基于傳感技術(shù)的暖氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙青云 張春蕊

1.山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院，山西臨汾 041000；2.山西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，山西臨汾 041000

一、前言

目前暖氣的收費(fèi)都采用以面積為基礎(chǔ)的收費(fèi)，這種收費(fèi)方式存在著很多的不足。從節(jié)能和環(huán)保的角度考慮，這種收費(fèi)方式不利于節(jié)能和環(huán)保。因?yàn)榘凑彰娣e收費(fèi)，用戶沒有節(jié)能的動(dòng)力，許多用戶的做法是家里一邊開著暖氣，一邊開著窗戶，造成熱量的大量浪費(fèi)。同時(shí)，正是由于不節(jié)約的現(xiàn)象，熱力公司就需要燃燒大量的煤、氣以滿足這種浪費(fèi)，加大了對(duì)環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)。而我國是一個(gè)資源缺乏的國家，這種不能再生能源的大量浪費(fèi)，將影響到我們國家的長遠(yuǎn)發(fā)展，也讓我們的環(huán)境治理雪上加霜。所以，設(shè)計(jì)并采用可計(jì)量的暖氣收費(fèi)系統(tǒng)是非常有必要的[1]。

二、可計(jì)量暖氣收費(fèi)系統(tǒng)的總體思路

暖氣的計(jì)量主要考慮流量和熱量的消耗。流量的消耗可以借助于流量傳感器進(jìn)行測(cè)量，具體的思路是在進(jìn)水口和出水口分別安裝流量傳感器，流量的差值即為用戶消耗的流量。熱量的消耗計(jì)量方式是在進(jìn)出水口安裝溫度差傳感器，直接對(duì)熱量的消耗進(jìn)行采集。通過供熱公司的成本計(jì)算及利潤的要求對(duì)熱量和流量進(jìn)行換算，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將換算的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示。由此分析可知，利用傳感技術(shù)設(shè)計(jì)暖氣計(jì)量系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。

可計(jì)量暖氣收費(fèi)系統(tǒng)可以用圖1表示，利用溫度傳感器測(cè)量進(jìn)水管和出水管的溫差，這個(gè)溫差就是用戶消耗的熱量；利用流量傳感器測(cè)量進(jìn)水管與出水管的流量差，這就是用戶消費(fèi)的流量，最后根據(jù)熱量消費(fèi)、流量消費(fèi)與暖氣費(fèi)用的關(guān)系，計(jì)算并顯示用戶所要交納的暖氣費(fèi)。

三、用戶消費(fèi)的暖氣量的采集

1、流量的采集

流量的采集采用超聲波傳輸時(shí)間差法，在實(shí)際應(yīng)用中，我們將超聲波傳感器安裝在管道的外部， 這樣，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響，測(cè)量得到的流量是比較準(zhǔn)確的，如圖2所示。

管壁兩側(cè)的兩個(gè)超聲波傳感器為雙向傳感器，兩個(gè)超聲波傳感器都既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波， 一個(gè)裝在上游管壁，一個(gè)裝在下游管壁。當(dāng)超聲波傳感器1作為發(fā)射探頭，超聲波傳感器2為接受探頭時(shí)，則順流方向的傳播時(shí)間為：

其中，D—管道之間的距離為；

c—流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度；

v—流體流動(dòng)速度；

θ—傳感器連線與垂直方向夾角。當(dāng)超聲波傳感器2作為發(fā)射探頭，超聲波傳感器1作為接受探頭時(shí)，則逆流傳播時(shí)間為：

時(shí)差為：

所以，水管中的平均流速為：

水管中的平均速度與管道面積的乘積就可以得到進(jìn)水管的流量和出水管的流量，進(jìn)水管流量與出水管流量之差即為用戶消耗的暖氣的流量[2]。

2、熱量的采集

另一端溫度為T0，稱為冷端，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。它可以對(duì)點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量，如果需要兩點(diǎn)之間的溫度差，可以利用兩只熱電偶配合使用。

如圖3所示，利用兩支型號(hào)相同的熱電偶并配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，工作時(shí)，將t1端安裝在進(jìn)水管道中，t2安裝在出水管道中，兩支熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)方向相反，由于兩只熱電偶反向串聯(lián)，所以輸入儀表的是兩只熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)差值，這一差值正反映了兩支熱電偶熱端的溫差，也就是進(jìn)水管道和出水管道的溫度差。為了提高測(cè)量精度并減少測(cè)量誤差，在選擇熱電偶傳感器時(shí)，必須選用熱電特性一致的熱電偶，同時(shí)要保證兩熱電偶的冷端溫度相同，即可以準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)水管道和出水管道的溫度差。

