CN1680787A

CN1680787A - 热扩散式热流量计和热量计及其测量方法

Info

Publication number: CN1680787A
Application number: CN 200410091166
Authority: CN
Inventors: 赵和平; 徐邦煦
Original assignee: SHANXIN HAIDA SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd BEIJING
Current assignee: SHANXIN HAIDA SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd BEIJING
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2005-10-12

Abstract

本发明涉及流量计、热量计及其测量方法。其中流量计的测量方法是：在管路中依次置入前测温元件、加热元件、后测温元件，通过加热元件对管路中的液体加热，测量加热元件前后液体的温度，用加热功率除以液体的定压比容，再用所得商除以加热元件前后液体的温差，即得到该管路中液体的瞬时流量。热量计的测量方法是在此基础上，再测取用户入口的进、出水处的水温，进而得到进、出水处的热焓及其差值，计算该热焓的差值与瞬时流量的乘积，便知用户管路中瞬时耗热量，最后将计量时段内的各瞬时耗热量累加，即得到累积耗热量。本发明方法采用基于热力学的热扩散原理，故可广泛用于各种流体的流量测量。本发明的流量计和热量计因无转动部件，故节能、无磨损、寿命长。

Description

热扩散式热流量计和热量计及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量热水/液体的质量流量的流量计、计量液体热量的热量计，及其测量方法，它既能用于民居的分户热计量，也可用于工业领域的液体测量，属于热测量技术领域。

背景技术

热流量计用于测量热水的流量，热量计是为采暖空调的用户用热能耗计量收费的用表。为了测量热水的流量，目前多采用旋翼式自来水表。为了计量热量，需在测得的热水流量的基础上，再检测供水和回水的温度，经累积计算而得到用户的用热量。

这种技术的缺点明显：旋翼式水表的叶片长期处于热水中而容易结垢，致使叶片的质量增大，水表在使用中会转得越来越慢；水表的轴和轴承会因水垢而产生较大的磨损；此外还存在小流量不灵敏、易受电磁干扰的问题。

我们知道有一个关于热力学第二定律的推论：当流体流过一个发热元件时，其带走的热量与表现的前后温差，是其质量流量的函数。其表达式为：

------式(1)

式(1)中：G----质量流量kg/s

P----加热器功耗(被流体带走的热量)w

C_p----定压比容(与流体有关的常量)

t_后-t_前----加热器前后的温度差

也即，如果测得加热功率和温差，便可计算出流体的流量。

我们还知道，热量测量的基本原理是：热用户消耗的热量为用户循环流量F和流出热水的焓I_t出与流入热水的焓I_t入之差的乘积。即：

瞬时耗热量q＝f(I_t出-I_t入) ------式(2)

累积耗热量

------式(3)

式(2)和式(3)中：q----瞬时耗热量w

Q----累积耗热量wh

t_入、t_出----用户入口的进、出水处的水温

I_t入、I_t出----温度分别为t_入、t_出时的热焓

就是说，如果测得用户循环流量、用户入口的进水处和出水处的水温，便可通过计算得知用户在时间T1至T2期间所耗用的热量。

但目前尚无采用热扩散方式检测热流量的热流量计和计量热量的热量计方面的报道。

发明内容

基于上述，本发明的一个任务是提供热扩散式热流量计及其测量方法。

在此基础上，本发明的第二个任务是提供热扩散式热量计及其测量方法。

针对第一个任务，本发明采取的技术方案是：

一种采用热扩散方式测量液体流量的方法，其首先在管路中置入测量用的加热元件，并在该加热元件前后分别置入前、后测温元件，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过所述加热元件对管路中的液体加热，

