- 熱量表的流量自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
- 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 采用鉑電阻PT1000溫度傳感器測(cè)量水溫
- 單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)
- 上位機(jī)軟件采用MFC的編程方法
引言
集中供熱分戶計(jì)量方式是一種節(jié)能環(huán)保的供暖計(jì)量體系。根據(jù)中國(guó)國(guó)家發(fā)改委于08年8月份發(fā)布的《城市供熱價(jià)格管理暫行辦法》的規(guī)劃,我國(guó)的供熱計(jì)量方式將逐步由按面積計(jì)費(fèi)方式過(guò)度到分戶計(jì)費(fèi)方式。熱量表是實(shí)現(xiàn)供熱分戶計(jì)費(fèi)的重要手段,它通過(guò)測(cè)量流體的流速與進(jìn)回水的溫差實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶實(shí)際供熱量的計(jì)量。其計(jì)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(shí)間。通過(guò)式(1)可以看出熱量表的流量測(cè)量精度是重要指標(biāo),直接影響供熱計(jì)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(guó)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(dòng)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(jì)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(cè)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(dòng)化程度與標(biāo)定效率,設(shè)計(jì)了一種熱量表的流量自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng),采用MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程的自動(dòng)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(shí)對(duì)多達(dá)12只熱量表進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)標(biāo)定系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)測(cè)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(jì)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(chǔ)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(guò)光電收發(fā)接口與控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)批量熱量表的自動(dòng)檢測(cè)與修正系數(shù)的自動(dòng)寫入??沙炭氐牧髁空{(diào)節(jié)閥用于流量的自動(dòng)控制。電子秤與儲(chǔ)水罐用于稱量計(jì)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(chǎng)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(shí),為管道增加了相應(yīng)保溫措施以減少循環(huán)管道的散熱。
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該標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)流量是由電子秤稱重來(lái)確定的,因此電子秤量程范圍既要滿足最小流量時(shí)的稱量又要滿足最大流量時(shí)的稱量,其測(cè)量精度直接影響到熱量表的精度。因?yàn)槭茄h(huán)系統(tǒng),容器體積為最大流量點(diǎn)所需要流體體積的2倍,恒溫水箱體積是最大流量點(diǎn)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(gè)數(shù)不宜過(guò)多,太多不但占地面積大,而且會(huì)使整個(gè)循環(huán)管路中壓差過(guò)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(yùn)行過(guò)程中循環(huán)管道流體常有脈動(dòng)現(xiàn)象,這將對(duì)熱量表的流量計(jì)量引入誤差,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在水泵的后端加裝穩(wěn)壓罐避免脈動(dòng)沖擊。此外,循環(huán)管路設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)程中觀察到已無(wú)氣泡,可人工提前停止排氣;若標(biāo)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有氣泡現(xiàn)象,可以通過(guò)停止按鈕結(jié)束本次測(cè)試重新進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)熱量表流量的自動(dòng)標(biāo)定過(guò)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??刂茊卧碾娫摧斎胧怯赏獠?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >開關(guān)電源提供的。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),開關(guān)電源與水泵電機(jī)共用一路交流電,水泵在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引起開關(guān)電源的輸出波動(dòng),若不采取防浪涌措施勢(shì)必會(huì)影響到單片機(jī)的正常工作。根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)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(guò)兩個(gè)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。
系統(tǒng)軟件
單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)
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(shí)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(guò)串行通信接口讀取上位機(jī)傳輸?shù)牧髁奎c(diǎn)個(gè)數(shù)、流量點(diǎn)流速與測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)并將其保存至外部存儲(chǔ)器中,以便系統(tǒng)脫離上位機(jī)啟動(dòng),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后控制單元首先測(cè)試待檢測(cè)熱量表的通信是否正常,若有沒(méi)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(gè)標(biāo)定過(guò)程完成以后控制單元將不同流量點(diǎn)的流量修正系數(shù)與系統(tǒng)時(shí)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(huì)出現(xiàn)異?,F(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(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)通信有問(wèn)題的熱量表,立即通知上位機(jī),通過(guò)人機(jī)界面詢問(wèn)用戶是否繼續(xù)測(cè)試,若用戶選擇繼續(xù)測(cè)試,控制單元將不再讀取有問(wèn)題的熱量表。
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上位機(jī)軟件
上位機(jī)軟件采用MFC(微軟的基礎(chǔ)類庫(kù))的編程方法,充分利用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn),MFC類庫(kù)中各種對(duì)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(guò)界面中的設(shè)置選項(xiàng)可以設(shè)定標(biāo)定的流量點(diǎn)個(gè)數(shù)、流量點(diǎn)流速和不同流量點(diǎn)的具體標(biāo)定時(shí)間。
用戶用上位機(jī)啟動(dòng)標(biāo)定過(guò)程后,上位機(jī)軟件通過(guò)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(guò)程的自動(dòng)控制,標(biāo)定完畢再通過(guò)RS232接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。
系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與分析
采用本系統(tǒng)對(duì)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(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定,檢定的5個(gè)流量點(diǎn)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(cè)量下限,qp為熱量表標(biāo)稱流量,qmax為熱量表流量測(cè)量上限。表1為本系統(tǒng)在大連瑞工微電子生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取的10塊熱量表的標(biāo)定結(jié)果。根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定,III級(jí)熱量表的精度為3%?,F(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定中,取相鄰流量點(diǎn)修正系數(shù)超過(guò)3%視為不合格。熱量表3在流量點(diǎn)4和5的修正系數(shù)不滿足要求,熱量表6在流量點(diǎn)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(yàn)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(jì)量局進(jìn)行了檢定,結(jié)果如表2所示。對(duì)比表1和表2可以看出,用本系統(tǒng)對(duì)熱量表的標(biāo)定結(jié)果與計(jì)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(yǔ)
鑒于傳統(tǒng)的熱量表標(biāo)定裝置大都為手動(dòng)系統(tǒng),操作繁瑣,標(biāo)定時(shí)間長(zhǎng),且容易引入人為失誤的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一套熱量表流量自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。系統(tǒng)在整個(gè)標(biāo)定過(guò)程中無(wú)需人為干涉自動(dòng)完成,標(biāo)定時(shí)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(dòng)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(yàn)證,該熱量表流量自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位的檢測(cè)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它的開發(fā)滿足了熱量表生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行批量自動(dòng)標(biāo)定的需要,能極大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。