CN100362329C - 一种进行热计量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种进行热计量的方法属于热计量领域。本发明是一种间接式的软测量方法，它不像传统热量计量方法那样，使用串接在供回水管线中的叶轮式机械流量计来计量热水流量，而是通过温度传感器测量散热器出入水口的温差以及室温，依照所导出的温差与流量的函数关系式来间接地算出热水流量，进而得到散热量。本发明所提出的方法，由于不使用机械流量计，而是通过测量散热器出入口水的温度和室温来间接地算出管线中热水的质量流量，因而避免了由于供热***水质差而引起的叶轮式流量计锈死、堵塞等实用中很难解决的问题，同时也降低了热计量装置的成本和安装维护费用。

Description

一种进行热计量的方法和装置

技术领域

一种进行热计量的方法属于热计量领域。

技术背景

目前在供暖***中使用的传统热量表使用测量温差和流量的方法来进行热计量。这种方法需要在供水管线或回水管线中串接一块热水流量计，通过测量流过散热器中的热水流量，再加上同一时刻测量到的进出口温差，由微处理器进行计算，算出散热器所消耗的热量值。在现有的热量表中，一般使用的热水流量计是叶轮式的，通过水的流动产生的动能冲击叶轮，根据所记录的叶轮的转数可得到热水的体积流量，再由处理器换算成质量流量，参与热计量。由于热力管线中的水是循环使用的，水中含有大量的铁锈、泥沙，水质变得很差。这些水中杂质会影响热水流量计中的叶轮的转动。尤其当供暖季结束后，经过一个夏天的闲置，在新的供暖季开始时，会发生叶轮锈死，不能转动的现象。另外，在管线中串接这种流量计，会造成不同程度的压力损失，尤其在叶轮转动不良的情况下，这种压力损失不仅造成热量计量失准，而且往往会影响供暖效果。

发明内容

本发明的目的是为热流量计量提供一种新的方法和装置，无需测量流量也可以测量散热器所消耗的热量值。

一种进行热计量的方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：

步骤1：为了同时测量散热器的入口水的温度、出口水的温度和室温，将散热器安装于室内，测量入水、出水口温度的传感器分别接到待测散热器的入水、出水口管线中，并用安装在热量计量装置内的室温测量电路，通过热量计量装置外壳上的通风孔感测室温；

步骤2：为了计算流过散热器的热水质量流量，将步骤1中测得的散热装置的入口水的温度、出口水的温度和室温，代入散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-a(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

其中T_in为入口水温度，T_out为出水口温度，ΔT为出入口水温差，即入水口水温减去出水口的水温T_in-T_out，T_room为室温，Q_m为所要求解的流过散热器的热水质量流量，a，b，c为常数；

步骤3：为了最终得到散热器的散热量Q，将步骤1测得的散热器的入口水的温度、出口水的温度和步骤2计算出的热水质量流量Q_m代入热水质量流量和散热量的函数关系式：

$Q={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}\mathrm{KC}{Q}_m(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})\mathrm{d\τ}$

其中K为综合修正系数，C为热水的质量比热容，值为4178J/kg℃，Q_m为流经散热器的热水质量流量，计量单位为kg/h，T_in为入口水温度，计量单位为℃，T_out为出口水温度，计量单位为℃，τ为时间，计量单位为秒，τ₀和τ₁分别为完成每一次热量计量过程的起始时间和结束时间，计量单位均为秒，Q为求解的最终的散热器的散热量，计量单位为J；

其中，所述热计量的方法中常数a，b，c的确定方法包含如下步骤：

步骤1：散热器安装于室内，将现有的、可以直接测量流经散热器的热水体积流量的热量表的测量入水、出水口温度的传感器分别接到散热器的入水、出水口管线中并和室温测量装置一起，同时测量3组以上选定的具体型号的散热器的入口水的温度、出口水的温度、室温、流经散热器的热水体积流量和散热器的散热量；