测量步骤：分别通过所述前测温元件和后测温元件测量所述加热元件前后的液体的温度，

计算步骤：用加热步骤中的加热功率除以液体的定压比容，再用所得商除以测量步骤中加热元件前后液体的温差，即得到该管路中液体的瞬时流量。

根据该方法设计的流量计包括流量检测电路、控制电路、以及用于与管路串接和安装所述各电路的中空本体，其中：

流量检测电路包括：加热元件，固定于所述本体的内腔中，用于在测量中进行加热补偿；前温度传感器，其测温元件固定于所述本体内腔中位于所述加热元件的前端处，用于测量加热元件前端的液体温度；后温度传感器，其测温元件固定于所述本体内腔中位于所述加热元件的后端处，用于测量加热元件后端的液体温度。

控制电路包括：微处理器，用于控制加热元件的加热功率及计算流量；显示器，其输入接所述微处理器的显示口，用于显示数据；加热控制器，其输入接所述微处理器的数据输出口，其输出接所述加热元件的电源端，其用于将数字量表征的加热功率转换为电量给加热元件供电；模数转换器，其输出接所述微处理器的数据输入口，用于将模拟量的测温信号转换成数字量；多路开关，其输入接所述各温度传感器的输出，其输出接所述模数转换器的输入，其控制端接所述微处理器的一个数据输出端，用于供微处理器选择测温信号。

使用时，该流量计串接于流体的管路中。

其工作过程是：微处理器通过加热控制器给加热元件加热，加热功率为P，微处理器控制多路开关分时选择两温度传感器，两温度传感器所测的流体的温度t_前和t_后经模数转换器变换后送入微处理器。微处理器根据该P、t_前、t_后，按式(1)进行计算，求得该流体的质量流量，其结果可显示于显示器上。

针对第二个任务，本发明采取的技术方案是：

一种采用热扩散方式计量热量的方法，其首先在用户管路的入口处和出口处分别置入入口、出口测温元件，再于入口测温元件的后方或出口测温元件的后方依次置入测量用的加热元件和后测温元件，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过所述加热元件对管路中的液体加热；

测量步骤：通过位于所述加热元件前后的测温元件，测量加热元件前方和后方处液体的温度，通过所述入口测温元件和出口测温元件，测量用户管路中入口处和出口处的液体的温度；

计算步骤：用所述加热步骤中的加热功率除以液体的定压比容，再用所得商除以所述测量步骤中加热元件前后液体的温差，即得到该管路中液体的瞬时流量，用所述测量步骤中入口处的液体的温度和出口处的液体的温度，分别计算入口处与出口处液体的热焓之差，将该差值与所述瞬时流量相乘，即得到该用户管路中瞬时耗热量；

累加步骤：对计量时段内的各瞬时耗热量进行累加，即得到计量时段内的累积耗热量。

根据该方法设计的热量计包括流量检测电路、焓差值检测电路、控制电路、用于与管路串接和安装所述各电路的中空本体，其中：

焓差值检测电路包括：入口温度传感器和出口温度传感器，该两温度传感器的测温元件分别装在用户管路中入口处和出口处，用于测量该两处的液体温度，其中的一个温度传感器与所述前温度传感器为同一个传感器。

控制电路包括：微处理器，用于控制加热元件的加热功率及计算流量和热量；显示器，其输入接所述微处理器的显示口，用于显示数据；加热控制器，其输入接所述微处理器的数据输出口，其输出接所述加热元件的电源端，其用于将数字量表征的加热功率转换为电量给加热元件供电；模数转换器，其输出接所述微处理器的数据输入口，用于将模拟量的测温信号转换成数字量；多路开关，其输入接所述各温度传感器的输出，其输出接所述模数转换器的输入，其控制端接所述微处理器的一个数据输出端，用于供微处理器选择测温信号。

