CN100494928C - 一种热分配计量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种热分配计量的方法及装置，用于测量供暖系统中每个散热器的热流量，属热计量领域。本发明的方法是一种将每个散热器入口水温度和附近空气温度之间的温差作为散热器的特征量，用比例分摊的方法来测量每个散热器的热流量的方法，实现时以热电偶产生的热电势作为散热器的特征量。本装置包含单片机(1)，模拟运算放大器(2)，热电偶(3)，通讯电路(4)，电源(5)。本发明克服了目前计算散热器的散热量所采用的热分配计量方法都是以散热器表面温度为计量依据的缺陷，降低了热计量装置的成本和安装维护费用，装置成本低，适用于任何形式的同规格散热器。

Description

一种热分配计量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种热分配计量的方法及装置，用于测量供暖系统中每个散热器的热流量，属热计量领域。

背景技术

目前在已有的民用住宅供暖系统中广泛使用立管顺流式的管路结构。在这种结构的住宅中，每户有一个以上的进出水口，实行分户计量需要在每户中的每个散热器上加装一块热量表，成本很高。另一个方案是改造管线结构使每户有一个统一的热水进出口，但管路结构改造费用很高，并且会破坏原有的内部装修。解决这种结构住宅的分户热计量问题的方法一般采用热分配计量法。

热分配计量法不直接测量每个散热器的散热量，而是用一块楼栋热量表测量整个系统的散热量，用热分配表测量每个散热器所散热量占整个系统散热量的百分比，通过分摊计算求得每个散热器的实际散热量。过去采用的方法有两种，蒸发式热分配表，以及后来出现的电子式热分配表。蒸发式热分配表安装在散热器的表面，表内预先装有某种化学液体，液体被加热后挥发，通过细孔逃逸出去。液体的蒸发速度与散热器的表面温度密切相关，散热器表面温度越高液体蒸发越快。供暖季结束后，通过记录每个热分配表中所剩液体的多少计算分摊比例，从而求出每个散热器应分担的费用。蒸发式热分配表必须在每个供暖季开始前加注化学液体，数据无法远传，需要人工入户抄表，使用上比较麻烦。电子式热分配表基本上模拟了蒸发式热分配表的功能，用电子器件和感温元件替代了化学液体，并增加了远传功能，避免了蒸发式热分配表的不足。但是无论是蒸发式还是电子式，都是以散热器表面温度为计量依据的，其示值无法真实地反映与散热器热流量之间的关系。

发明内容

本发明的目的在于克服目前计算散热器的散热量所采用的热分配计量方法都是以散热器表面温度为计量依据，其示值无法真实地反映与散热器热流量之间的关系的缺陷，提出的一种新的热分配计量的方法，通过普通热电偶测量散热器入水口水温与附近空气温度的温差(简称水气温差)，使用分摊计算方法来间接地算出热流量，避免了上述弊病，同时提出了一种热分配计量的装置，也降低了热计量装置的成本和安装维护费用。

本发明所采用的方法为：首先将热电偶安装在每个散热器入口处，其工作端插入入水口测量入口水温，冷端不像常规应用那样进行冷端补偿，而是直接暴露在入水口附近的空气中。测量时直接测量热电偶两个输出端的热电势。如果系统中有M个散热器，对每个散热器都用上述方法测量其对应的热电势E_i，同时用常规楼栋热量表测量系统总热流量Φ，然后用公式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Φ}}_i=\frac{E_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j}\mathrm{\Φ},& i=1..M\end{array}---\left(1\right)$

算出每个散热器的热流量Φ_i(i＝1..M)。上式中E_i和E_j分别为第i个和第j个散热器上测得的热电势，Φ为总热流量，Φ_i为第i个散热器的热流量，M为系统中总的散热器个数。

本方法的原理是基于下述事实的：如果散热器的某个量(简称特征量)与散热器的热流量呈正比例关系(其比例系数称为特征量系数)，则可以采用 ${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{N_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j}\mathrm{\Φ}$ 计算每个散热器的散热量，其中，Φ_i为第i个散热器的散热量，Φ为系统总散热量，N_i为与第i个散热器的散热量Φ_i成比例的特征量，进行热量分摊计算。由传热学原理可以证明，在大多数运行工况下，散热器的入水口水温与附近空气温度的温差与散热器的热流量成正比，因而可以用这个水气温差作为特征量进行热量分摊计算。

众所周知，热电偶的基本原理就是测量温差。在供热系统的工况范围内，可以认为热电偶产生的热电势正比于工作端和冷端之间的温差。如果直接用热电偶测量散热器的水气温差，也就是用热电偶的工作端插入入水口测量入口水温，冷端不像常规应用那样进行冷端补偿，而是直接暴露在入水口附近的空气中，那么热电偶产生的热电势将正比于散热器的入水口水温与附近空气温度的温差，因此也正比于散热器的热流量，所以，这样产生的热电势也可以作为特征量。

经过对型号为SYTLZ-A-2-1.2的铜铝复合散热器和四柱813型铸铁散热器进行的试验，得到实测的K型热电偶的热电势与热流量的实验曲线，如图3和图4所示，实验结果与热电势与热流量呈正比关系的理论吻合较好，进而证明了本发明的热分配计量的方法能够更准确的得到每个散热器的热流量。

图5为本方法与表具直接测量法的相对误差分布。由图可以看出在各种工况下，用本方法测得的热流量与用表具直接测得的热流量之间的测量误差基本上可以控制在10％以内。

使用本发明进行热分配计量的方法而设计的热计量的装置，参见图1，包含单片机1，模拟运算放大器2，热电偶3，通讯电路4，电源5。铠装热电偶3的两个输出端与模拟运算放大器2的两个输入端相连，模拟运算放大器2对弱小的热电势信号进行放大；模拟运算放大器2的输出端与单片机的模拟输入端相连，将放大后的热电势信号送给单片机的模数转换器，变成数字信号；通讯电路4通过数据接口与单片机1的串行接口连接，发送测量数据到外部和接收设定指令；电源5与装置中各个器件的电源连接、供电。

