引言
集中供熱分戶計量方式是一種節(jié)能環(huán)保的供暖計量體系。根據(jù)中國國家發(fā)改委于08年8月份發(fā)布的《城市供熱價格管理暫行辦法》的規(guī)劃，我國的供熱計量方式將逐步由按面積計費方式過度到分戶計費方式。熱量表是實現(xiàn)供熱分戶計費的重要手段，它通過測量流體的流速與進(jìn)回水的溫差實現(xiàn)對用戶實際供熱量的計量。其計算公式如下：
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，可同時對多達(dá)12只熱量表進(jìn)行自動標(biāo)定。
系統(tǒng)設(shè)計
整個標(biāo)定系統(tǒng)是一個閉環(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，實現(xiàn)批量熱量表的自動檢測與修正系數(shù)的自動寫入。可程控的流量調(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，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)的氣泡會對流量計量帶來誤差，測試開始時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。對每個流量點，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。同時控制單元采集熱量表的數(shù)據(jù)Q1，由此計算出每塊熱量表在該流量點的修正系數(shù)C=Q0/Q1。對由中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程規(guī)定的5個流量點依次測試，完成一輪標(biāo)定。整個標(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的稱量又要滿足最大流量時的稱量，其測量精度直接影響到熱量表的精度。因為是循環(huán)系統(tǒng)，容器體積為最大流量點所需要流體體積的2倍，恒溫水箱體積是最大流量點所需要流體體積的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)熱量表個數(shù)不宜過多，太多不但占地面積大，而且會使整個循環(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量引入誤差，系統(tǒng)設(shè)計時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)計時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。控制單元的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)計恒流源的輸出電流在5mA以內(nèi)。圖4中左邊的運放組成恒流源電路。右邊的運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
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個數(shù)、流量點流速與測試時間數(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)。整個標(biāo)定過程完成以后控制單元將不同流量點的流量修正系數(shù)與系統(tǒng)時間寫入相應(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)異常現(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，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)置選項可以設(shè)定標(biāo)定的流量點個數(shù)、流量點流速和不同流量點的具體標(biāo)定時間。
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量檢定規(guī)程規(guī)定，檢定的5個流量點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)國家計量檢定規(guī)程規(guī)定，III級熱量表的精度為3%。現(xiàn)場標(biāo)定中，取相鄰流量點修正系數(shù)超過3%視為不合格。熱量表3在流量點4和5的修正系數(shù)不滿足要求，熱量表6在流量點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)定時間長，且容易引入人為失誤的現(xiàn)象，設(shè)計了一套熱量表流量自動標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)在整個標(biāo)定過程中無需人為干涉自動完成，標(biāo)定時間短，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。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。