使用时，将该流量计的本体串接于流体的管路中，可串接于用户暖气的前端，也可串接于用户暖气的后端。

其工作过程是：微处理器通过加热控制器给加热元件加热，加热功率为P，微处理器控制多路开关分时选择三个温度传感器，前温度传感器t_前，即入口温度传感器t_入(当流量计的本体串接于用户暖气的前端时)或出口温度传感器t_出(当流量计的本体串接于用户暖气的后端时)，和后温度传感器所测的流体的温度t_前和t_后经模数转换器变换后送入微处理器。微处理器根据该P、t_前、t_后，按式(1)进行计算，求得该流体的质量流量f。同时，微处理器根据入口温度传感器t_入和出口温度传感器t_出所测的入口和出口处的液体的温度，分别计算入口处液体的热焓I_t入与出口处液体的热焓I_t出之差，再按式(2)和式(3)进行计算，即得到该用户管路中瞬时耗热量和计量时段内的累积耗热量。

其结果可显示于显示器上。

本发明具有以下优点：

由于所设计的仪表中无转动部件，故无磨损、寿命长；

由于测温元件和加热元件体积小，故不易积垢、阻力小，有助于提高计量精度；

由于测温元件和加热元件体积小，故仪表本身节能；

由于结构简单，故价位低；

由于本发明采用基于热力学的热扩散原理，故可广泛用于各种流体的流量测量。

下面结合附图作进一步说明。

附图说明

图1为流量计的结构原理图；

图2为热量计的结构原理图；

图3为流量计的本体中加热元件和温度传感器的安装位置示意图；

图4为热量计中加热元件和各温度传感器的安装位置示意图。

具体实施方式

首先说明采用热扩散方式测量液体流量的方法及其流量计F。

请参见图3。一种采用热扩散方式测量液体流量的方法，即：

首先在管路中置入测量用的加热元件1，并在该加热元件1的前后分别置入前测温元件2和后测温元件3，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过加热元件1对管路中的液体加热，加热功率为P，

测量步骤：分别通过前测温元件2和后测温元件3测量加热元件1前后的液体的温度t_前和t_后，

计算步骤：用所述加热步骤中的加热功率P除以液体的定压比容C_p，再用所得商除以所述测量步骤中加热元件前后液体的温差t_后-t_前，即得到该管路中液体的瞬时流量。

再请参见图1、图3所示的根据上述测量液体流量的方法设计的热扩散式热流量计F的结构原理图。它包括流量检测电路、控制电路、用于与管路串接和安装控制电路、温度传感器、加热元件的中空本体(图中未示)。其中：

流量检测电路包括：加热元件1，固定于本体的内腔中，用于在测量中进行加热补偿。前温度传感器2，其测温元件固定于本体内腔中位于加热元件1的前端处，用于测量加热元件1前端的液体温度。后温度传感器3，其测温元件固定于本体内腔中位于加热元件1的后端处，用于测量加热元件1后端的液体温度。

控制电路包括：微处理器11，用于控制加热元件1的加热功率及计算流量；显示器12，其输入接微处理器11的显示口，用于显示数据。加热控制器5，其输入接微处理器11的数据输出口，其输出接加热元件1的电源端，其用于将微处理器11送出的以数字量表征的加热功率转换为电量给加热元件1供电。模数转换器10，其输出接微处理器11的数据输入口，用于将模拟量的测温信号转换成数字量。多路开关9，其输入接各温度传感器6和7的输出，其输出接模数转换器10的输入，其控制端接微处理器11的一个数据输出端，用于供微处理器11选择测温信号。

再请参见图3。使用时，该流量计F串接于流体的管路中。其测量过程是：微处理器11通过加热控制器5给加热元件1加热，加热功率为P，微处理器11控制多路开关9分时选择两温度传感器2和3，两温度传感器2和3所测的流体的温度t_前和t_后经模数转换器10变换后送入微处理器11。微处理器11根据该P、t_前、t_后，按式(1)进行计算，求得该流体的质量流量，其结果可显示于显示器12上。

再说明采用热扩散方式计量热量的方法及其热量计Q。

请参见图4。一种采用热扩散方式计量热量的方法，即：

首先在用户管路的入口处和出口处分别置入入口测温元件4和出口测温元件2，再于入口测温元件4的后方或出口测温元件2的后方依次置入测量用的加热元件1和后测温元件3，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过加热元件1对管路中的液体加热，加热功率为P；