发送测量数据的通讯电路通过网络与总热量表相连。总热量表通过网络采集系统中所有散热器上产生的热电势信号，按照(1)式算出每个散热器的分摊热流量。

显然，在每个散热器上安装按照上述原理制作的热分配表，测量散热器的特征量，配合楼栋总热量表，根据分摊计量的原则，可以实现对每个散热器的热计量。图2为热分配计量系统整体框图。

实现成本低是本装置的一大优点。在目前使用立管顺流供暖结构的大量老旧建筑中，可以在每个散热器上加装这样的测量装置，费用并不高，很适合作为的楼栋内部户间热量分摊计量使用。由于散热器类型相同时，特征量系数在整个分摊计量过程中也不起作用，因而不存在系数待定问题，可以适用于任何形式的同规格散热器。

附图说明

图1热流量计量装置系统框图，其中：

1、单片机，2、模拟运算放大器，3、热电偶，4、通讯电路，5、电源

图2热分配计量系统整体框图

图3铜铝复合型散热器实验曲线(流量为400千克/小时)

图4四柱813型散热器实验曲线(流量为400千克/小时)

图5本方法与表具直接测量法的相对误差分布

具体实施方式

本发明的方法为首先测量整个供热系统的总热流量，然后在每个散热器上测量散热器入口水温度和附近空气温度之间的温差，以此温差为特征量，按照公式 ${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{N_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j}\mathrm{\Φ},$ 用比例分摊的方法来测量每个散热器的热流量，式中，Φ_i为第i个散热器的散热量，Φ为系统总散热量，N_i为与第i个散热器的散热量Φ_i成比例的特征量。所述的测量散热器入口水温度和附近空气温度之间的温差，也可采用将测量水气温差转换为测量热电偶热电势的方法。将铠装热电偶安装在每个散热器入口处，其工作端插入入水口测量入口水温，冷端不像常规应用那样进行冷端补偿，而是直接暴露在入水口附近的空气中。测量时直接测量热电偶两个输出端的热电势。如果系统中有M个散热器，对每个散热器都用上述方法测量其对应的热电势E_i，同时用常规楼栋热量表测量系统总热流量Φ，然后用公式

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Φ}}_i=\frac{E_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j}\mathrm{\Φ},& i=1..M\end{array}$

算出每个散热器的热流量Φ_i(i＝1..M)。上式中E_i和E_j分别为第i个和第j个散热器上测得的热电势(mV)，Φ为总热流量(W)，可由标准热量计测得，Φ_i为第i个散热器的热流量(W)，M为系统中总的散热器个数。

本装置中的单片机1为美国微芯公司的PIC10F220。模拟运算放大器2采用SGM8522。装置使用电池供电，电源稳压芯片采用TPS60213。通讯电路4采用MAX3471。用于入水口测温的热电偶3为K型带螺纹的铠装热电偶，型号为WRNK-206。在使用时将测量入口水温度的热电偶接到待测散热器的入水口管线中，冷端暴露在附近的空气中。

单片机1内部集成有8位模数转换器，模数转换器的模拟输入连接测量入水口温度的模拟运算放大电路的输出端。单片机1片内的程序模拟串行通讯接口，通过一个通用I/O口与MAX3471构成RS-485串口通讯电路4。

系统工作时，在一个工作周期内，总热量表分别轮询各个热分配表，热分配表中的单片机1在收到轮询请求后，对放大后的、正比于水气温差的热电势模拟输入进行采样、变换，单片机1将数字化后的热电势模拟量值直接通过串口通讯电路4发往总热量表。总热量表在收到全部M个热分配表发来的数据后，按照(1)式计算出各个散热器的热流量，在对时间积分后得到各个散热器消耗的热量。

在本实施例中，系统的工作周期的时长为120秒。

Claims (3)

1、一种热分配计量的方法，其特征在于：是一种将每个散热器入口水温度和附近空气温度之间的温差作为散热器的特征量，用比例分摊的方法来测量每个散热器的热流量的方法，实现的具体步骤为：

首先将热电偶安装在每个散热器入口处，其工作端插入入水口测量入口水温，冷端直接暴露在入水口附近的空气中，测量热电偶两个输出端的热电势，同时用热量表测量系统总热流量Φ，然后用公式

${\mathrm{\Φ}}_i=\frac{E_i}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j}\mathrm{\Φ},$      i＝1..M

算出每个散热器的热流量Φ_i；式中，E_i和E_j分别为第i个和第j个散热器上测得的热电势，Φ为系统总热流量，Φ_i为第i个散热器的热流量，M为系统中总的散热器个数。

2、一种热分配计量的装置，其特征在于：包含单片机(1)，模拟运算放大器(2)，热电偶(3)，通讯电路(4)，电源(5)；其中，热电偶(3)的两个输出端与模拟运算放大器(2)的两个输入端相连，模拟运算放大器(2)对热电势信号进行放大；模拟运算放大器(2)的输出端与单片机的模拟输入端相连，将放大后的热电势信号送给单片机的模数转换器，变成数字信号；通讯电路(4)通过数据接口与单片机(1)的串行接口连接，发送测量数据到外部和接收设定指令；电源(5)与装置中各个器件的电源连接、供电。

3、根据权利要求2所述的一种热分配计量的装置，其特征在于：所述的通讯电路(4)通过网络与总热量表相连，总热量表通过网络采集系统中所有散热器上产生的热电势信号，算出每个散热器的分摊热流量。

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