步骤2：为了计算热水质量流量，将步骤1中测得的流经散热器的热水体积流量代入热水质量流量和热水体积流量的函数关系式：

Q_m＝ρQ_v

其中，Q_m为质量流量，计量单位为kg/h，ρ为水的密度，计量单位为kg/m³，Q_v为体积流量，计量单位为m³/h；

步骤3：为了最终确定常数a，b，c，将步骤1中测量的所述散热器的出口水的温度，入口水的温度，室温和步骤2中计算的热水质量流量代入散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-a(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

其中T_in为入口水温度，T_out为出水口温度，ΔT为出入口水温差，即入水口水温减去出水口的水温T_in-T_out，T_room为室温，Q_m为流过散热器的热水质量流量，经过非线性最小二乘拟合处理，最终得到常数a、b、c的值。

所述的一种进行热计量的方法，其特征在于：所述的测量入水、出水口温度的传感器，其测量范围包括0℃～100℃，测量误差小于±0.3℃。

所述的一种进行热计量的方法，其特征在于：所述热量计量装置置于室内，固定在距离散热器至少1米的位置，高度距离地面50cm～200cm。

本方法可在进行热计量的装置中进行验证，这种进行热计量的装置的工作原理是将

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-a(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

中的参数a、b、c存入单片机的存储器中。工作时装置测量入水、出水口温度以及当时的室温，解算此式，求取质量流量。然后，通过下式

$Q={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}\mathrm{KC}{Q}_m(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})\mathrm{d\τ}$

其中K为综合修正系数，C为热水的质量比热容，4178J/kg℃，Q_m为流经热量表的热水质量流量(kg/h)，T_in为入口水温度(℃)，T_out为出口水温度(℃)，τ为时间(s)，τ₀和τ₁分别为完成每一次热量计量过程的起始时间和结束时间(s)，Q为求解的最终的散热器的散热量(J)。

本发明所提出的方法，通过测量散热器出入口水的温度和室温来间接地算出管线中热水的质量流量，避免了在管线中串接叶轮流量计所带来的弊病，同时也降低了热计量装置的成本和安装维护费用。

附图说明

图1现有热流量计量装置***框图，其中：

1、单片机，2、液晶显示器，3、键盘，4、通讯电路，5、电源，6、入水口测温电路，7、出水口测温电路，9、现有热水流量计；

图2热流量计量装置***框图，其中：

8、室温测量电路；

图3对于不同常数a、b、c，散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系曲线；

图4入水口水温为70℃、室温为24.1℃、散热器为SYTLZ-A-2-1.2铜铝复合散热器时，试验测得的温差与流量。

具体实施方式

求取a、b、c系数时，使用丹麦Kamstrup公司MULTICAL COMPACT型超声波热量表作为参考。该表有两个高精度温度探头(精度±1％，分辨率为0.01℃)，分别接到散热器的入水、出水口管线中。它的超声波流量传感器(精度±1％，分辨率为0.001m³/h)接到回水管线中。该表可以通过它的串行口发出它所测量的入口温度、出口温度、温差、体积流量、热量等参数。实验装置有一套水温控制***及热水泵和流量控制***。试验是使用SYTLZ-A-2-1.2铜铝复合散热器进行实测的，进口温度选择50℃到90℃之间，每隔5℃进行一次实验，流量值选取50kg/h到600kg/h，每隔50kg/h进行一次测量，其中在200kg/h到400kg/h之间，每100kg/h选取三个测点。同时本实验使用8个温度传感器来测量室内温度，各测点位置如下：