测量步骤：通过位于所述加热元件1前后的测温元件2和3，测量加热元件1前方和后方处液体的温度t_前和t_后，通过入口测温元件4和出口测温元件2，测量用户管路中入口处和出口处的液体的温度t_入和t_出；

计算步骤：用所述加热步骤中的加热功率P除以液体的定压比容C_p，再用所得商除以所述测量步骤中加热元件前后液体的温差t_后-t_前，即得到该管路中液体的瞬时流量f，用所述测量步骤中入口处的液体的温度t_入和出口处的液体的温度t_出，分别计算入口处与出口处液体的热焓之差I_t入-I_t出，将该差值与所述瞬时流量f相乘，即得到该用户管路中瞬时耗热量q；

累加步骤：对计量时段内的各瞬时耗热量q进行累加，即得到计量时段内的累积耗热量Q。

上述热焓的计算可按以下方法进行：由于热焓是绝对温度K的函数，即是温度的函数，该函数经国外科学家反复实测，得到了相应的数据库，并为世界公认。本发明根据实测的用户管路入口和出口处的液体的温度t_入和t_出，再用查表的方式，从上述数据库中查得相应的热焓数据I_t入和I_t出，最后经计算得到热焓的差值I_t入-I_t出。

再请参见图2、图4所示的根据上述计量热量的方法设计的热扩散式热量计Q的结构原理图。它包括流量检测电路、焓差值检测电路、控制电路、用于与管路串接和安装所述各电路的中空本体(图中未示)。其中：

流量检测电路包括：加热元件1，固定于本体的内腔中，用于在测量中进行加热补偿；前温度传感器2，其测温元件固定于本体内腔中位于加热元件1的前端处，用于测量加热元件1前端的液体温度；后温度传感器3，其测温元件固定于本体内腔中位于加热元件1的后端处，用于测量加热元件1后端的液体温度。

焓差值检测电路包括：入口温度传感器4和出口温度传感器2，该两温度传感器的测温元件分别装在用户管路中入口处和出口处，用于测量该两处的液体温度，其中的一个温度传感器与前温度传感器为同一个传感器，温度传感器2既是前温度传感器也是出口温度传感器。

控制电路包括：微处理器11，用于控制加热元件1的加热功率及计算流量和热量；显示器12，其输入接微处理器11的显示口，用于显示数据；加热控制器5，其输入接微处理器11的数据输出口，其输出接加热元件1的电源端，其用于将数字量表征的加热功率转换为电量给加热元件1供电；模数转换器10，其输出接微处理器11的数据输入口，用于将模拟量的测温信号转换成数字量；多路开关9，其输入接各温度传感器2-4的输出，其输出接模数转换器10的输入，其控制端接微处理器11的一个数据输出端，用于供微处理器11选择测温信号。

中空本体、流量检测电路和控制电路构成了流量计F。

再请参见图4，使用时，该热量计Q的F串接于流体的管路中，入口温度传感器4的测温元件装在用户管路中入口处。

其测量过程是：微处理器11通过加热控制器5给加热元件1加热，加热功率为P，微处理器11控制多路开关9分时选择温度传感器2-4，温度传感器2和3所测的流体的温度t_前和t_后经模数转换器10变换后送入微处理器11。微处理器11根据该P、t_前、t_后，按式(1)进行计算，求得该流体的质量流量，即瞬时流量f。同时，微处理器11根据入口温度传感器4和出口温度传感器2所测的用户管路入口和出口处的液体的温度，分别计算入口处液体的热焓I_t入与出口处液体的热焓I_t出之差，再分别按式(2)和式(3)进行计算，即得到该用户管路中瞬时耗热量q和计量时段内的累积耗热量Q。

