热量表的电子部分，其核心部件是一个高性能低功耗的单片机。积算器能把流量计和温度传感器测量到的物理信号通过A/D转换变成数字信号，并按公式1或公式2进行热量计算，当然，该部分还能实现数据的储存、查阅以及数据交换和传输等功能。虽然目前各热量表生产厂商采用的各种芯片的硬件技术指标都非常高，但是在具体硬件电路设计和相应的软件开发水平上，则是存在鱼龙混杂的局面。其中的技术关键体现在如下几个方面：
1、功耗问题 在积算器的设计中，这是一个最关键的技术问题，同时也是一个最容易被很多人员忽视的问题。目前国内外大多数厂商都是采用2000mh的锂电池，这就意味着如果要使热量表工作5年以上，那么，其平均电流就应在40μA以下（考虑到进行温度测量时要毫安级的水平下工作）。虽然现在的低功耗CPU很多，但是实际上的电流效果，却受不同的设计原理的影响，比如，不同的流量信号传感方式和不同的温度采样方式，对积算器的功耗影响是非常大的。
2、流量信号的传感方式 流量信号的计量精度是影响热量表整体计量精度的主要因素，也是最难以提高的因素。因为流量精度的提高，不光要有优秀的电子技术人员，也要有更优秀的机械设计人员与之配合。所以流量信号的传感方式的不同，几乎完全代表着一个生产厂商在电子技术与机械设计方面的综合水平。目前，在热量表的流量传感方式上，分别应用着以下几种不同水平的技术原理： 干簧管法： 2003年以前，几乎所有的国内热量表厂商采用的是这种方法，而且，更有相当一部分厂家，是直接采用自来水表厂的远传热水表作为流量计。它的原理是在普通的水表指针上装上一块小磁铁，然后小磁铁的上方固定一个叫干簧管的电子元件。干簧管的结构很简单，就是在玻璃管中封闭两片彼此靠的很近的金属的簧片。干簧管法的工作过程是这样的：当水表的指针转动时，带动指针上的小磁块以同样的速度做圆周运动，适当调整干簧管与小磁块的位置，就使得指针每转动一周，就能而且只能把干簧管的簧片吸合一次，形成一个脉冲。这样，就把由指针转动代表的机械信号，转化成了由干簧管吸合代表的电信号。根据安装小磁块的指针的位置不同，一个脉冲可代表1升、10升或100升不等。 由于流量信号是模拟开关量，利用CPU自身的低功耗休眠状态，就可以很简单地实现低功耗计量。至于计量精度，则是由水表厂商来提供保障的。这也是干簧管法热量表最早被开发使用的一个重要原因。由于干簧管法热量表在流量传感方式和低功耗设计方面都比较容易实现，而且当前热量表又是个热门领域，所以现在有许多高校的电子工程系的本科毕业生的毕业设计就是一款干簧管法的热量表电路，可见其技术含量！ 霍尔法： 与干簧管法大同小异，霍尔元件也是一种电子元件，当有小磁铁靠近时，它的电器性能就发生改变，通过不断监测它的性能变化的频率，也就得到了水表指针的转动量。由于在激发霍尔传感器时需要很大的能量，所以要想用霍尔法探测高速转动的叶轮，就必须以更快的能量频率连续激发霍尔传感器，所以采用这种原理的积算器，无论采用什么低功耗的CPU都不能降低功耗，对于采用2000mh锂电池的热量表来说，其电池只能使用一年多一点儿。 韦根传感器法： 韦根传感器的原理与发电机原理十分相似，当转子与定子之间有周期性的位置变化时，就能感应出正弦交变的电压，只不过韦根传感器宣称是在很弱的磁场下就能工作。尽管如此，韦根传感器法仍然需要在叶轮上安装磁性元件，这也意味着防水锈、防磁干扰以及使用寿命等方面的性能大大下降。 无磁法： 通过一种复杂的LC振荡阻尼电路，能够以非接触的方式探测到叶轮上的一种无磁金属片的转动情况。尽管无磁法有无以比拟的优点，但是，由于开发这种电路需要雄厚的技术力量以及长时间的、大量的数据积累，同时还需要自行设计相匹配的流量计，所以，目前国内几乎所有的厂商甚至一些著名的大学和科研单位也没有掌握这项技术。也就是说，能生产出无磁流量计的热量表厂商，无论是在电子方面还是在机械设计方面，在同行业是居于遥遥领先的地位的。
3、温度测量的精度与稳定性 虽然大多数的热量表厂家的温度传感器都已采用PT1000做为测温元件，但是并不等于所有厂家在温度测量的精度上也是一样的好。因为最终的温度精度是由积算器上的A/D转换电路决定的，而如何能设计出一款稳定、不漂移、精度又高的A/D电路，就一直是检验业内人士技术水平的经典课题。