测点1：距离墙壁为75cm，距离暖气为100cm，距离地面110cm

测点2：距离墙壁为80cm，距离暖气为75cm，距离地面110cm

测点3：距离墙壁为80cm，距离暖气为75cm，距离地面10cm

测点4：距离墙壁为150cm和160cm，距离地面110cm

测点5：距离墙壁为150cm和160cm，距离地面10cm

测点6：在室中心位置，距离地面10cm

测点7：距离墙壁为160cm(另一侧无墙)，距离地面110cm

测点8：距离墙壁为160cm(另一侧无墙)，距离地面10cm

在测量过程中，每调节一次流量，隔15分钟后，每30秒读取热量表的数据一次，共读取5次，并存储，然后测量各室温温度传感器的值，进行记录。实验过程中，进口温度稳定在设定温度的±0.1℃。流量控制在设定流量的±5L/h。室温的测量精度为±0.1℃。全部实验数据经过非线性最小二乘拟合处理，得到a、b、c三个系数。将求得的a、b、c代入出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式，对应不同的入水口温度和室温，可以画出如图3所示的曲线族。图4为其中一条，它反映了实测数据与公式计算的吻合程度。

散热器附近所放置的8个用来测量散热器工作时的温度场分布情况的温度传感器的测量结果表明，离开散热器1米以外，温度场基本呈均匀分布。

使用本方法的进行热计量的装置中的单片机1为美国德克萨斯仪器公司的MSP430FE423/5/7。装置使用电池供电，电源稳压芯片5采用TPS60210。因为需要显示一些通用液晶显示器不提供的、与热计量有关的专用符号，所以液晶显示器2为定制的段式液晶显示器，无通用型号。通讯电路4采用MAX3232。因为热量表的按键的用途与一般通用键盘不一致，所以键盘3自制，无通用型号。入水口测温电路6的传感器和出水口测温电路7的传感器采用配对的Pt1000型带螺纹的铠装热电阻，型号为WZP-203。室温测量电路8采用美国国家半导体公司的LM334。在使用时将测量入水、出水口温度的传感器分别接到待测散热器的入水、出水口管线中。室温测量电路8安装在装置内，通过外壳上的通风孔感测室内空气温度。装置固定在离开散热器1米以外的墙上。

单片机1内部集成有三个独立的1到32倍二进制可调程控放大器和三个独立的16位∑-Δ模数转换器，一个1.25v的参考恒压源，三个模数转换器的模拟输入分别连接测量入水口温度和出水口温度的两个测温电路的输出端以及用来测量室温的LM334的输出端。单片机1片内还集成有一个128段的液晶控制驱动器，可以驱动定制的段式液晶显示器。单片机1片内的串行通讯接口与MAX3232电平变换器构成RS-232串口通讯电路4。键盘的数据接口与单片机的键盘接口相连。单片机1片内的16位定时器电路为整个测量***提供时间基准。

***工作时，在一个工作周期内，单片机1按照片内的16位定时器提供的定时，对测量入水口温度和出水口温度的模拟输入进行采样，同时也对测量室温的模拟输入进行采样、变换，单片机1将数字化后的三个模拟量值转换成对应的温度值。然后将所测温度值代入散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-a(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

其中T_in为入口水温度，T_out为出水口温度，ΔT为出入口水温差，即入水口水温减去出水口的水温T_in-T_out，T_room为室温，计量单位均为℃，Q_m为所要求解的流过散热器的热水质量流量，计量单位为kg/h，a，b，c为常数，从而解出流过散热器的热水质量流量Q_m。

然后，将测得的散热器的入口水的温度、出口水的温度和计算出的热水质量流量Q_m代入热水质量流量、温差和散热量的函数关系式：

$Q={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}\mathrm{KC}{Q}_m(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})\mathrm{d\τ}$

其中K为综合修正系数，C为热水的质量比热容，值为4178J/kg℃，Q_m为流经散热器的热水质量流量，计量单位为kg/h，T_in为入口水温度，计量单位为℃，T_out为出口水温度，计量单位为℃，τ为时间计量单位为秒，τ₀和τ₁分别为完成每一次热量计量过程的起始时间和结束时间，计量单位均为秒，Q为求解的最终的散热器的散热量，计量单位为J。求得的散热量Q被显示在液晶显示器上，并通过通讯电路4发出。

在完成上述工作后，单片机1还要检测键盘3输入以及进行一些***的日常检测和维护工作，当出现异常情况时，在液晶显示器2上显示异常错误标志，并通过通讯电路4发送报警信号。在每一个工作周期内，***完成所有工作后均进入睡眠状态以节约电能。

