林 源，蔣 浩

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022）

我國北方一直都是用暖氣供熱，計(jì)費(fèi)都是按房屋面積計(jì)費(fèi)，因?yàn)槌杀驹蚝芏嗉彝ト匀焕^續(xù)使用老式機(jī)械熱量計(jì)數(shù)表，但由于其內(nèi)部可動部件葉輪的存在，在長時間高流速運(yùn)行狀態(tài)下極易造成磨損或堵塞，且精度較低[1-2]，后期維修成本較高，無法真正實(shí)現(xiàn)按實(shí)際用熱量繳費(fèi)，導(dǎo)致推廣緩慢。隨著供暖越來越普及，傳統(tǒng)粗放式的熱計(jì)量裝置難以滿足精細(xì)化、智能化的計(jì)量要求，采用集成芯片、高精度超聲波傳感器取代分立元件和機(jī)械部件設(shè)計(jì)熱量表，不僅有利于提高計(jì)量精度、延長設(shè)備壽命、促進(jìn)用熱繳費(fèi)的公平性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，能快速精確計(jì)量、動態(tài)監(jiān)控、嵌入政府監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)這樣的供熱終端信息安全系統(tǒng)顯得越來越重要，這將有助于實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)智能化，更能大大提高人們生活的幸福指數(shù)[3]。

1 系統(tǒng)原理與組成

垃圾滲濾液中污染物的成分和濃度，尤其是填埋場的系統(tǒng)由熱量表、數(shù)據(jù)采集器、GPRSDTU 無線傳輸模塊和上位機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

2.1 熱量計(jì)量原理

熱量表采用 差法[4]計(jì)算熱量，公式如下：

2.1.1 流量檢測

采用超聲波時差法[5]，利用超聲波在順流和逆流狀態(tài)下傳播速度不同的原理，通過測量其傳播時間差求得流速，進(jìn)而計(jì)算流量值。測量原理如圖2所示。

圖2 時差法流量測量原理

根據(jù)式（5）計(jì)算得到的是沿超聲波傳播路徑上的線平均流速，而計(jì)算需采用沿管道截面分布的面平均流速。根據(jù)流體力學(xué)原理，引入流量修正系數(shù) 進(jìn)行聲速修正，可得瞬時體積流量表達(dá)式為：

2.1.2 溫度檢測

采用配對溫度傳感器PT1000 分別安裝在進(jìn)水和回水管道測量溫度。當(dāng)溫度0 ℃≤≤850 ℃時，鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系[6]為：

式中： 為溫度為 時鉑電阻阻值； 為溫度 為0 ℃時 鉑 電 阻 阻 值； =3.9083×10-3℃；=-5.775×10-7℃。

因此，只要測得鉑電阻阻值，即可計(jì)算出對應(yīng)溫度，采用電容放電法，利用同一電容值的電容對不同阻值的電阻進(jìn)行放電所需時間不同的原理，實(shí)現(xiàn)電阻值的測量。

2.2 熱量表硬件設(shè)計(jì)

圖3 為熱量表結(jié)構(gòu)組成圖，微處理器采用MSP430 單片機(jī)，通過SPI 接口控制TDC-GP22 實(shí)現(xiàn)溫度和流量的測量。MSP430 系列是具有超低功耗的16 位單片機(jī)，采用1.8-3.6 V 電壓供電，RAM 保持模式下的功耗只有0.1 uA，能在6 us 內(nèi)對外部中斷請求作出快速響應(yīng)，喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)[7]。

圖3 熱量表結(jié)構(gòu)框圖

TDC-GP22 通過精確測量從START 引腳接收到啟動脈沖信號開始到STOP 引腳接收到停止脈沖信號結(jié)束的時間實(shí)現(xiàn)對流量的測量。內(nèi)部脈沖發(fā)生器作為激勵源，發(fā)送脈沖序列至超聲波換能器，換能器通過磁致伸縮效應(yīng)將接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，聲波在管道中飛行，進(jìn)行采樣計(jì)算，并將表示時間長度的數(shù)字量存儲在寄存器中，由微控制器讀取寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到流量值。TDC-GP22 通過測量同一電容對溫度傳感器鉑電阻和參考電阻的放電時間實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。溫度測量電路如圖4 所示。

圖4 TDC-GP22 溫度測量電路

圖4 中進(jìn)、出分別為安裝在進(jìn)水和回水管道的鉑電阻PT1000， 為標(biāo)準(zhǔn)參考電阻。當(dāng)TDCGP22 接收到單片機(jī)發(fā)送的溫度測量指令，即自動開始4 次測量，獲得鉑電阻和參考電阻對標(biāo)準(zhǔn)電容的放電時間，測量結(jié)束置中斷標(biāo)志位，將測量結(jié)果存儲于寄存器registers0-3 中。

2.3 采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是連接上位機(jī)數(shù)據(jù)中心與熱量表終端的中樞，擔(dān)負(fù)著下行轉(zhuǎn)發(fā)抄表命令和上行傳輸抄表數(shù)據(jù)的功能，采用物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端GPRS-DTU 模塊與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。

M-BUS 信號傳輸采用電壓調(diào)制和電流調(diào)制兩種調(diào)制方式，調(diào)制原理如圖5 所示。

圖5 M-BUS 總線信號調(diào)制

為避免遠(yuǎn)距離傳輸時總線上的分布電阻導(dǎo)致總線電壓下降，采用電壓調(diào)制方式，從機(jī)采用動態(tài)電平識別機(jī)制判斷總線電壓的相對變化量，判定是否有主機(jī)信號。