4、软件的功能与纠错能力 在硬件电路的基础上开发出一套具有人性化的、易于使用的、具有强的纠错有力的软件系统，同样也体现了生产厂商对于产品、用户、社会的理解。
二、流量计及其核心技术 对一款热量表来说，其主要性能参数都是由流量计决定的。因为热量表在额定流量、精度和使用寿命等方面的表现，主要都是由流量计的性能决定的。这一部分结构虽然在计量原理上非常简单，但是在性能上却是最难改进的。如果要对其计量特性进行那怕是一点点改进，也是需要以数年的实验测试作为代价的！为了减少开发难度，目前大多数热量表制造厂商在开发热量表时，都是直接引用普通水表的计量机芯，在外壳上稍加改装，增加流量传感器，比如，干簧管传感器，以完成机械量向电子量的转换。而这样的流量传感器是不能适应我国的热力系统的现状的，真正的热量表流量计必须要针对中国热力系统的情况，从头设计，并解决下面几个关键问题：
1、小额定流量与高计量精度的设计 额定流量是选用热量表的最直接也是最重要的一个参数。根据我国热力系统的现状，系统内的流量范围非常小，一般设计控制在0.4-0.6M3/小时左右。这样就需要流量计的计量元件对小流量的计量非常准确，也就是额定流量是0.6M3/小时。同时，如果在这个额定流量下，能把流量计的精度设计成二级精度，目前在国外也是比较少见的。在设计过程中，需要对计量元件因高温而产生的各种变化有精确的掌握。真正的热量表制造商必须有能力设计并制造出额定流量是0.6M3/小时的流量计。
2、流量计结构与性能的设计 流量计在确定了额定流量以后，还要在其流体结构的设计上花费大量的工作。在流量计的设计过程中，不仅要考虑到它的机械性能，比如：计量的重复性，全量程范围的一致性，灵敏度（始动流量）等，还要考虑到电子部分对机械设计的要求，比如，叶轮与流量传感器的距离等。还有，设计一款多流束的流量计，要比设计一款单流束的流量计要难得多，而让一款多流束的流量计的始动流量比单流束的还要高就更是要付出艰辛的努力。
3、机械尺寸的设计 普通的多流束热量表虽然有使用寿命长、计量稳定等优点，但它的体积笨大，这不仅在外观上看上去粗笨，更主要是占用了宝贵的建筑空间。而单流束热量表尽管使用寿命很短，但由于它的流量计的体积小巧，不仅在外观上给人印象好，显得高档，而且确实节省了安装空间。所以，如何设计一款多流束的热量表，并且它的体积比一般单流束的热量表还要小巧，同样也是热量表行业中最受关注的核心技术。
1、功耗问题 在积算器的设计中，这是一个最关键的技术问题，同时也是一个最容易被很多人员忽视的问题。目前国内外大多数厂商都是采用2000mh的锂电池，这就意味着如果要使热量表工作5年以上，那么，其平均电流就应在40μA以下（考虑到进行温度测量时要毫安级的水平下工作）。虽然现在的低功耗CPU很多，但是实际上的电流效果，却受不同的设计原理的影响，比如，不同的流量信号传感方式和不同的温度采样方式，对积算器的功耗影响是非常大的。
2、流量信号的传感方式 流量信号的计量精度是影响热量表整体计量精度的主要因素，也是最难以提高的因素。因为流量精度的提高，不光要有优秀的电子技术人员，也要有更优秀的机械设计人员与之配合。所以流量信号的传感方式的不同，几乎完全代表着一个生产厂商在电子技术与机械设计方面的综合水平。目前，在热量表的流量传感方式上，分别应用着以下几种不同水平的技术原理： 干簧管法： 2003年以前，几乎所有的国内热量表厂商采用的是这种方法，而且，更有相当一部分厂家，是直接采用自来水表厂的远传热水表作为流量计。它的原理是在普通的水表指针上装上一块小磁铁，然后小磁铁的上方固定一个叫干簧管的电子元件。干簧管的结构很简单，就是在玻璃管中封闭两片彼此靠的很近的金属的簧片。干簧管法的工作过程是这样的：当水表的指针转动时，带动指针上的小磁块以同样的速度做圆周运动，适当调整干簧管与小磁块的位置，就使得指针每转动一周，就能而且只能把干簧管的簧片吸合一次，形成一个脉冲。这样，就把由指针转动代表的机械信号，转化成了由干簧管吸合代表的电信号。根据安装小磁块的指针的位置不同，一个脉冲可代表1升、10升或100升不等。 由于流量信号是模拟开关量，利用CPU自身的低功耗休眠状态，就可以很简单地实现低功耗计量。至于计量精度，则是由水表厂商来提供保障的。这也是干簧管法热量表最早被开发使用的一个重要原因。由于干簧管法热量表在流量传感方式和低功耗设计方面都比较容易实现，而且当前热量表又是个热门领域，所以现在有许多高校的电子工程系的本科毕业生的毕业设计就是一款干簧管法的热量表电路，可见其技术含量！ 