在本实施例中，***的工作周期的时长为1秒。

显然，本装置计算中使用的a、b、c三个系数是随散热器结构形式不同而改变的。对不同的散热器结构形式需要用实验重新确定a、b、c三个系数。但是对目前北方地区居民住宅内最常用的四柱813型铸铁散热器(由于使用翻砂铸造工艺制造，这类供热***中的水质最差)，可以定出对应的系数，解决热计量问题。

Claims (3)

1.一种进行热计量的方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：

步骤1：为了同时测量散热器的入口水的温度、出口水的温度和室温，将散热器安装于室内，测量入水、出水口温度的传感器分别接到待测散热器的入水、出水口管线中，并用安装在热量计量装置内的室温测量电路，通过热量计量装置外壳上的通风孔感测室温；

步骤2：为了计算流过散热器的热水质量流量，将步骤1中测得的散热装置的入口水的温度、出口水的温度和室温，代入散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-\mathrm{\α}(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

其中T_in为入口水温度，T_out为出水口温度，ΔT为出入口水温差，即入水口水温减去出水口的水温T_in-T_out，T_room为室温，Q_m为所要求解的流过散热器的热水质量流量，a，b，c为常数；

步骤3：为了最终得到散热器的散热量Q，将步骤1测得的散热器的入口水的温度、出口水的温度和步骤2计算出的热水质量流量Q_m代入热水质量流量和散热量的函数关系式：

$Q={\∫}_{{\mathrm{\τ}}_0}^{{\mathrm{\τ}}_1}\mathrm{KC}{Q}_m(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{out}})\mathrm{d\τ}$

其中K为综合修正系数，C为热水的质量比热容，值为4178J/kg℃，Q_m为流经散热器的热水质量流量，计量单位为kg/h，T_in为入口水温度，计量单位为℃，T_out为出口水温度，计量单位为℃，τ为时间，计量单位为秒，τ₀和τ₁分别为完成每一次热量计量过程的起始时间和结束时间，计量单位均为秒，Q为求解的最终的散热器的散热量，计量单位为J；

其中，所述热计量的方法中常数a，b，c的确定方法包含如下步骤：

步骤1：散热器安装于室内，将现有的、可以直接测量流经散热器的热水体积流量的热量表的测量入水、出水口温度的传感器分别接到散热器的入水、出水口管线中并和室温测量装置一起，同时测量3组以上选定的具体型号的散热器的入口水的温度、出口水的温度、室温、流经散热器的热水体积流量和散热器的散热量；

步骤2：为了计算热水质量流量，将步骤1中测得的流经散热器的热水体积流量代入热水质量流量和热水体积流量的函数关系式：

Q_m＝ρQ_v

其中，Q_m为质量流量，计量单位为kg/h，ρ为水的密度，计量单位为kg/m³，Q_v为体积流量，计量单位为m³/h；

步骤3：为了最终确定常数a，b，c，将步骤1中测量的所述散热器的出口水的温度，入口水的温度，室温和步骤2中计算的热水质量流量代入散热器的出入口水的温差与流过散热器的热水质量流量的函数关系式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{b}{c{Q}_m+b}(T_{\mathrm{in}}-T_{\mathrm{room}})(1-e^{-a(\frac{1}{c{Q}_m}+\frac{1}{b})})$

其中T_in为入口水温度，T_out为出水口温度，ΔT为出入口水温差，即入水口水温减去出水口的水温T_in-T_out，T_room为室温，Q_m为流过散热器的热水质量流量，经过非线性最小二乘拟合处理，最终得到常数a、b、c的值。

2.根据权利要求1所述的一种进行热计量的方法，其特征在于：所述的测量入水、出水口温度的传感器，其测量范围包括0℃～100℃，测量误差小于±0.3℃。

3.根据权利要求1所述的一种进行热计量的方法，其特征在于：所述热量计量装置置于室内，固定在距离散热器至少1米的位置，高度距离地面50cm～200cm。

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