其结果可显示于显示器12上。

在本发明的其它实施例中：

所述加热控制器5可为一可将数字量转换成电压或电流的数模转换器。

为方便输入参数，可于微处理器11的输入口连接按键13。

考虑到温度传感器的信号输出幅度问题，所述各温度传感器2-4的输出可分别经一放大器6-8放大后再接多路开关9的输入。

因置入管路中的测温元件、加热元件及其所加入的热量会对管路中的流量和热量产生影响，为提高本测量方法的测量精度，应减小给测量用加热元件施予的加热功率，并减小置入管路中的各元件的尺寸。故加热元件1可采用微型电加热元件，各温度传感器2-4的测温元件也可采用微型铂电阻。

以上实施例仅为描述本发明而为，并非用以限制本发明的专利保护范围。对本发明所作的任何非实质性改进，仍应在本发明的专利范围之内。

Claims

1.一种以热扩散方式测量液体流量的方法，其特征在于：

首先在管路中置入测量用的加热元件，并在该加热元件前后分别置入前测温元件和后测温元件，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过所述加热元件对管路中的液体加热，

计算步骤：用所述加热步骤中的加热功率除以液体的定压比容，再用所得商除以所述测量步骤中加热元件前后液体的温差，即得到该管路中液体的瞬时流量。

2.一种依照权利要求1所述的方法设计的热扩散式流量计，其特征在于：它包括流量检测电路、控制电路、以及用于与管路串接和安装所述各电路的中空本体，其中：

流量检测电路包括：

加热元件，固定于所述本体的内腔中，用于在测量中进行加热补偿；

前温度传感器，其测温元件固定于所述本体内腔中位于所述加热元件的前端处，用于测量加热元件前端的液体温度；

后温度传感器，其测温元件固定于所述本体内腔中位于所述加热元件的后端处，用于测量加热元件后端的液体温度，

控制电路包括：

微处理器，用于控制加热元件的加热功率及计算流量；

显示器，其输入接所述微处理器的显示口，用于显示数据；

加热控制器，其输入接所述微处理器的数据输出口，其输出接所述加热元件的电源端，其用于将数字量表征的加热功率转换为电量给加热元件供电；

模数转换器，其输出接所述微处理器的数据输入口，用于将模拟量的测温信号转换成数字量；

多路开关，其输入接所述各温度传感器的输出，其输出接所述模数转换器的输入，其控制端接所述微处理器的一个数据输出端，用于供微处理器选择测温信号。

3.一种以热扩散方式计量热量的方法，其特征在于：

首先在用户管路的入口处和出口处分别置入入口测温元件和出口测温元件，再于入口测温元件的后方或出口测温元件的后方依次置入测量用的加热元件和后测温元件，然后进行如下步骤：

加热步骤：通过所述加热元件对管路中的液体加热；

4.一种依照权利要求3所述的方法设计的热扩散式热量计，其特征在于：它包括流量检测电路、焓差值检测电路、控制电路、用于与管路串接和安装所述各电路的中空本体，其中：

流量检测电路包括：

焓差值检测电路包括：

入口温度传感器和出口温度传感器，该两温度传感器的测温元件分别装在用户管路中入口处和出口处，用于测量该两处的液体温度，其中的一个温度传感器与所述前温度传感器为同一个传感器，

控制电路包括：

微处理器，用于控制加热元件的加热功率及计算流量和热量；

显示器，其输入接所述微处理器的显示口，用于显示数据；

5.如权利要求4所述的热扩散式热量计，其特征在于：所述加热控制器为一可将数字量转换成电压或电流的数模转换器，所述加热元件为微型电加热元件。

6.如权利要求4所述的热扩散式热量计，其特征在于：所述微处理器的输入口连接用于输入参数的按键。

7.如权利要求4所述的热扩散式热量计，其特征在于：所述各温度传感器的输出分别经一放大器后再接多路开关的输入。

8.如权利要求4所述的热扩散式热量计，其特征在于：所述各温度传感器的测温元件采用微型铂电阻。