霍尔法： 与干簧管法大同小异，霍尔元件也是一种电子元件，当有小磁铁靠近时，它的电器性能就发生改变，通过不断监测它的性能变化的频率，也就得到了水表指针的转动量。由于在激发霍尔传感器时需要很大的能量，所以要想用霍尔法探测高速转动的叶轮，就必须以更快的能量频率连续激发霍尔传感器，所以采用这种原理的积算器，无论采用什么低功耗的CPU都不能降低功耗，对于采用2000mh锂电池的热量表来说，其电池只能使用一年多一点儿。 韦根传感器法： 韦根传感器的原理与发电机原理十分相似，当转子与定子之间有周期性的位置变化时，就能感应出正弦交变的电压，只不过韦根传感器宣称是在很弱的磁场下就能工作。尽管如此，韦根传感器法仍然需要在叶轮上安装磁性元件，这也意味着防水锈、防磁干扰以及使用寿命等方面的性能大大下降。 无磁法： 通过一种复杂的LC振荡阻尼电路，能够以非接触的方式探测到叶轮上的一种无磁金属片的转动情况。尽管无磁法有无以比拟的优点，但是，由于开发这种电路需要雄厚的技术力量以及长时间的、大量的数据积累，同时还需要自行设计相匹配的流量计，所以，目前国内几乎所有的厂商甚至一些著名的大学和科研单位也没有掌握这项技术。也就是说，能生产出无磁流量计的热量表厂商，无论是在电子方面还是在机械设计方面，在同行业是居于遥遥领先的地位的。
3、温度测量的精度与稳定性 虽然大多数的热量表厂家的温度传感器都已采用PT1000做为测温元件，但是并不等于所有厂家在温度测量的精度上也是一样的好。因为最终的温度精度是由积算器上的A/D转换电路决定的，而如何能设计出一款稳定、不漂移、精度又高的A/D电路，就一直是检验业内人士技术水平的经典课题。
4、软件的功能与纠错能力 在硬件电路的基础上开发出一套具有人性化的、易于使用的、具有强的纠错有力的软件系统，同样也体现了生产厂商对于产品、用户、社会的理解。
二、流量计及其核心技术 对一款热量表来说，其主要性能参数都是由流量计决定的。因为热量表在额定流量、精度和使用寿命等方面的表现，主要都是由流量计的性能决定的。这一部分结构虽然在计量原理上非常简单，但是在性能上却是最难改进的。如果要对其计量特性进行那怕是一点点改进，也是需要以数年的实验测试作为代价的！为了减少开发难度，目前大多数热量表制造厂商在开发热量表时，都是直接引用普通水表的计量机芯，在外壳上稍加改装，增加流量传感器，比如，干簧管传感器，以完成机械量向电子量的转换。而这样的流量传感器是不能适应我国的热力系统的现状的，真正的热量表流量计必须要针对中国热力系统的情况，从头设计，并解决下面几个关键问题：
1、小额定流量与高计量精度的设计 额定流量是选用热量表的最直接也是最重要的一个参数。根据我国热力系统的现状，系统内的流量范围非常小，一般设计控制在0.4-0.6M3/小时左右。这样就需要流量计的计量元件对小流量的计量非常准确，也就是额定流量是0.6M3/小时。同时，如果在这个额定流量下，能把流量计的精度设计成二级精度，目前在国外也是比较少见的。在设计过程中，需要对计量元件因高温而产生的各种变化有精确的掌握。真正的热量表制造商必须有能力设计并制造出额定流量是0.6M3/小时的流量计。
2、流量计结构与性能的设计 流量计在确定了额定流量以后，还要在其流体结构的设计上花费大量的工作。在流量计的设计过程中，不仅要考虑到它的机械性能，比如：计量的重复性，全量程范围的一致性，灵敏度（始动流量）等，还要考虑到电子部分对机械设计的要求，比如，叶轮与流量传感器的距离等。还有，设计一款多流束的流量计，要比设计一款单流束的流量计要难得多，而让一款多流束的流量计的始动流量比单流束的还要高就更是要付出艰辛的努力。
3、机械尺寸的设计 普通的多流束热量表虽然有使用寿命长、计量稳定等优点，但它的体积笨大，这不仅在外观上看上去粗笨，更主要是占用了宝贵的建筑空间。而单流束热量表尽管使用寿命很短，但由于它的流量计的体积小巧，不仅在外观上给人印象好，显得高档，而且确实节省了安装空间。所以，如何设计一款多流束的热量表，并且它的体积比一般单流束的热量表还要小巧，同样也是热量表行业中最受关注的核心技术。
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