用戶消耗的熱量直接反映在進(jìn)水管道和出水管道的溫度差上，溫度差越大表明用戶消耗的熱量越大，進(jìn)水管道和出水管道的溫度差可以利用熱電偶傳感器進(jìn)行測(cè)量。熱電偶是利用兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，

3、消耗暖氣量的計(jì)量

用戶消耗的暖氣量可以利用傳熱學(xué)理論得到：[3]

式中，Q—用戶消耗的暖氣量；

qv—瞬時(shí)體積流量；

Cpf—入口定壓比熱容；

Cpr—出口定壓比熱容；

ρf—入口溫度下的載熱流體密度；

ρr—出口溫度下的載熱流體密度；

θf—入口的溫度；

θr—出口的溫度。

決定暖氣用量的因素是體積流量和溫度，利用流量采集裝置和溫度采集裝置就可以準(zhǔn)確的得到流量和溫度，再利用查表的方法查得4個(gè)常數(shù)Cpf、Cpr、ρf和ρr的值，最后利用公式（5）就可以得到用戶消耗的暖氣量。

四、顯示模塊

在暖氣量計(jì)量中，用戶需要理解采暖過程中的許多信息，比如當(dāng)前的時(shí)間信息、進(jìn)水管道與出水管道的溫度信息、管道中水的流速、流量、暖氣費(fèi)用等許多信息，以方便用戶及時(shí)了解供熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)和變化的情況。

對(duì)供暖信息的處理和顯示采用圖4所示電路，該控制電路中有處理器和顯示器兩大模塊。ARM處理器采用芯片AM335X，利用AM335X芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供暖管道中的流速、流量、暖氣費(fèi)用等信息進(jìn)行處理。在對(duì)實(shí)際的數(shù)據(jù)處理中，AM335X芯片的存儲(chǔ)空間往往有限，不能很好的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為了提高其處理數(shù)據(jù)的能力，在數(shù)據(jù)處理模塊中外設(shè)DDR SDRAM芯片作為隨機(jī)存儲(chǔ)器和Nand Flash芯片作為只讀存儲(chǔ)器，這樣就可以提高對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度，加大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。AM335X處理器讀取存儲(chǔ)器在只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器的信息，通過LCD控制器將信息送入緩存器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將流速、流量、暖氣費(fèi)用等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)用戶的需要將信息進(jìn)行顯示。[4]

整個(gè)系統(tǒng)在默認(rèn)狀態(tài)下為休眠狀態(tài)，只有當(dāng)用戶所繳費(fèi)用足夠時(shí)，用戶才可以開啟啟動(dòng)按鈕系統(tǒng)進(jìn)入正常的供熱狀態(tài)。當(dāng)用戶所繳費(fèi)用快接近不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警并提示，同時(shí)將相關(guān)的信息進(jìn)行顯示，以便用戶及時(shí)了解自己的供暖情況。當(dāng)用戶欠費(fèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止供熱，用戶不能啟動(dòng)供熱系統(tǒng)，只有當(dāng)用戶所繳費(fèi)用滿足設(shè)定的要求值時(shí)，用戶才能進(jìn)行啟動(dòng)操作。另外，用戶還可以根據(jù)周圍環(huán)境的實(shí)際情況，選擇手動(dòng)關(guān)閉或開啟供熱系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)約能源和減少污染的目的[5]。

五、系統(tǒng)性能及可行性測(cè)試情況

通過對(duì)流量和熱量的采集，利用AM335X作為處理芯片，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路，構(gòu)成集數(shù)據(jù)的采集、顯示和報(bào)警的暖氣消耗測(cè)量系統(tǒng)，具有開發(fā)簡單、安全性好、準(zhǔn)確性到的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)完成過程中，利用仿真軟件進(jìn)行仿真，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

六、結(jié)束語

利用基于傳感技術(shù)的供熱系統(tǒng)，充分的考慮了節(jié)約能源和減少污染的因素，也使得用戶明明白白的消費(fèi)，消除了用戶和供熱公司的矛盾，有利于建立和諧的社會(huì)。

基于傳感技術(shù)的供熱系統(tǒng)，也可以借助于無線傳感技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和處理，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將供熱系統(tǒng)與職能家居進(jìn)行有效的結(jié)合，更能提高居民的生活質(zhì)量。