2.4 收發(fā)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)M-BUS 信號調(diào)制機(jī)制，發(fā)送電路應(yīng)能產(chǎn)生相對變化量為±12V 的電壓脈沖序列，接收電路應(yīng)能將電流脈沖序列解調(diào)轉(zhuǎn)化為微控制器兼容的高低電平。電路如圖6 所示。

圖6 TSS721 電路連接圖

圖6 中1、2為保護(hù)電阻，TX、RX為數(shù)據(jù)收發(fā)端口，通過BUSL1 和BUSL2 兩端的電壓差定義總線電壓UBUS=UMARK（標(biāo)識值），克服傳輸距離對總線電壓的影響。

2.5 傳輸模塊設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端由微處理器、電源模塊、串口模塊、GPRS 通信模塊以及外圍擴(kuò)展電路組成。上電后自動上傳ID 號，登錄到GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)，通過固定IP 地址與上位機(jī)數(shù)據(jù)中心建立Socket 連接，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送心跳包并等待對方進(jìn)行心跳握手回復(fù)3 個十六進(jìn)制的“00H”。上位機(jī)抄表指令通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸至GPRS-DTU 終端，經(jīng)由RS485 接口轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)采集器啟動抄表程序，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。圖7 為系統(tǒng)程序流程圖。設(shè)計(jì)了定時采集與指令抄表兩種數(shù)據(jù)采集方式，系統(tǒng)上電初始化，進(jìn)入主程序循環(huán)等待。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

2.6 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

按照M-BUS 協(xié)議設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)封裝及抄表指令格式。其中讀取數(shù)據(jù)指令格式如表1 所示。

表1 中20H 表示儀表類型為熱計(jì)量表；從 機(jī) 地 址 為14 位BCD 碼。 例 如， 當(dāng) 地 址 為00000000000001 的熱量表接收到此命令時，將回復(fù)主機(jī)以下數(shù)據(jù)：結(jié)算日熱量：0x00 0x00 0x00 0x00；單位：0x05(kWh)；當(dāng)前熱量：0x00 0x00 0x00 0x00；單位：0x05(kWh)；瞬時流量：0x00 0x00 0x00 0x00；單位：0x35（m3/h）；累積流量：0x00 0x00 0x00 0x00；單位：0x2C（m3/h）；進(jìn)水溫度：0x00 0x00 0x00 0x00；回水溫度：0x00 0x00 0x00 0x00；累計(jì)工作時間：0x00 0x00 0x00。

表1 讀取數(shù)據(jù)指令格式

3 實(shí)驗(yàn)

鑒于實(shí)驗(yàn)室條件所限，采用分體檢定法[11]，即對熱量表的溫度傳感器和流量傳感器分別進(jìn)行檢定，將其誤差之和作為熱量表整體誤差。

3.1 流量測量實(shí)驗(yàn)

流量測量采用標(biāo)準(zhǔn)表法，將實(shí)驗(yàn)樣表與標(biāo)準(zhǔn)表串行連接在循環(huán)管道中，標(biāo)準(zhǔn)表為經(jīng)檢定合格的符合二級表標(biāo)準(zhǔn)的熱量表，采用流量可調(diào)式水泵驅(qū)動管道水循環(huán)。其中，管道直徑DN20；熱量表額定流量2.5 m3/h；水泵型號DC-3000，最大流量3 m3/h；室溫18 ℃。每個檔位下重復(fù)測量3 次，結(jié)果如表2所示。

表2 流量檢測結(jié)果

3.2 溫度測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：將兩個溫度傳感器與高精度溫度計(jì)放入同一恒溫水槽中，在不同的溫度下檢測所示溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的誤差以及兩個溫度傳感器之間的配對誤差。選用AI-5600 高精度數(shù)字溫度計(jì)，最高分辨率0.001 ℃。測量結(jié)果如表3 所示。

表3 溫度監(jiān)測結(jié)果

熱量表檢定規(guī)程EN1434.1-2007 規(guī)定，熱量表總體誤差等于各分體誤差絕對值之和，由于分體誤差均小于其最大允許誤差，因此熱量表總誤差小于容許誤差，符合二級表標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：將熱量表、采集器和GPRS-DTU連接，將熱量表ID 號、采集器ID 號配置到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫軟件，SIM 卡插入GPRS-DTU 并進(jìn)行IP 地址和端口號配置。系統(tǒng)上電后，等待GPRSDTU 模塊搜索登陸，登陸成功后，打開上位機(jī)數(shù)據(jù)采集器測試軟件，發(fā)送表1 中的抄表命令，系統(tǒng)返回應(yīng)答數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 上位機(jī)抄表測試圖

4 結(jié)論

采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)儀表總線M-BUS 和高精度集成芯片TDC-GP22，可以實(shí)現(xiàn)高精度供熱計(jì)量和數(shù)據(jù)采集，大大提升了工作效率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，在常用流量2.5 m3/h 下，流量檢測誤差不大于0.4%，溫度傳感器配對誤差不大于0.1%，計(jì)量精度達(dá)到二級表標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，可大幅提高計(jì)量精度，減少抄表工作量，應(yīng)用前景廣闊。